基于机器视觉的布带瑕疵检测系统的硬件设计
赵振华，杨卫发，王娜，徐梓杰
（武汉工程大学电子信息工程学院 中国，湖北，武汉）
摘要
本文介绍一种基于纺织物瑕疵检测的系统的硬件设计方法。织物瑕疵检测系统能够高效的替代纺织生产线人工检测，对生产效率及自动化程度有了显著的提高。该系统采用三星公司的S3C44B0型ARM7芯片作为核心处理器，使用FIFO存储器实现OV7620图像传感器的数据缓存，利用小型FPGA来控制整个系统的工作时序。因此，该系统能够准确检测纺织产品的各种缺陷，比如污渍、孔洞等，之后机器会自动停机，并且发出报警信号。
关键词：机器视觉；S3C44B0；瑕疵检测
绪论
机器视觉是一种用机器代替人眼来测量和判别的技术。在纺织行业以往用人眼来检测纺织品质量，不仅精度低、效率低，而且容易使眼睛疲劳。而机器视觉技术可以大大提高生产效率和自动化程度。现在有一工厂主要生产单一颜色的布带，并且布带宽度小于5cm，卷布机的卷布速度约为4m/min,布带在绕成布卷之前必须先经过检测，如果发现缺陷必须将其剪断。缺陷检测的要求是检测系统能够准确的找到不大于1mm2的瑕疵，发现缺陷之后停下机器，发出警报提示操作者。基于这种情况，我们设计了一个系统，可以准确地发现污渍、空洞、断线及其他缺陷。
1.总体设计方案
为了能够快速准确地检测出布带上的缺陷，前端采集来的图像信息应尽可能地显示缺陷与背景像素之间的特征差异，这就要求必须使用高速微处理器实时采集和存储图像数据,从而减少了微处理器等待数据的空闲时间。基于以上考虑因素，我们选择三星S3C44B0作为系统微处理器。微处理器初始化图像传感器，通过SCCB（串行摄像头控制总线）接口发送控制命令，而图像数据存储在SDRAM(同步随机存取存储器)中，之后FIFO缓冲区做后处理，该系统的时序由FPGA控制。该检测系统由图像采集模块、控制信号发生器、数据缓冲区（FIFO）、微处理器及其外围电路组成。系统的框图如图1所示。
2.图像采集模块和帧缓冲器设计
2.1图像采集模块
设计要求综合考虑系统要求、现场环境、成本等因素，系统选择Omnivision公司的OV7620模块作为CMOS图像传感器获取布带图像信息。OV7620是一个高度集成的高分辨率（640times;480）隔行（或逐行）扫描CMOS数字彩色（或黑白）摄像机芯片。数字视频端口支持60Hz YCrCb 4:2:2 16位（或8位）格式、ZV端口输出格式、RGB原始数据16位（或8位）输出格式及CCIR601(或CCIR656格式)。内置的SCCB界面提供了一种控制内置相机功能的简单方法，窗口功能允许用户根据需要对窗口进行大小调整，窗口大小可在4times;2到664times;492之间调整，并且可放置在664times;492边界内的任何地方。系统默认输出窗口大小是640times;480，可调帧数高达30fps，VGA输出格式(3000万像素,640times;480)灰度图像分辨率,8位灰度量化,可以满足小于1mm2范围内发现缺陷的使用要求。
在主模式中，OV7620提供了Hsync(水平同步信号)、Vsync(垂直帧同步信号)、PCLK(数据同步信号)和FODD(odd field flag)输出。在OV7620中已经建立起了两种控制机制，即启动复位方法和SCCB接口方法。接通电源时，视频端口最初是三态的，此刻允许外部上拉（或下拉）电阻来设置默认操作条件，经过2048秒后视频端口恢复正常功能；SCCB接口通过编写寄存器来提供对所有特性的完全访问功能。这两种控制机制相互影响，一次只能使用一种，由Pin SBB选择。数据及命令信号的时序图如图2所示。
2.2帧缓冲器
由OV7620输出一帧灰色图像数据超过20毫秒，如果微处理器在此期间等待数据，将会浪费大量的计算时间。因此，为了减少甚至是消除等待时间，就需要在OV7620和微处理器之间设计一个缓冲区，那存取数据和处理数据就可以同时完成。该系统使用一个FIFO内存芯片AL422B作为数据缓冲，FIFO存储器有两种数据总线，没有地址总线，数据能够在读取时写入。数据在内存中顺序移动，因此数据传输速度非常高。由于消除了对地址总线的需要，便于采集控制器的设计，有利于在印刷电路板上布线。AL422B由3M位DRAM组成，其存储容量大大超过了OV7620的灰度图像信息。该系统界面非常友好，因为所有复杂的DRAM操作都由内部DRAM控制器管理，最大运行频率高达50MHz。
2.3图像采集模块与帧缓冲器之间的接口设计
