基于fpga的西瓜子色選機系統設計

cd色選機為了保證西瓜面的質量，在加工前選擇西瓜面是一個重要的環節。人工分選效率較低,不能滿足大規模生產需要,進而產生了自動分選瓜子物料機。色選機是瓜子分選機器的重要設備,采用線陣CCD技術的光電色選機因其分選效率高和準確性好而成為瓜子分選的主流設備。CCD色選機的核心技術為基于高速線陣CCD的數字圖像處理技術和基于嵌入式系統的硬件實時處理技術,這也是該領域的研究熱點問題。由于CCD色選機對實時性要求較高,其圖像算法既要能夠滿足分類精度,又要保證處理速度快,因此算法的復雜性必須和硬件資源相匹配。CCD色選機關鍵技術國內外學者均有成果報道。過于復雜的算法實時性欠缺,對硬件平臺的要求也更高。為了提高分選的實時性,當前主要采用FPGA并行硬件處理技術,但是該技術在色選機上的應用并不完善,需要進一步探討。本文基于甘肅會寧的新疆圓片西瓜子的顏色特征,設計西瓜子的灰度帶比例分類識別算法,分析基于工控機處理平臺的CCD色選機方案,并對FPGA并行硬件計算實現方案進行試驗研究,對兩種方案進行對比測試。1色選機設計工藝CCD色選機由喂料器、滑道、光源、CCD圖像信號處理系統、氣閥控制執行系統組成,如圖1所示。通過喂料器將待選物料均勻撒在滑道表面,單層物料沿滑道表面均勻下滑,經過線陣CCD相機的拍攝區域,CCD相機捕獲圖像信號,并送入后繼系統進行實時處理,由處理結果決定是否給出氣閥的開閥信號,從而在廢棄型物料滑過氣閥口時將其吹入廢料區。色選機設計的關鍵是:①物料經過拍攝區域的時間很短,一般為10~30ms,而后下落30~40ms之后進入氣槍口,因此要求圖像處理過程能在約50ms之內完成。②CCD相機的拍攝角度、掃描速度必須和光源的角度及光通量相配合,才能保證拍攝的圖像清晰可用。③為提高產量,色選機通常設計為多通道下料,單個CCD色選系統應能滿足同時處理數十個通道的要求,即具有較高的并行處理能力。本文從CCD相機的硬件處理系統及圖像算法兩個方面實現該檢測系統。2檢測系統硬件平臺設計方案的比較2.1色選機的fpga網絡早期的CCD色選機通常由工控機平臺(IPC)進行圖像處理和控制,其基本構成如圖2所示。CCD相機采集的信號經PCI采集卡傳送到工控機,所有的信號采集、處理和控制信號輸出均由工控機實現。軟件開發平臺為VisualC++,CCD相機采集到的物料圖像信息經信號處理電路進行放大、隔離之后傳送至工控機內PCI接口數據采集卡,利用VC編程功能進行實時處理并控制電磁氣閥進行動作響應。該硬件平臺作為成熟硬件的簡單集成,易于實現。早期用于分選算法的驗證有一定的優勢,但也有一系列的無法克服的問題:①每臺色選機一般由8套左右的工控機系統組成,硬件系統結構龐大,不易集成于CCD色選機內部,降低了環境適應性,對色選機內部溫升較為敏感,系統穩定性差,經常出現個別工控機死機等現象。②由于工控機為單線程串行工作方式運行,包含大量中斷等待時間,因此運行效率受到牽制,甚至出現在線處理中數據丟失的現象,造成錯判、誤判。而分選工程實時性較強,各通道之間需要互不干擾的并行處理,因此探索并行檢測處理系統非常迫切。2.2線陣fpga的實現和海探技術為提高系統實時性,在前期研究基礎上設計了FPGA并行硬件計算平臺。根據CCD色選機圖像處理的計算規模,硬件核心部分采用AlteraCycloneⅢ系列高性能FPGA作為主處理芯片,圖像采集采用TCD1208AP型線陣CCD。被測物體反射光線在線陣CCD的感光面上,線陣CCD在FPGA生成的一系列信號驅動下進行光電轉換,并進行像素電荷轉移和模擬信號輸出。