《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > PET瓶封蓋質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
PET瓶封蓋質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第8期
鄭海成，謝 云
廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州510006
摘要： 設(shè)計了一套完整的基于DSP+ARM雙核處理器的PET瓶封蓋質(zhì)量檢測系統(tǒng)。首先通過DSP DM642完成對圖像傳感器MT9P031的RAW原始數(shù)據(jù)采集，然后對采集的PET瓶圖像進行定位并實現(xiàn)相關(guān)的圖像處理算法，最后采用ARM11嵌入式系統(tǒng)對整個傳動設(shè)備進行監(jiān)控。經(jīng)過實際生產(chǎn)線的應(yīng)用證明，該在線檢測系統(tǒng)能夠勝任在高速PET瓶封蓋生產(chǎn)線中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 雙核 PET瓶 封蓋 在線檢測
中圖分類號： TP39
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)08-0020-03
Design and implementation of PET bottle package defect detection system based on dual core processor
Zheng Haicheng，Xie Yun
Departerment of automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006，China
Abstract： This paper aims to design a complete PET bottle package defect detection system based on dual core processor which included DSP and ARM. Through the DSP DM642 to collect the RAW stream of raw data from image sensor MT9P031, then position the PET bottle image and real-time display the processed image，in addition, by the embedded system based on ARM11 on the whole transmission equipment monitoring and statistical treatment of data.The actual production line application confirms that the design of this on-line detection system can be capable of high-speed PET bottle package production line.
Key words : dual core；PET bottle；package；on line detection

    聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一種環(huán)保塑膠，目前市場上幾乎所有的飲料瓶都是用PET切片注塑加工成型的。在PET飲料瓶生產(chǎn)過程中吹瓶和灌裝是影響質(zhì)量的關(guān)鍵工序。而在灌裝工序，高速旋蓋子系統(tǒng)中PET瓶會出現(xiàn)歪蓋、高蓋甚至無蓋等情況[1]，在這些情況中，輕微的會導致產(chǎn)品外觀的不美觀，嚴重的會導致飲料內(nèi)部質(zhì)量發(fā)生變化，特別是茶飲料和乳類飲料。為了減少不合格品的數(shù)量，需要增加檢測工序。而傳統(tǒng)的PET瓶封蓋質(zhì)量檢測系統(tǒng)都是基于PC機實現(xiàn)的，整套設(shè)備往往體積相當龐大，而且檢測速度有限[2]，并且由于PC機本身的缺陷，在較為惡劣的生產(chǎn)線環(huán)境中無法正常工作。

    對此，本文設(shè)計了一套完整的基于DSP+ARM的PET瓶封蓋缺陷高速檢測系統(tǒng)。通過DSP DM642完成對圖像傳感器MT9P031（500萬像素）進行RAW（原始圖像編碼數(shù)據(jù)）原始數(shù)據(jù)流采集，并對采集的PET瓶的封蓋缺陷進行檢測和處理。此外，通過基于ARM11的嵌入式系統(tǒng)對傳動系統(tǒng)進行監(jiān)控，主要包括對電機傳動的控制、傳感器中斷信號的接收、控制觸發(fā)DSP進行圖像采集以及基于觸摸屏的人際互動監(jiān)控界面的開發(fā)。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計
    PET瓶封蓋缺陷檢測系統(tǒng)主要包括以下5個部分：圖像采集模塊、圖像核心處理模塊、圖像實時顯示模塊、控制觸發(fā)與傳動模塊和監(jiān)控模塊，如圖1所示。由基于Linux的ARM11 S3C6410處理器控制整個傳送帶的正常運作。由于本系統(tǒng)中PET瓶身的透明塑料特性，所以選取不受光線干擾的超聲波傳感器作為本系統(tǒng)的觸發(fā)傳感器[3]。在超聲波傳感器感應(yīng)到PET瓶身時，觸發(fā)DSP DM642通過I2C總線控制圖像傳感器MT9P031進行圖像的快速捕捉，圖像數(shù)據(jù)以10 bit并行數(shù)據(jù)輸入到DM642中，由DSP對圖像進行濾波、閾值化、水平投影、邊緣檢測以及PET瓶身定位后，以遍歷比較的方式完成PET瓶封蓋的缺陷檢測。然后把處理后的數(shù)據(jù)同樣以10 bit的圖像數(shù)據(jù)輸出到硬件編碼芯片，經(jīng)過CVBS轉(zhuǎn)VGA轉(zhuǎn)接器，最后完成圖像的實時顯示。此外，所有的檢測統(tǒng)計數(shù)據(jù)都將由ARM11通過無線WIFI模塊發(fā)送到遠程主機上進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和存檔。

