基于ARM與DSP的PET瓶蓋缺陷在線檢測系統的設計

黃偉基，謝云

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006)

近年來，隨著我國PET瓶吹塑生產工藝流程的技術提升以及瓶級PET樹脂質量的提高，塑料瓶蓋及瓶身的生產量獲得了飛速的發展，生產總量已在世界前列。但是，瓶蓋生產技術的飛速發展并沒有帶來瓶蓋檢測技術的飛速發展。中國市場急需價格合理、性能可靠、適合我國國情的國產瓶蓋在線檢測系統［1］。

瓶蓋的缺陷檢測主要是檢測外蓋 (即瓶蓋的外圓邊緣)以及密封圈 (即瓶蓋的內圓)是否有缺陷、成型是否飽滿、結構是否完整、有沒無明顯收縮、瓶內有無污點等。目前國內還沒有一套較為完善的瓶蓋檢測技術，檢測主要靠人工，但現在國內的瓶蓋生產速度可以達到每秒十個以上，這種速度是人工檢測根本無法適應的。

針對這一狀況，作者提出了基于ARM與DSP的瓶蓋缺陷在線檢測系統。該系統具有組裝方便、高實時性、高穩定性的特點，能夠滿足生產在線檢測的要求。

1 系統總體結構框圖

該檢測系統主要由ARM處理器負責的主控制系統及由DSP處理器負責的圖像采集系統組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1 檢測系統的硬件結構框圖

DSP處理器主要用于圖像數據處理工作。它接收自圖像采集卡傳來的圖像數據，數據經過DSP處理后最終以AV信號輸出，并在顯示器中顯示圖像。

ARM處理器主要負責控制整個系統的運行。通過操作觸摸屏可查看、設置和處理系統參數及各種數據，也可以控制電機加減速與正反轉。ARM最終會把所有歷史數據存進硬盤中以待日后查閱。無線WIFI用于連接網絡以實現遠程監控。

2 基于DSP的圖像采集系統設計

2.1 圖像采集與處理模塊

由DSP與圖像采集卡組成的圖像采集系統主要負責圖像數據采集的工作。采集卡MT9P031是一款高性能幀曝光CMOS圖像采集卡，具有500萬像素，它支持多種圖像格式。圖像采集卡芯片數據線為10位，它是基于I2C協議傳送數據的。當DM642由I2C發出地址和控制信號且MT9P031的行數據信號LINE _VALID有效時，DM642的視頻口在PLXCLK時鐘控制下采集數據，數據結束位置由VCXSTOP1寄存器控制。

在數據采集和處理過程中，圖像采集卡輸出的數據格式類型是Bayer，數據進入DSP后，DSP把它轉換為CVBS信號輸出，CVBS信號再經過AV轉VGA模塊轉為VGA信號后輸出到屏幕中。

圖2 圖像采集與處理系統

2.2 相機及光源的安裝

在拍攝瓶蓋圖片時十分講究，所拍得的照片質量如何，影響到后續算法識別的準確率。廣角鏡頭的可調距離和可視角度，光源的顏色、亮度以及離瓶蓋的距離，瓶蓋的背景顏色等都要經過實驗來檢驗校準，使拍出的圖片達到最佳效果，這樣才能獲得較好的瓶蓋內外圓輪廓［2］。

以檢測白色礦泉水PET瓶蓋為例，使用5 mm可調焦、65.5°視場角廣角鏡頭，采用瓶蓋上方5 cm處的白色同軸光源，瓶蓋底部用深黑色背景，實驗所拍得的照片質量較佳。

2.3 PET瓶蓋缺陷檢測算法設計

DSP對圖像采集卡拍得的圖片進行分析，找出缺陷并通知ARM剔除不合格產品。該系統主要任務是檢測瓶蓋的內外圓邊緣缺陷和瓶蓋內是否有污點。一幅圖片拍攝完后，數據會在DSP中進行如下處理:

(1)圖像預處理。主要包括3×3中值濾波［3］、最大類間方差閾值分割。

(2)投影。該算法實現了一種簡單求圓心的方法，把閥值分割后的圖像分別投影到x和y軸，然后求出各自投影長度的中心坐標，此即是圓心坐標。若投影到x、y坐標的陰影長度相差超過某個理論值，就可斷定該瓶蓋有缺陷，就不用繼續進行下一步算法。只有當投影到x和y坐標上的陰影長度基本相等才繼續下一步處理。

(3)邊緣提取［4］。求出圓心后再對閥值分割的圖像進行邊緣提取，該算法采用Soble算子。

(4)缺陷檢測［5］。對于內外圓缺陷檢測，求得圓心和提取邊緣后，即可通過檢測圓每個區域的面積是否大致相等來檢測圓是否有缺陷。從圓心出發，將圓環分成若干等份，計算每個區域的面積。若相差不大，則沒有缺陷;若有明顯的差別，則說明該瓶口有缺陷。對于污點檢測，若某黑像素區域為多連通點，并且該區域到圓心的距離小于半徑，則斷定內蓋內有污點。算法流程圖如圖3所示。

