目前,檢測(cè)棉結(jié)所采用的方法主要有以下三種:一是靠人工篩選和統(tǒng)計(jì)不同類型棉結(jié)和異纖雜質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量,勞動(dòng)強(qiáng)度高;二是使用機(jī)械或者離線儀器進(jìn)行檢測(cè),即將棉條或紗線等取樣到裝置上進(jìn)行檢測(cè),勞動(dòng)強(qiáng)度高、實(shí)時(shí)性差、精確度低;三是配備在梳棉機(jī)上的在線檢測(cè)棉結(jié)裝置,該裝置采用裝有攝像機(jī)鑒別梳棉機(jī)上棉網(wǎng)中的棉結(jié),精確地檢測(cè)并在顯示終端上及時(shí)反映出瞬間棉結(jié)雜質(zhì)變化情況,并報(bào)告每單位(例如克)生條或紗線中棉結(jié)雜質(zhì)顆粒數(shù),降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了實(shí)時(shí)性、安裝位置靈活。
但是現(xiàn)有的在線棉結(jié)檢測(cè)裝置,尤其采用圖像采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的圖像測(cè)定裝置 [2-5],不僅結(jié)構(gòu)上不夠靈活,而且處理能力也受到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境的限制,使用這種圖像測(cè)定裝置的在線棉結(jié)裝置,整體上具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、售價(jià)高、普及率低等缺點(diǎn),不利于棉紡廠的成本控制。
1 棉結(jié)檢測(cè)原理
中的波長(zhǎng)。棉纖維的吸收系數(shù)很小,用光照射棉纖維(棉網(wǎng))時(shí),入射光將部分被纖維表面反射,部分折射透過纖維,部分被纖維吸收,被纖維吸收的那部分又有部分轉(zhuǎn)換為纖維內(nèi)能,另一部分以散射的形式散發(fā)出來,但是比例很小,這樣,可以得出如下結(jié)論:
1 在棉網(wǎng)檢測(cè)中,棉纖維在光源照射下主要以反射光為主;
2 對(duì)于機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)生的棉結(jié),棉結(jié)糾纏的程度愈大反射光愈強(qiáng);
3 如果是非棉纖維雜質(zhì),例如棉籽造成的棉結(jié),反射光強(qiáng)很低;
4 白星或者有色棉結(jié),都屬于高絕緣、紙吸收系數(shù)物質(zhì),以反射為主。
綜上所述,并結(jié)合棉結(jié)的反射特性,可知光強(qiáng)和面積構(gòu)成了進(jìn)行棉結(jié)識(shí)別的主要特征,本文即結(jié)合該特征來設(shè)計(jì)棉結(jié)檢測(cè)算法程序。
2 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)合棉纖維的光電性質(zhì),為了突出棉纖維的圖像質(zhì)量,并保證能夠很好地被攝像機(jī)采集,需要設(shè)計(jì)合理的光源系統(tǒng)和曝光控制電路。同時(shí)根據(jù)棉網(wǎng)中棉結(jié)或雜質(zhì)特征(構(gòu)成模式識(shí)別的主要特征)設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)選用了 DSP+FPGA的圖像處理硬件架構(gòu) [7-9]。為了和現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)相兼容,添置與常用 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的連接模塊。整個(gè)系統(tǒng)的組成如下圖1。
2.1 光源部分設(shè)計(jì)光源部分包括曝光控制器和面陣 LED燈板,曝光控制器接收到中央處理單元發(fā)出的指令后,控制面陣 LED燈板閃光(或面陣LED燈常亮而不用曝光控制器)。面陣 LED燈板采用漫射均勻照射(根據(jù)前面提出的幾類棉結(jié)中的光反射和投射性質(zhì)選擇使用反射光或投射光)。
2.2 攝像機(jī)的選擇攝像機(jī)可以選擇面陣或線陣CCD,這兩類 CCD接口中,例如模擬視頻、Camera Link接口、Gigabi Ethernet 接口,在 DSP+FPGA架構(gòu)中連接很方便。一般地,對(duì)于只需要對(duì)棉網(wǎng)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)的情況,可以選擇性價(jià)比高的模擬面陣攝像機(jī);對(duì)于需要實(shí)時(shí)檢測(cè)棉網(wǎng)或者高速運(yùn)動(dòng)物體的疵點(diǎn)或雜質(zhì),甚至需要剔除的場(chǎng)合,就要選用線陣 CCD相機(jī)。
2.3 DSP+FPGA硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)
本部分主要包括攝像機(jī)圖像數(shù)據(jù)采集接口、光源曝光電路控制接口、PLC信號(hào)接口以及檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)。如果需要網(wǎng)絡(luò)控制,還需要在該架構(gòu)上設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接口。這些功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠 DSP+FPGA硬件處理架構(gòu)。