2 圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計
2.1 圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    圖像采集部分由DM642的視頻口在PIXCLK時鐘控制下采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以D[9:0]10 bit形式發(fā)送到DSP，而DSP通過I2C總線接口控制圖像傳感器的工作模式和采集模式等；在DM642處理完圖像后，通過VP0D[9:0]10位數(shù)據(jù)輸出方式輸出到視頻編碼芯片SAA7121，DSP通過I2C總線設(shè)置SAA7121的相關(guān)寄存器，并控制數(shù)據(jù)進行傳輸。視頻數(shù)據(jù)通過SAA7121編碼后，輸出的視頻格式為PAL制或者NTSC制的視頻信號(即CVBS視頻信號)；最后通過CVBS轉(zhuǎn)VGA的轉(zhuǎn)接模塊，直接輸出到顯示屏上顯示。圖像采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。

2.2 圖像采集與處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計分析
    基于DSP DM642的圖像采集與處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為如下兩個部分：圖像采集的流程分析和PET瓶封蓋缺陷檢測算法的實現(xiàn)。
2.2.1 圖像采集的流程分析
    首先把DM642設(shè)置為RAW數(shù)據(jù)接收模式，并把接收數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為10 bit。然后通過I2C總線選通MT9P031的硬件地址和寄存器地址，發(fā)送相應(yīng)指令設(shè)置MT9P031為單幀觸發(fā)模式，把圖像格式設(shè)置為SXGA格式(即1 280×1 024)，并設(shè)置好水平消隱和垂直消隱的寬度。在完成以上設(shè)置后，DM642通過TRIGGER引腳控制傳感器捕捉一幀圖像并傳送到DM642內(nèi)部的FIFO緩存器中進行相應(yīng)的圖像識別和檢測的實現(xiàn)。圖像采集流程如圖3所示。

2.2.2 PET瓶封蓋缺陷檢測算法的實現(xiàn)
    (1)本系統(tǒng)設(shè)計的檢測方法是多瓶身同時檢測，而對PET瓶身的區(qū)域定位，是通過掃描Y軸方向的像素點之和是否為非零來判斷每個瓶身的真實位置，通過對第一個非零值的gi(ni)到第一個零值的gi(ni)即可記錄一個PET瓶的大概區(qū)域位置，標記為x1、x2。用同樣的方法計算出第二個PET瓶所在的區(qū)域為x3、x4之間。
    在經(jīng)過圖像預處理后，需確定瓶身與瓶頸的分割線作為后續(xù)瓶蓋定位的絕對坐標。通過圖像在Y軸上的投影分析，可以清晰地分辨出瓶身與瓶頸的分割線在Y軸的0坐標往正方向開始掃描到第一個灰度值波峰位置，并且經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證，波峰的確定位置誤差在5個像素點之內(nèi)(本系統(tǒng)所采用的圖像大小為1 280×1 024，即誤差在5/1 024=0.48%以內(nèi))。
    (2)本系統(tǒng)采用在基于預處理之后，進行垂直方向自上而下的掃描方法，標識掃描到的第一個非零灰度值像素點，并把該x坐標上的其他y點全部置為零灰度值，從而完成垂直方向外輪廓的快速提取[4]。
    (3)由以上兩步得到瓶頸與瓶身的分割線以及瓶蓋頂部邊緣，在此基礎(chǔ)上識別出兩個瓶身所在的區(qū)域為[x1，x2]和[x3，x4]，然后通過計算分割線與瓶蓋頂部邊緣的距離與標準值進行比較，若誤差超過5%，則認為不合格，即可剔除。PET瓶身封蓋缺陷檢測算法的總體流程如圖4所示。