该系统选择一个包含OV7620芯片的综合模块C3188A作为图像采集模块，模块的模拟接口和数字接口可直接用于用户，配备1/3英寸的聚焦透镜。图3是C3188A和AL422B的接线图。闪存芯片AL422B的输入总线D11-D17可以直接连接C3188A模块的数据总线Y0-Y7，输出总线DO1-DO7连接到S3C44B0的低8位D0-D7数据总线。芯片AL422B是DRAM, WCK和RCK在任何时候都要不小于1MHz，WCK和RCK的速度越快，就被用作DRAM刷新计时时钟，并且必须保持自由运行状态。该系统采用了PCLK，由OV7620提供135MHz的定时时钟。配置总线，SDA、 ACL分别连接S3C44B0的IICSDA和IICSCL的引脚。OV7620直接由S3C44B0配置，其他时间都由FPGA芯片控制。像素时钟PCLK可以扮演AL422B的写入时钟，但是，其他视频同步信号不适合AL422B的操作时钟。另外，FPGA芯片A3P030属于ProASIC3系列，用于实现逻辑转换。
图3 图像采集模块与帧缓冲之间的接口图
3.时序设计
AL422B的数据表显示，在写地址读取当前字段数据后，读取地址应该在129到393与247之间，所以我们设计了A3P030的8位计数器，由PCLK触发。当计数器计数到128时，A3P030会产生一个中断信号，来启动并通知S3C44B0读取数据。WRST (写复位)信号和AL422B的WE (写允许)信号必须同时兼容VSYNC和HREF制式，VSYNC的出现上升边沿表示一帧数据已被传输完成，同时A3P030应发送给AL422B写复位信号（WRST），来清除下一帧的写地址。由于HREF为低电平，输出数据无效，因此必须禁用WE(写允许)的信号。
S3C44B0会生成nGCS2和nOE信号来读取数据,A3P030需要将其转换为读AL422B、RE、OE和RCK的信号，时序图如图4所示。当RE和OE信号都是低电平时，在RCK信号上升沿输出数据，并在RCK信号的下降边沿自动读取地址指针加1。否则，当RE为高电平时，读地址指针值保持原来的值。当OE为高电平时，在RCK的上升边沿，数据总线显示外部的高阻抗状态。使用VHDL实现上述电路，部分代码如下：
Process (nGCS2, nOE)
begin
if nGCS2#39;event and nGCS2=#39;0#39;then
RCK lt;= #39;1#39;;
Else if nOE#39;event and nOE=#39;0#39;then
RCK lt;= #39;0#39;;
RE lt;= #39;1#39;;
OE lt;= #39;1#39;;
Else if nOE#39;event and nOE=#39;1#39;then
RCK lt;= #39;1#39;;
Else if nGCS2#39;event and nGCS2=#39;1#39;then
RE lt;= #39;0#39;;
OE lt;= #39;0#39;;
RCK lt;= #39;0#39;;
end if;
end process;
图4 时序图
4.微处理器和外围电路设计
本设计使用了三星的ARM7芯片S3C44B0，该芯片由一个16/32位的RISC处理器来作为核心处理器。S3C44B0为手持设备和一般类型的应用程序提供了一种高性价比、高性能的微处理器控制解决方案。S3C44B0芯片内使用ARM的16/32位ARM7TDMI RISC处理器(66MHz)内核，并提供三线程和一个增强的64位可以产生结果硬件倍增器。S3C44B0提供全面通用的芯片外围设备，大大减少了系统电路中处理器的配置，并允许系统成本最低化。
S3C44B0没有程序存储器和数据存储器，因此它需要一个外部ROM设备来存储断电后仍然需要保存的代码和数据。
需要高速运行的程序，命令必须快速读取。由于ROM读周期比SDRAM短，一般来说，本设计可以使用ROM来存储各个过程。当系统启动时，程序将自动下载到SDRAM中运行，这样可以大大提高程序运行的速度。因此，该设计使用FLASH ROM设备SST39VF160存储程序代码和常量，并在SDRAM设备中运行HY57V281620存储运行时程序、临时数据和堆栈。此外，为处理器提供时钟电路和复位系统，以致系统工作正常。在设计过程中，为了方便调试，必须扩展S3C44B0的JTAG接口和串行接口。在程序调试阶段，由芯片制造商设计用于下载和调试的JTAG接口也可以通过串行接口向PC发送数据，它有助于分析数据和代码。
5.结论
该设计可以更准确地检测出生产线上布条的缺陷，随着生产线速度的加快，为了防止出现漏检的现象，系统利用FIFO内存作为缓冲来提高处理器的效率，在前一帧处理时可以收集当前帧。
参考文献
[1]OV7620产品数据表.OmniVision视觉科技有限公司，2001.
