基于DSP+FPGA架構(gòu)的在線棉結(jié)檢測裝置
目前，檢測棉結(jié)所采用的方法主要有以下三種：一是靠人工篩選和統(tǒng)計不同類型棉結(jié)和異纖雜質(zhì)點的數(shù)量，勞動強度高；二是使用機械或者離線儀器進行檢測，即將棉條或紗線等取樣到裝置上進行檢測，勞動強度高、實時性差、精確度低；三是配備在梳棉機上的在線檢測棉結(jié)裝置，該裝置采用裝有攝像機鑒別梳棉機上棉網(wǎng)中的棉結(jié)，精確地檢測并在顯示終端上及時反映出瞬間棉結(jié)雜質(zhì)變化情況，并報告每單位（例如克）生條或紗線中棉結(jié)雜質(zhì)顆粒數(shù)，降低了勞動強度、提高了實時性、安裝位置靈活。
但是現(xiàn)有的在線棉結(jié)檢測裝置，尤其采用圖像采集卡和計算機構(gòu)成的圖像測定裝置 [2-5]，不僅結(jié)構(gòu)上不夠靈活，而且處理能力也受到計算機和計算機軟件環(huán)境的限制，使用這種圖像測定裝置的在線棉結(jié)裝置，整體上具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、售價高、普及率低等缺點，不利于棉紡廠的成本控制。
1 棉結(jié)檢測原理
500)this.style.width=500;" border="0" />中的波長。棉纖維的吸收系數(shù)很小，用光照射棉纖維（棉網(wǎng)）時，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)檢測中，棉纖維在光源照射下主要以反射光為主；
2 對于機械生產(chǎn)產(chǎn)生的棉結(jié)，棉結(jié)糾纏的程度愈大反射光愈強；
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，可知光強和面積構(gòu)成了進行棉結(jié)識別的主要特征，本文即結(jié)合該特征來設(shè)計棉結(jié)檢測算法程序。
2 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
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采集，需要設(shè)計合理的光源系統(tǒng)和曝光控制電路。同時根據(jù)棉網(wǎng)中棉結(jié)或雜質(zhì)特征（構(gòu)成模式識別的主要特征）設(shè)計的檢測算法實現(xiàn)選用了 DSP+FPGA的圖像處理硬件架構(gòu) [7-9]。為了和現(xiàn)場的控制系統(tǒng)相兼容，添置與常用 PLC進行數(shù)據(jù)通訊的連接模塊。整個系統(tǒng)的組成如下圖1。
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2.1 光源部分設(shè)計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）。 [!--empirenews.page--]
2.2 攝像機的選擇攝像機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，對于只需要對棉網(wǎng)進行采樣監(jiān)測的情況，可以選擇性價比高的模擬面陣攝像機；對于需要實時檢測棉網(wǎng)或者高速運動物體的疵點或雜質(zhì)，甚至需要剔除的場合，就要選用線陣 CCD相機。
2.3 DSP+FPGA硬件架構(gòu)的設(shè)計
本部分主要包括攝像機圖像數(shù)據(jù)采集接口、光源曝光電路控制接口、PLC信號接口以及檢測算法的設(shè)計。如果需要網(wǎng)絡(luò)控制，還需要在該架構(gòu)上設(shè)計網(wǎng)絡(luò)接口。這些功能的實現(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算。TMS320DM642系列 DSP基于 C64X內(nèi)核，并以其在 600MHz時鐘下運算速度可高達每秒 4800百萬條指令（MIPS），占有對高速控制器和隊列處理器數(shù)值性能的操作靈活性。該系列 DSP核處理器有64個32位字長的通用寄存器和8個獨立的功能單元，8個功能單元的VelociTI.2擴展包括新的提高視頻畫面處理性能的指令和 VelociTI結(jié)構(gòu)的并行處理機制的擴充。 DM642可以每周期處理 4個 32位的積之和運算，每秒即可有 2400百萬積之和（MMACS）運算，或者是每周期 8個8位的積之和運算即每秒 4800百萬積之和（MMACS）運算。同時 TMS320DM642使用兩級基于緩存的結(jié)構(gòu)，可以配置為映射存儲區(qū)、緩沖區(qū)，或者兩者的結(jié)合。以上所述特點，為檢測算法的編程實現(xiàn)提供了有力保證。
TMS320DM642的外設(shè)部件包括：3個可配置的視頻口；1個 10/100Mb/s以太網(wǎng)；1個數(shù)據(jù)輸入輸出管理模塊；1個 VCXO內(nèi)插控制接口（VIC）；1個多路音頻串口（McASP0）；一個I2C總線模塊；2個多通道緩沖串口；3個 32位的通用定時器；1個用戶可配置的 16位或32位主機接口（HPI16/HPI32）；1個外圍部件接口（PCI）；1個 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 64位的無縫連接的外部存儲器接口（EMIFA），可以連接同步或者異步的存儲器和外設(shè)。對于模擬視頻接口的相機提供了無縫接口，如果需要連接Camera Link接口的相機，可以擴展數(shù)字接口。
2.4 PLC接口設(shè)計
在工業(yè)現(xiàn)場，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)場原有主機上的信號報警、信息顯示終端及控制信號形成控制回路，必須設(shè)計PLC接口電路，使從DSP輸出的信號經(jīng)過信號轉(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上拍攝圖2，圖中左側(cè)使用模擬面陣攝像機拍攝得棉網(wǎng)圖片（擇取圖片中的部分，便于放大顯示），右側(cè)為檢測到的棉結(jié)并且使用紅色標記。
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該裝置在實驗臺上拍攝圖3，圖中左圖使用模擬面陣攝像機拍攝得棉網(wǎng)圖片（擇取圖片中的部分，便于放大顯示），右圖為檢測到的棉結(jié)并且使用紅色標記。
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通過 DSP的可編程 I/O發(fā)送棉結(jié)個數(shù)的二進制編號，通過轉(zhuǎn)換電路，輸送到 PLC，便于在實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：結(jié)合針對棉纖維光電性能的軟件檢測算法，選用基于 DSP+FPGA硬件架構(gòu)的圖像處理方式，設(shè)計了光源系統(tǒng)；結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計了 PLC接口電路，既實現(xiàn)了針對高速棉網(wǎng)的在線檢測，又保證了與設(shè)備上現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相兼容。設(shè)計出的系統(tǒng)不僅運算速度快，而且通用性強、適合模塊化，同時還具有靈活的硬件接口和強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以配用多種廉價攝像機，大大降低了硬件成本。
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