3 基于ARM11的傳動與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
3.1 傳動系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本平臺的傳動系統(tǒng)所采用的主處理器為ARM11 S3C6410。由于考慮到瓶身透明和體積問題，所以在傳感器選型上選用超聲波傳感器作為瓶身的探測傳感器。超聲波傳感器輸出的電壓值范圍為0.2 V～4.5 V，然后通過以LM358運算放大器搭建的比較電路進行電壓的閾值分割，使觸發(fā)信號邊緣特性更佳。通過比較器后，超聲波傳感器的觸發(fā)信號經(jīng)過74LVC4245電平轉(zhuǎn)換信號，信號直接輸入到ARM11的外中斷口。ARM11在接收到超聲波傳感器的外中斷信號后，通過端口將信號輸出到DSP DM642的外中斷口，觸發(fā)DM642完成圖像捕捉功能。與此同時，通過超聲波的中斷觸發(fā)信號，ARM11通過端口輸出一個3.3 V的電平信號，控制24 V模塊后，輸出24 V的電壓控制信號，直接控制繼電器的通斷，從而完成控制電機的傳動工作。整個傳動系統(tǒng)的硬件框圖如圖5所示。

 

 

    監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括圖像的VGA顯示和觸摸屏驅(qū)動部分。首先通過ARM11 S3C6410的專用LCD控制器接口輸出24 bit液晶屏數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過LCD轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，從而可以通過編程控制LCD控制器輸出來完成VGA顯示。此外，通過ARM11的四線電阻屏控制引腳TSXM、TSYM、TSXP、TSYP來控制一個17英寸電阻觸摸屏，通過編程可以控制四線電阻屏的輸出-X、+X、-Y、+Y坐標來完成觸摸屏的硬件驅(qū)動。
3.2 軟件多線程設(shè)計
    由于本文設(shè)計的傳動系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)需要進行多任務(wù)的同時調(diào)度，所以需要設(shè)計一個基于Linux系統(tǒng)的多線程管理機制。其中從線程的作用不同可分為：控制電機傳動線程、傳感器中斷處理線程、監(jiān)控界面設(shè)置管理線程以及無線通信線程，四者相對獨立，但又在必要時進行數(shù)據(jù)交互。各個線程的相互關(guān)系如圖6所示。

4 實驗結(jié)果及分析
    基于DSP DM642讀取MT9P031圖像傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)測試后采集的速度可達20幀/s，采集的圖像精度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，最小精度為76 pix/inch。
    此外，本系統(tǒng)采用DSP+ARM的硬件平臺取代傳統(tǒng)的PC機平臺，為工業(yè)在線檢測帶來了更可行、更科學的解決方案。系統(tǒng)具有體積小、安裝方便、抗干擾能力強和高速處理等特點，是普通PC機無法比擬的，具有廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻
[1] Ma Huimin，Su Guangda，Wang Junyan，et al.A glass bottle defect detection system without touching[C].Proceedings of the First International Conference on Machine Learning and  Cybemetics，Vol2：Beijing，4-5 November，2011：628-632.
[2] 嚴華宇.基于FPGA的玻璃缺陷圖像采集預處理系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學，2007.
[3] 徐赤，王志平，凌永祥，等.基于智能視覺系統(tǒng)的飲料瓶缺陷檢測技術(shù)[J].自動化與儀器儀表，2011(5)：163-167.
[4] 鄒振興.基于FPGA的PET瓶缺陷檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2009.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。