DSP+FPGA架構(gòu)中 DSP芯片采用美國 TI公司的TMS320DM642,F(xiàn)PGA芯片采用ALERA公司的 EP1K100,EP1K100用來完成 DSP的初始化配置、系統(tǒng)的邏輯控制以及其它輔助計(jì)算。TMS320DM642系列 DSP基于 C64X內(nèi)核,并以其在 600MHz時(shí)鐘下運(yùn)算速度可高達(dá)每秒 4800百萬條指令(MIPS),占有對(duì)高速控制器和隊(duì)列處理器數(shù)值性能的操作靈活性。該系列 DSP核處理器有64個(gè)32位字長(zhǎng)的通用寄存器和8個(gè)獨(dú)立的功能單元,8個(gè)功能單元的VelociTI.2擴(kuò)展包括新的提高視頻畫面處理性能的指令和 VelociTI結(jié)構(gòu)的并行處理機(jī)制的擴(kuò)充。 DM642可以每周期處理 4個(gè) 32位的積之和運(yùn)算,每秒即可有 2400百萬積之和(MMACS)運(yùn)算,或者是每周期 8個(gè)8位的積之和運(yùn)算即每秒 4800百萬積之和(MMACS)運(yùn)算。同時(shí) TMS320DM642使用兩級(jí)基于緩存的結(jié)構(gòu),可以配置為映射存儲(chǔ)區(qū)、緩沖區(qū),或者兩者的結(jié)合。以上所述特點(diǎn),為檢測(cè)算法的編程實(shí)現(xiàn)提供了有力保證。
TMS320DM642的外設(shè)部件包括:3個(gè)可配置的視頻口;1個(gè) 10/100Mb/s以太網(wǎng);1個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出管理模塊;1個(gè) VCXO內(nèi)插控制接口(VIC);1個(gè)多路音頻串口(McASP0);一個(gè)I2C總線模塊;2個(gè)多通道緩沖串口;3個(gè) 32位的通用定時(shí)器;1個(gè)用戶可配置的 16位或32位主機(jī)接口(HPI16/HPI32);1個(gè)外圍部件接口(PCI);1個(gè) 16管腳的中斷和事件產(chǎn)生模式可編程的通用 I/O口;1個(gè) 64位的無縫連接的外部存儲(chǔ)器接口(EMIFA),可以連接同步或者異步的存儲(chǔ)器和外設(shè)。對(duì)于模擬視頻接口的相機(jī)提供了無縫接口,如果需要連接Camera Link接口的相機(jī),可以擴(kuò)展數(shù)字接口。
2.4 PLC接口設(shè)計(jì)
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),PLC裝置通常采用 24VDC電壓供電,而 DSP及FPGA供電電壓都在 5VDC以內(nèi),為了和現(xiàn)場(chǎng)原有主機(jī)上的信號(hào)報(bào)警、信息顯示終端及控制信號(hào)形成控制回路,必須設(shè)計(jì)PLC接口電路,使從DSP輸出的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換后能與原有PLC裝置相連。
3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果
該裝置加裝在梳棉機(jī)上拍攝圖2,圖中左側(cè)使用模擬面陣攝像機(jī)拍攝得棉網(wǎng)圖片(擇取圖片中的部分,便于放大顯示),右側(cè)為檢測(cè)到的棉結(jié)并且使用紅色標(biāo)記。
該裝置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上拍攝圖3,圖中左圖使用模擬面陣攝像機(jī)拍攝得棉網(wǎng)圖片(擇取圖片中的部分,便于放大顯示),右圖為檢測(cè)到的棉結(jié)并且使用紅色標(biāo)記。
通過 DSP的可編程 I/O發(fā)送棉結(jié)個(gè)數(shù)的二進(jìn)制編號(hào),通過轉(zhuǎn)換電路,輸送到 PLC,便于在實(shí)際工廠中的集中控制和聯(lián)網(wǎng)控制。
4 結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):結(jié)合針對(duì)棉纖維光電性能的軟件檢測(cè)算法,選用基于 DSP+FPGA硬件架構(gòu)的圖像處理方式,設(shè)計(jì)了光源系統(tǒng);結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了 PLC接口電路,既實(shí)現(xiàn)了針對(duì)高速棉網(wǎng)的在線檢測(cè),又保證了與設(shè)備上現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相兼容。設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)不僅運(yùn)算速度快,而且通用性強(qiáng)、適合模塊化,同時(shí)還具有靈活的硬件接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,可以配用多種廉價(jià)攝像機(jī),大大降低了硬件成本。