基于DSP_FPGA架构的在线棉结检测装置

检测

DSP开发与应用

文章编号:1008-0570(2010)01-2-0118-02

《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2010年第26卷第1-2期

基于DSP+FPGA架构的在线棉结检测装置

NepsOnlineDetectionDeviceonDSP+FPGAArchitecture

(1.北京经纬纺机新技术有限公司;2.北京服装学院)

尹中信

1

王全良

2

YINZhong-xinWANGQuan-liang

摘要:为了在梳棉机上实现在线检测监控棉网中的棉结杂质,提出了一种基于DSP+FPGA架构的硬件图像处理在线检测装

置,取代传统的PC-Base检测模式;采用符合梳棉机机械结构的光源设计和控制接口,完成对现场的实时监控;利用DSP的扩展能力实现网络数据传输。介绍了该装置的检测原理、光源系统设计、DSP+FPGA处理架构、PLC接口以及终端设计,该系统可应用于高速运动的棉网监控及其它高速运动物体的实时监控,在检测技术与自动化装置研究领域具有重要的实用意义和广泛的应用前景。

关键词:棉结;在线检测;DSP+FPGA;CCD传感器中图分类号:TP385;TP274+.5文献标识码:B

技术创新

Abstract:TheonlinedetectionforthenepsinthecottonwebispresentedbasedonDSP+FPGAarchitecture,whichsubstitutefortheconventionalPC-basemode.Thefactors,suchasI/O,lightingforthecardingmachine,thenetworktransmissionareconsidered.Thispaperintroducestheprincipleanddesigndetailsforlightsystem,DSP+FPGAarchitecture,PLC(ProgramLogicController)andterminal.Itprovedtobeareliableandeffectivefortherequestofhighspeedinspectingsystembasically,hasimportantpracticalsignificanceonresearchareasoftestingtechnologyandautomateddevices.Keywords:nep;on-linedetection;DSP+FPGA;CCDsensor

引言

棉结主要是棉纤维纠缠而成的纤维结,其形成原因分三大类:机械生产产生的棉结、棉籽造成的棉结、白星或者有色棉结。由于其体积微小极易被纱布所抱合和沾附,在整个纺织印染过程中成为难以除掉的疵点,较高含量的棉结将导致纱线中较高的棉结含量,并最终影响织物外观,因此在棉花被纺成纱线或织成布前进行棉结检测是非常重要的。

目前,检测棉结所采用的方法主要有以下三种:一是靠人工筛选和统计不同类型棉结和异纤杂质点的数量,劳动强度高;二是使用机械或者离线仪器进行检测,即将棉条或纱线等取样到装置上进行检测,劳动强度高、实时性差、精确度低;三是配备在梳棉机上的在线检测棉结装置,该装置采用装有摄像机鉴别梳棉机上棉网中的棉结,精确地检测并在显示终端上及时反映出瞬间棉结杂质变化情况,并报告每单位(例如克)生条或纱线中棉结杂质颗粒数,降低了劳动强度、提高了实时性、安装位置灵活。

但是现有的在线棉结检测装置,尤其采用图像采集卡和计算机构成的图像测定装置,不仅结构上不够灵活,而且处理能力也受到计算机和计算机软件环境的限制,使用这种图像测定装置的在线棉结装置,整体上具有结构复杂、售价高、普及率低等缺点,不利于棉纺厂的成本控制。

其中,n—复数折射率的实部(即折射率),k—复数折射率

的虚部(消光部分),—材料的相对介电系数,εÁ—SI制的真空介电系数,—材料电导率,—电磁波角频率。

由公式可知,当-->0时,棉纤维的折射率将接近于,消光系数接近于0,表明棉纤维的透明度很好,接近于半透明。根据朗伯方程,光在固体中传播时,强度I随着传播距

离x按指数规律衰减,其中α为吸收系数,α=4π/λÁ为光在,λÁ真空中的波长。棉纤维的吸收系数很小,用光照射棉纤维(棉网)时,入射光将部分被纤维表面反射,部分折射透过纤维,部分被纤维吸收,被纤维吸收的那部分又有部分转换为纤维内能,另一部分以散射的形式散发出来,但是比例很小,这样,可以得出如下结论:

(1)在棉网检测中,棉纤维在光源照射下主要以反射光为主;(2)对于机械生产产生的棉结,棉结纠缠的程度愈大反射光愈强;

(3)如果是非棉纤维杂质,例如棉籽造成的棉结,反射光强很低;

纸吸收系数物质,以(4)白星或者有色棉结,都属于高绝缘、

反射为主。

综上所述,并结合棉结的反射特性,可知光强和面积构成了进行棉结识别的主要特征,本文即结合该特征来设计棉结检测算法程序。

1棉结检测原理

由于棉纤维或者棉网属于绝缘电介质材料,电导性σ很小,其光电性能公式如下:

(1)

尹中信:电气工程师

--元年邮局订阅号2检测装置结构设计

结合棉纤维的光电性质,为了突出棉纤维的图像质量,并保证能够很好地被摄像机采集,需要设计合理的光源系统和曝光控制电路。同时根据棉网中棉结或杂质特征(构成模式识别的主要特征)设计的检测算法实现选用了DSP+FPGA的图像处理硬件架构。为了和现场的控制系统相兼容,添置与常用PLC进行

现场总线技术应用200例》

检测

DSP开发与应用

PLC接口电路,使从DSP输出的信号经过信号转换后能与原有PLC装置相连。

数据通讯的连接模块。整个系统的组成如下图1。

3数据分析结果

图1检测装置系统组成框图

2.1光源部分设计

光源部分包括曝光控制器和面阵LED灯板,曝光控制器接收到中央处理单元发出的指令后,控制面阵LED灯板闪光(或面阵LED灯常亮而不用曝光控制器)。面阵LED灯板采用漫射均匀照射(根据前面提出的几类棉结中的光反射和投射性质选择使用反射光或投射光)。

2.2摄像机的选择

摄像机可以选择面阵或线阵CCD,这两类CCD接口中,例如模拟视频、CameraLink接口、GigabiEthernet接口,在DSP+FPGA架构中连接很方便。一般地,对于只需要对棉网进行采样监测的情况,可以选择性价比高的模拟面阵摄像机;对于需要实时检测棉网或者高速运动物体的疵点或杂质,甚至需要剔除的场合,就要选用线阵CCD相机。

2.3DSP+FPGA硬件架构的设计

本部分主要包括摄像机图像数据采集接口、光源曝光电路控制接口、PLC信号接口以及检测算法的设计。如果需要网络控制,还需要在该架构上设计网络接口。这些功能的实现主要依靠DSP+FPGA硬件处理架构。

DSP+FPGA架构中DSP芯片采用美国TI公司的TMS320DM642,FPGA芯片采用ALERA公司的EP1K100,

系统的逻辑控制以及其EP1K100用来完成DSP的初始化配置、

它辅助计算。TMS320DM642系列DSP基于C64X内核,并以其在600MHz时钟下运算速度可高达每秒4800百万条指令(MIPS),占有对高速控制器和队列处理器数值性能的操作灵活性。该系列DSP核处理器有64个32位字长的通用寄存器和8个独立的功能单元,8个功能单元的VelociTI.2扩展包括新的提高视频画面处理性能的指令和VelociTI结构的并行处理机制的扩充。DM642可以每周期处理4个32位的积之和运算,每秒即可有2400百万积之和(MMACS)运算,或者是每周期8个8位的积之和运算即每秒4800百万积之和(MMACS)运算。同时TMS320DM642使用两级基于缓存的结构,可以配置为映射存储区、缓冲区,或者两者的结合。以上所述特点,为检测算法的编程实现提供了有力保证。