圖3 缺陷檢測算法流程圖

3 基于ARM的主控制系統設計

3.1 ARM與各外圍模塊組成的控制系統

ARM11與光纖傳感器、控制電機電路模塊、觸摸屏、硬盤、WIFI模塊以及產品剔除裝置等組成的控制系統如圖4所示。光纖傳感器用于檢測瓶蓋; ARM11輸出腳GPB1輸出3.3 V給運放耦合電路，從而經過繼電器可以控制電機的正反轉與加減速，耦合電路保證電路的兩旁互相不受干擾;產品的剔除裝置由GPB0引腳控制;觸摸屏、無線WIFI、移動硬盤均由自己的獨立接口連接到ARM芯片上，用于無線監控、儲存數據等功能。

圖4 ARM處理器與外圍模塊組成的控制系統示意圖

3.2 基于ARM的人機界面設計

整套設備均由 Linux系統控制，所要編寫的Linux硬件驅動程序包括:無線網卡驅動程序、IO口驅動程序、I2C設備驅動程、LCD設備驅動程序等［6］、USB Device驅動程序［7］。整個系統從底層到上層分別是啟動代碼 U-boot、Linux內核 2.6.3.33、yaffs根文件系統、圖形界面QT-4.7。

整個系統架構如圖5所示。

圖5 系統架構示意圖

PET瓶蓋缺陷檢測系統人機交互界面主要由用戶管理功能模塊、數據顯示功能模塊、數據管理功能模塊、網絡管理等功能模塊組成，各功能模塊描述如下:

(1)用戶管理模塊。用戶管理界面是系統運行后用戶所看到的第一個界面，即登陸界面。用戶只有憑密碼登陸后才可以進入主界面，非用戶只能瀏覽。這可以保證系統參數不能被其他人破壞。用戶登錄后可重設密碼或進行其他操作。

(2)數據顯示模塊。數據顯示界面顯示瓶蓋圖片以及各項檢測數據。

(3)數據管理模塊。數據管理界面可用來根據需要查看以往檢測的數據信息，并顯示各個檢測項目中合格品、不合格品的數目以及所占百分比。

(4)幫助模塊。幫助界面用于顯示主界面各按鈕的用途、操作方法和版權信息等。

(5)網絡管理模塊。網絡界面提供一些無線上網和遠程監控的功能。

圖6為兩幅操作界面例舉。

圖6 操作界面例舉

4 實驗及結果分析

經過試驗驗證，該系統每幀圖像處理時間小于80 ms;數據精度大于76像素/英寸;可檢測出0.1 mm的缺陷;系統處理瓶蓋速度達每小時36 000個以上;準確率達98%，較好地滿足了生產線的要求。

該檢測系統目的是檢測瓶蓋內外圓邊緣是否有缺陷、瓶蓋密封圈內是否有污點。圖7和圖8分別列出了這兩種缺陷的檢測情況。

圖7 檢測出瓶蓋邊緣有缺陷的效果圖

圖8 檢測出瓶蓋密封圈內有污點的效果圖

5 結論

提出一個基于DSP的瓶蓋缺陷檢測算法，該算法能快速地識別內外圓邊緣缺陷和密封圈內污點，能用于生產線上;基于嵌入式雙CPU系統，實現了遠程監控、觸摸控制、數據庫管理等工業控制功能;該系統高效實用且安裝方便，所用到的軟硬件技術若加以改進可適合各種制造業的在線缺陷檢測，技術推廣前景廣泛。

【1】機器視覺［OL］.http://it.yn.cninfo.net.

【2】康耐視中國.藥片顆粒的機器視覺檢測系統［J］.自動化博覽，2010(S1):90.

【3】KHANFIR S，JEMNI M.Reconfigurable Hardware Implementations for Lifting-based DWT Image Processing Algorithms［C］//IEEE The 2008 International Conference on Embedded Software and Systems，2008.

【4】韓梅.藥用管制瓶的缺陷及尺寸檢測的算法研究［D］.合肥:合肥工業大學，2009.

【5】王成群.基于機器視覺的音膜同心度測量系統系統的研究與設計［D］.廣州:廣東工業大學，2008.

【6】WANG Ya-Jun.Research and Realization of the Mechanism of Embedded Linux Kernel Semaphore［C］//2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE)，2010.

【7】祖蔭柏.基于ARM9的USB設備驅動程序開發［J］.電腦編程技巧與維護，2010(18):114-115.