[2]郭兆南,李如锋.FIFO芯片AL422B在视觉系统中的应用.湖南工程学院学报,2003,第1期，第12卷.
[3]袁炜淇,唐永华.CMOS数码相机OV7620在现金计数机的元数识别和记录系统中的应用.中国电子设备杂志.2006,4:29
[4]舒亮澈,鲁应华,王海兰.基于S3C44B0的CMOS图像采集系统的研究.计算机工程与应用.2005,第12期，第41卷.
[5]易天.嵌入式系统的开发和应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
基于伺服的地毯簇绒机纱线和衬布喂料控制系统研究
陈光锋，王卫斌，孙浩淳，孙翊泽
（东华大学机械工程学院，上海）
摘要
为了便于调整簇绒机的工艺参数，开发了一种采用交流伺服电机给纱线和底布喂纱的簇绒地毯机械协调控制系统。系统采用与轴直接连接的伺服电机调速，实现送纱调节和底布送料调整，代替传统机械传动链调节。根据控制系统的实际要求，设计并开发了控制系统的软硬件。系统通过程序界面来设定和调整纱线和底布的进给率，并通过CAN总线将参数发送到基于DSP芯片设计的两轴运动控制板上，设置好启动信号后，DSP控制电路板可以根据监测到的主轴转速调整伺服电机的转速，并根据主轴实现纱线和支撑布的进给速度。通过原型机试验，可以在短时间内改变纱线和底布喂入比的工艺参数。
关键词：伺服控制；速度协调；DSP；CAN总线；地毯簇绒机
序言
地毯制造工艺较多，目前生产的地毯90％以上是簇绒地毯。近几年国内地毯簇绒机提花机技术研发取得了一定成果，参考文献[1-4]采用模糊控制策略来驱动伺服机构文献[5-13]采用工业计算机控制伺服电机，通过喂纱动态控制提高毛圈绒毯、地毯外观质量。
国内地毯生产商采用的地毯簇绒机大多采用传统老式机型，通常采用机械传动来协调各种机构的运动顺序。在地毯生产过程中，这导致工艺参数的调整需要停机进行机械调整，参数调整过程导致准备周期长、生产效率低。
本研究通过对旧的簇绒机进行升级改造，通过控制相应的伺服电机取代机械传动，直接驱动喂纱喂料和衬布喂料，开发出可在线更新工艺参数的控制系统。
1.伺服纱线喂入和喂料机构
传统的喂纱和衬布喂料传动链是基于机械传动的，喂纱和衬布喂入示意图如图1所示。主轴为Z0、Z1、Z2、Z3和Z4为四个喂纱辊轴,Z5和Z6是底布喂入轴。主轴Z0为主动轴，Z0分别通过皮带传动带动Z3和Z6，Z3和Z6分别通过带传动带动Z2和Z5。ZI和Z2、Z3和Z4通过啮合齿轮传动装置连接。主动主轴Z0通过曲柄连杆机构驱动簇绒针上下往复运动，同时驱动环和完成毛圈成形。四个辊子之间的纱线传输路径如图1所示，驱动力来自于由皮带旋转轴Z3驱动的四个辊子驱动轴。ZI和Z2、Z3和Z4为直齿齿轮。皮带传动具有传动比不准确、效率低、工作寿命短等缺点。
图1 喂纱和衬布喂入示意图
在毛圈簇绒地毯生产过程中，需要控制每个簇绒周期中纱线和底布的喂入量。喂纱量会影响毛圈绒的高度，衬布的喂入量会影响簇绒地毯的针距。这需要改变驱动轴主轴速比的相对关系，如ZO和Z3或ZO和Z6之间的传动比，以影响基布的喂纱和移动速度。对于旧的簇绒机，配置这些参数需要关闭以更换皮带和滑轮等将会花费很长时间。
2.控制系统硬件设计
2.1控制逻辑和结构设计
为了改善这种情况，我们采用交流伺服电机驱动的喂纱辊和轴承补料轴向取代原机械传动。在这个控制系统中有三个可移动的轴，主轴ZO、纱线进给轴Z3和衬布进给轴Z6。 主轴ZO不受此控制系统的控制，ZO仅作为Z3和Z6的参考速度进行跟踪。ZO主要由PLC和变频器控制，通过PLC和变频器控制，实现簇绒机的启停、转速控制。安装在ZO上的编码器可以提供用于其他两个轴Z3和Z6的旋转信号用于速度跟踪。为实现这一点，下位机通过上位机设置参数并下载到下位机，实时检测主轴速度（ZO），并驱动伺服电机以不同的速度旋转。上位机和
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