TMS320DM642的外设部件包括:3个可配置的视频口;1个10/100Mb/s以太网;1个数据输入输出管理模块;1个VCXO内插控制接口(VIC);1个多路音频串口(McASP0);一个I2C总线模块;2个多通道缓冲串口;3个32位的通用定时器;1个用户可配置的16位或32位主机接口(HPI16/HPI32);1个外围部件接口(PCI);1个16管脚的中断和事件产生模式可编程的通用I/O口;1个64位的无缝连接的外部存储器接口(EMIFA),可以连接同步或者异步的存储器和外设。对于模拟视频接口的相机提供了无缝接口,如果需要连接CameraLink接口的相机,可以扩展数字接口。

2.4PLC接口设计

在工业现场,PLC装置通常采用24VDC电压供电,而DSP及FPGA供电电压都在5VDC以内,为了和现场原有主机上的信号报警、信息显示终端及控制信号形成控制回路,必须设计PLC技术应用200例》

该装置加装在梳棉机上拍摄图2,图中左侧使用模拟面阵摄像机拍摄得棉网图片(择取图片中的部分,便于放大显示),右侧为检测到的棉结并且使用红色标记。

图2左图为棉网图片右图为检测到的棉结图片该装置在实验台上拍摄图3,图中左图使用模拟面阵摄像机拍摄得棉网图片(择取图片中的部分,便于放大显示),右图为检测到的棉结并且使用红色标记。

技术创新

图3左图为棉网图片右图为检测到的棉结图片通过DSP的可编程I/O发送棉结个数的二进制编号,通过转换电路,输送到PLC,便于在实际工厂中的集中控制和联网控制。

4结论

本文作者创新点:结合针对棉纤维光电性能的软件检测算法,选用基于DSP+FPGA硬件架构的图像处理方式,设计了光源系统;结合工业现场设计了PLC接口电路,既实现了针对高速棉网的在线检测,又保证了与设备上现有的控制系统相兼容。设计出的系统不仅运算速度快,而且通用性强、适合模块化,同时还具有灵活的硬件接口和强大的数据处理能力,可以配用多种廉价摄像机,大大降低了硬件成本。参考文献

[1]罗建红,冉隆奎,对棉结形成原因与减少途径的研讨,Vo1.30No.6Nov.,2003,纺织器材

[2]马颂德,张正友.计算机视觉[M].北京:科学出版社,1998.[3]DigitalImageProcessing,SecondEdition,RafaelC.GonzalezRichardE.Woods,电子工业出版社,2002年

[4]计算机视觉,贾云得,北京科学出版社,2000年

[5]图像处理和分析,章毓晋,北京:清华大学出版社,1998

[6]安连生.应用光学(第三版)[M].北京理工大学出版社,2003.7[7]DSP集成开发环境CCS使用指南,尹勇,欧光军,关荣峰,北京航空航天大学出版社,2003.

[8]TMS320C6000系列DSPS原理与应用(第2版),李方慧王飞何佩琨,北京:电子工业出版社,2003.(下转第114页)

：/年-119-

检测

DSP开发与应用

《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2010年第26卷第1-2期

(b)磁通角波形

(c)Matlab转矩与DSP转矩的比较

技

术创新

制方案研究.电气传动,2004,(4):3-7

[6]张莲,余成波,刘述喜,刘伟.感应电机无速度传感器直接转矩控制系统[J].微计算机信息,2008/01:103-104+92

[7]HUANGSJ,HUANGCL,LINYS,Sensorlessspeedidentificationofvector-controlledinductiondriversvianeuralnetworkbased

〔J].ElectricPowersystemsResearch,1998,48:1-10.estimation

[8]陈湘令,张莹.基于DSP的永磁无刷直流电机数字控制系统[J].微计算机信息,2007/13:38-39+5

[9]冯垛生,曾岳南.无速度传感器矢量控制原理与实践第二版.机械工业出版社,2006年:全文

[10]蔡骊.感应电机无速度传感器矢量控制系统[D];浙江大学;2003.