CCD專用前端處理芯片在FPGA生成的時鐘信號驅動下,對CCD輸出的模擬信號進行相關雙采樣(CDS)和模數轉換(ADC),所得數字信號又傳回FPGA;經FPGA內部FIFO存儲器緩沖存儲后,送入相應的圖像處理邏輯電路部分進行計算;隨后FPGA給出處理結果,并進行相應的閥門控制信號輸出,在硬件平臺上實現了線陣CCD高速圖像檢測。采用FPGA作為整個檢測系統的核心進行數據采集、存儲、處理和控制,全部控制邏輯由硬件完成,能同時達到精確性和實時性的要求,如圖3所示。綜合比較兩種檢測系統硬件平臺,工控機方案硬件系統支出較大,但實時性較差,對于簡單的算法驗證有一定作用,但用于產品機有一些問題;基于FPGA的CCD硬件系統并行工作,將數據采集、信息處理及控制信號輸出集成到一個芯片上,系統結構簡單,并行處理效率較高,是CCD色選機的較為合理的硬件處理系統。3f.探測器系統的設計針對圖3所示的硬件系統原理要求,結合西瓜子圖像處理、氣閥控制信號輸出及各模塊之間的通信要求,分別對各個子模塊進行設計。(1)fpga信號時序仿真TCD1208AP是高靈敏度線陣CCD傳感器芯片,有2160個有效像素點。圖4為由FPGA生成CCD驅動信號的時序仿真圖,其中CLKIN_50M和RESETn分別為系統主時鐘和復位脈沖。OUT_SH為光積分脈沖,OUT_halfM_1和OUT_halfM_2為像素脈沖,兩者互為反相,OUT_RS為復位脈沖。(2)聲暗電流噪聲線陣CCD輸出的模擬信號中夾雜了若干種干擾噪聲,如輸出復位噪聲、暗電流噪聲等。采用CCD信號處理專用芯片所提供的相關雙采樣(CDS)和黑電平鉗位補償法可消除復位噪聲和暗電流噪聲。經過噪聲消除后再進行模數轉換,有效地提高了信號的信噪比和系統精度。(3)系統總體架構FPGA的邏輯功能全部由硬件電路實現,運行速度快且管腳眾多,易于連接大量外設來實現大規模系統,其內部邏輯程序可并行運行,具有處理復雜任務的能力。本系統以VHDL硬件描述語言編寫各驅動時鐘信號及圖像處理算法程序,在QuartusⅡ開發平臺下進行編譯、仿真、綜合、布局布線及FPGA配置。因系統工作頻率較高,在試驗電路板制作中要保證數字信號與模擬信號嚴格分離以降低干擾,并盡可能降低數字信號輸出振鈴以提高系統穩定性。VHDL程序編寫中,通過統一線陣CCD和模數轉換器的時鐘時序減少了亞穩態的產生。4西瓜子數據處理算法4.1色選機的類型通過對西瓜子原料的表面特征進行大樣本統計,可以將瓜子分為正常瓜子、刀疤、爛瓜子、扭曲、半瓣頭、白片、白皮、小顆粒等8種類型,如圖5所示。根據實際經驗,只有正常瓜子符合人們的食用要求,其余類型均不符合。色選機的任務就是將除正常瓜子之外的其他7種瓜子(稱為非正常瓜子)剔除。將待分選瓜子原料通過CCD色選機落料,得到瓜子落料圖像如圖6所示。4.2不同分類西瓜的圖形貌采用對比度自適應的直方圖均衡化對圖像進行增強處理;將已知灰度概率密度分布的圖像轉換成具有均勻灰度概率密度分布的新圖像,以增加像素灰度值的動態范圍,使圖像整體對比度增強而變得清晰。增強后的圖像需進行中值濾波和二值化處理,用鄰域內像素灰度的中值來代替該像素的值,具有很好的邊緣保護能力,得到預處理圖像如圖7所示。用Canny算子提取瓜子輪廓,如圖8所示。將外輪廓線包圍區域定義為單顆瓜子面積,記為S。內、外輪廓線所圍成的環形區域定義為瓜子周圍黑色區域的面積,記為S1。內輪廓線所包圍的區域定義為中部灰白區域的面積,記為S2。灰度帶比例定義為K=S2/S1。以小顆粒瓜子為例,說明瓜子圖像灰度帶比例計算過程,如圖9所示。經對比度自適應的直方圖均衡化、二值化、中值濾波等一系列圖像處理之后,需通過計算面積來得到相應的灰度帶比例。圖中“計算面積”對應的3幅圖像分別為:小顆粒瓜子的邊界;瓜子中部白色區域取反后的圖像(面積為S2);瓜子周圍黑色區域的圖像(面積為S1)。不同瓜子圖形處理后所得各部分面積不同,因而K值不同,可作為區分瓜子類別的依據。根據人工分選經驗,在色選機上分別對不同類型的瓜子進行大量灰度帶比例的統計分析,如表1所示。統計結果表明:8種類型的西瓜子的灰度帶比例有較大的差異,雖有若干種非正常瓜子的灰度帶比例范圍相互重疊,但正常瓜子與其他各非正常瓜子的灰度帶比例范圍均無重疊,因此不影響正常瓜子與非正常瓜子的區分。需要說明的是,扭曲程度不高的瓜子其灰度帶比例會與正常瓜子比例區間重疊,此時不能識別出其是正常瓜子與扭曲瓜子,但是,在實際生產中扭曲程度不高的瓜子可以當作正常瓜子看待,不影響實際生產效果。在色選過程中,將經算法處理得到瓜子的灰度帶比例數據與正常瓜子的比例數據進行比較,如落入正常瓜子的比例范圍,則可認為該瓜子為正常瓜子,不給出氣槍打開信號;否則視為非正常瓜子,給出相應的信號控制,氣槍在特定延時時間之后將掠過的瓜子吹入廢料口。5實際試樣測試為了檢驗硬件系統的實際分選效率和性能,分別用工控機系統和FPGA系統搭建了樣機平臺,該樣機平臺機械系統、光源系統及輔助電路系統相同,僅數據采集和處理系統有區別。通過可兼容的電氣、機械接口分別連接原工控機的采集處理系統與FPGA系統進行對比測試。首先對樣機進行實際分選測試,進行算法有效性驗證。將非正常瓜子單顆連續投入系統,氣槍能夠在極短的響應時間內將其準確吹出,說明圖像處理及氣閥響應能夠滿足實時性要求。這得益于高速線陣CCD的高掃描速度以及灰度帶比例分類識別算法的高效性。5.1fpga檢測系統系統與工控機系統比較兩套系統采用同樣的分選算法,其中工控機系統采用VC進行編程實現,而FPGA系統采用VHDL編程實現。試驗樣機工作流程如圖10所示。通過試驗發現,工控機機型存在如下問題:①工控機色選機整臺需要8套工控機及采集卡,系統復雜,占用了大量的機器空間,且溫升過高,長時間運行后出現部分工控機死機。②工控機操作系統采用WINCE實現,在計算機時序控制上較難實現一致性,且在突然斷電時,每臺工控機啟動時間不一致,出現色選機整機系統自檢過長的現象。③當瓜子流量較大時,采集系統出現不規律的圖像數據丟失,造成了間歇性誤判,從而使分選成功率出現隨機的波動。經與工控機系統試驗比較,FPGA檢測系統有如下優點:①FPGA系統中的算法采用VHDL邏輯語言進行描述,易于硬件實現,采用針對所選器件型號進行了優化的運算IP核并在一個FPGA芯片中放置多個IP核,實現了高速并行計算。②通過片內RAM構建大容量FIFO存儲器鎖存中間結果,使圖像獲取、運算等操作協調一致,乘法運算以兩級流水線工作方式實現,在最大限度節約FPGA資源的同時,實現了高速處理。③在一個FPGA上實現CCD驅動、信號采集、預處理、分類計算、控制信號輸出的一體化。整個硬件檢測系統體積只有50mm×50mm×100mm,和工控機系統相比大大節省了機內空間,溫升較小,長時間運行系統穩定性較好。④系統采用嵌入式平臺,時序控制、各通道之間一致性參數調整易于實現。5.2實際生成西瓜子將試驗樣機分別裝上不同的檢測系統,進行分選參數對比。試驗樣機照明系統采用自適應可調高亮度LED燈照明。通過振動器喂料,檢測系統對瓜子圖像處理之后,輸出氣閥信號驅動電磁閥控制氣槍將非正常瓜子吹出。滑道為U型,通道數均為120,為提高分選的成功率,其中80個通道用于一次分選,40個通道用于二次分選。取0.5t西瓜子為測試樣本,經過前期手工分選并進行結果統計知,樣本中非正常瓜子質量分數約為8%。對比測試重點考察色選精度、產量和帶出比。色選精度是指對瓜子進行色選后得到正常瓜子的質量分數。產量指色選機單位時間內處理的物料質量。帶出比是指經色選后進入廢料口的非正常瓜子與正常瓜子質量之比。經