[11]薛定宇,陈阳泉.系统仿真技术与应用.北京:清华大学出版社,2002:103-120

[12]TheMathWorks.EmbeddedTargetfortheTITMS320C2000TMDSPPlatformForUsewithReal-TimeWorkshop.,2006

[13]王潞钢.DSPC2000程序员高手进阶.北京:机械工业出版社,2005[14]TIInc.2007DSPSelectionGuide,2007

[15]李永东.交流电机数字控制系统[M]北京:机械工业出版社,2002作者简介:迟宁(1983.5-),女(汉族),北京人,北京工业大学硕士研究生,工厂自动化,主要从事伺服控制研究;杨建武(1952.10-),男(汉族),北京人,北京工业大学教授,工厂自动化,主要从事伺服控制研究。

(d)速度响应波形图5实验结果

Figure5Experimentalresults

由图5可见,d-q轴电压电流及磁通角响应曲线平稳,在动态过程中,在Matlab环境下的电机转矩和实际DSP实验平台下的转矩曲线基本一致,系统响应快,且超调量小,只需0.6S即可达到稳定。转速的阶跃响应如图5(d)所示,系统在电机起动时有一定的波动,但是在PI自适应控制器的作用下,只需0.5S系统就可以达到稳定状态,证明速度观测器下的转速能够较好地跟踪实际速度变化,在稳态时实际速度等于仿真速度值。

Biography:CHINing(birth1983.5-),female(Hannationality),Beijing,MechatronicsInstitute,BeijingUniversityofTechnology,M.S.,Factoryautomation,Servocontrol.

(100124北京市北京工业大学机电学院)迟宁杨建武

(MechatronicsInstitute,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)CHINingYANGJian-wu

通讯地址:(100124北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学机电学院)迟宁

(收稿日期:2009.03.17)(修稿日期:2009.06.17)

5结论

本文提出的Matlab下的DSP集成设计方法确实可行,实验证明:在此环境下可以完成对DSP目标板的操作,包括访问DSP存储器和寄存器等,又可利用Matlab的强大工具对DSP存储器中的数据进行分析和可视化处理,因此系统结构简单,调试工作量小,易于实现。同时,具有一定自适应能力的PI速度估算方法能够对电机转速做出准确的估计,实验结果验证了此系统设计方案的正确性和可行性。

本文作者创新点:提出了一种新的调试方法,即利用Matlab来调试DSP系统,避免了以前仿真和实际相差甚远的现象,并在自己搭建的实验台上完成的调速实验。参考文献

[1]陈桂明等.应用MATLAB建模与仿真.北京:科学出版社,2001:155-220

[2]RobertCravotta.2007EDNDSPDirectory./dspdirectory,2007

[3]李方园.浅谈变频器的市场和发展趋势.电器工业,2005,(4):38-41

“胜“有轴”[4]谭学伦.无轴”[J].印刷杂志,2006,(3):72~74

[5]邹旭东,康勇,陈坚.感应电机矢量控制系统无速度传感器控

--元年邮局订阅号(上接第119页)

[9]DSP技术原理及应用教程,刘艳萍,北京航空航天大学出版社,2005

[10]曹海源,张玺,孙斌,王淑云.FPGA在激光测距机电路检测系统中的应用[J],微计算机信息,2009,1-2:196-198

作者简介:尹中信(1977-),男,汉族,河北人,电气工程师,主要从事检测技术与自动化装置、机器视觉等方面的研究;王全良(1973-),男,汉族,湖南人,讲师,在职博士,主要从事检测技术与自动化装置、嵌入式系统设计,先进控制与智能控制等研究。Biography:YINZhong-xin(1977-),male(han),fromHeBei,ElecEngineer,Researchareas:DetectionTechnologyandAutomaticEquipment,machinevision.

(100176北京北京经纬纺机新技术有限责任公司)尹中信(100029北京北京服装学院信息工程学院)王全良

(BeijingJingWeiTextileMachineryNewTechnologyCO.,Beijing100176,China)YINZhong-xin

(SchoolofInformationEngineering,BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing,100029,China)WANGQuan-liang通讯地址:(100176北京经济技术开发区永昌中路8号北京经纬纺机新技术有限公司)尹中信

(收稿日期:2009.03.17)(修稿日期:2009.06.17)

现场总线技术应用200例》

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pomm.html