【正文】 FPGA工藝的發(fā)展同樣遵循摩爾定律，因此在越來越多的圖像采集和處理系統(tǒng)中，越來越多的FPGA芯片得到廣泛的應用，基于FPGA核心的處理系統(tǒng)以更具吸引力的低成本的優(yōu)勢實現(xiàn)了傳統(tǒng)DSP系統(tǒng)所實現(xiàn)的相同功能以及性能。基于FPGA的算法往往具有專用集成芯片的運算處理速度，可以滿足高速圖像進行處理的需要。相比而言，F(xiàn)PGA芯片可以通過定制調(diào)整提供最具實用價值且性能高、效率高的產(chǎn)品。但是，這些器件往往存在較低的靈活度，反而使其局限于非常有限的領域，因此，鑒于FPGA芯片與ASIC芯片相比的很大的優(yōu)越性，從而基于FPGA的應用方案得到了廣泛的應用與發(fā)展。然而，可編程邏輯器件FPGA允許系統(tǒng)設計人運用并行處理的技術(shù)方式來實現(xiàn)圖像信號采集及處理分析的算法，并且僅僅需要單個的邏輯器件就能實現(xiàn)設計所要求的性能。諾曼結(jié)構(gòu)，共享程序和數(shù)據(jù)總線；特殊尋址單元，DSP地址發(fā)生器，在平行的ALU操作，地址運算不額外占用CPU時間，內(nèi)存，存儲；放電參數(shù)和數(shù)據(jù)，解決競爭和訪問外部內(nèi)存總線速度不匹配的問題，訪問速度，緩解了DSP數(shù)據(jù)瓶頸；流水處理，即對多個不同的操作進行重疊的執(zhí)行，從而提高了DSP程序的運行效率。DSP作為數(shù)據(jù)信號處理的主要芯片，是由通用CPU發(fā)展而來的，但是DSP提高了硬件的結(jié)構(gòu)的發(fā)展和指令集結(jié)構(gòu)發(fā)展。CCD攝像頭固定于傳送帶的正上方，照射光源置于傳送帶的上方，把光學傳感器置于攝像頭正下方的傳送帶旁，來用于檢測攝像頭正下方是否存在瓶蓋以及瓶蓋的位置，當光學傳感器的檢測信號觸發(fā)攝像頭，并采集位于其正下方的傳送帶上的瓶蓋的圖像，通過以太網(wǎng)接口將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送到計算機內(nèi)，計算機則進行瓶蓋表面的圖像數(shù)據(jù)分析處理，如若遇到有瑕疵的瓶蓋產(chǎn)品，計算機將記錄的信號數(shù)據(jù)傳輸給信號處理卡，信號處理卡即作出相應的信號輸出，即控制流水線上的剔除裝置，將有瑕疵的瓶蓋剔除。 研究背景 目前大多數(shù)瓶蓋生產(chǎn)企業(yè)采用人工進行旋冠蓋的質(zhì)量檢測。而對產(chǎn)品的質(zhì)量更加有效以及快速的實時檢測成為一個重要的研究課題。傳統(tǒng)檢測是檢測人員通過肉眼來進行篩別，但是這種檢測方法存在著許多不足：（1）檢測結(jié)果容易受到檢測人員的主觀因素影響；（2）檢測效率比較低；（3）微小缺陷不易查別；（4）檢測標準不一致；（5）對瓶蓋產(chǎn)品造成二次傷害； 本課題針對旋蓋生產(chǎn)中的旋蓋缺陷檢測進行了研究，該旋蓋缺陷視覺檢測系統(tǒng)，可對流水線生產(chǎn)旋蓋進行缺陷檢測，該系統(tǒng)可選擇缺陷類型并對其檢測標準進行參數(shù)設定，在硬件上選用穩(wěn)定的LED光源照射以及地變形率的百萬像素彩色工業(yè)攝像頭，對待檢測產(chǎn)品進行圖像采集，并與檢測標準圖相對比判別是否為缺陷產(chǎn)品，并挑選、剔除不良產(chǎn)品。人工費用越來越貴已經(jīng)是不爭事實，采用本系統(tǒng)能有效減少質(zhì)檢人工，保持檢測的高效準確。另外，本系統(tǒng)能有效降低由于環(huán)境或者其他因素導致的亮度、對比度以及質(zhì)量等圖像變化的影響，可以實現(xiàn)實時瓶蓋質(zhì)量的高速在線檢測，以及對于瓶蓋良品、不良品的統(tǒng)計。DSP芯片在數(shù)字信號處理濾波器，卷積和FFT重復的乘法和加法運算方面做的較好。 基于FPGA圖像采集與處理系統(tǒng)的核心器件，與傳統(tǒng)的DSP圖像采集處理系統(tǒng)進行比較的基礎上，結(jié)合FPGA和DSP的硬件結(jié)構(gòu)特點，都具有各自的應用領域?；贒SP的處理方案采用的是DSP處理器擁有高度的流水線化的并行處理方式，在特定算法上處理速度會很快，但是其優(yōu)化運算固定且有限，并且指令執(zhí)行的順序性不能為許多算法提供設計要求所需的高性能。尤其在需要處理高分辨率系統(tǒng)設計中，基于處理器的解決方案受到的限制特別明顯。其設計人員可在適當?shù)姆秶退俾手g進行適當?shù)目紤]，從而可以通過比DSP時鐘低很多的速率來實現(xiàn)設計期望所指定的功能。由于FPGA系統(tǒng)現(xiàn)場可編程，使檢測系統(tǒng)具有良好的靈活性，滿足不同的檢測需求。 因此，結(jié)合當前圖像采集處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，針對旋蓋生產(chǎn)過程中檢測過程的特點，我們采用FPGA芯片作為核心器件來代替DSP芯片或者ASIC芯片來實現(xiàn)圖像采集處理以及進行在線檢測，研發(fā)出基于FPGA的旋蓋表面缺陷在線視覺檢測系統(tǒng)。攝像頭固定在傳送帶的正上方，光源置于傳送帶的上方，光學傳感器置于攝像頭正下方的傳送帶旁，用于檢測攝像頭正下方是否存在瓶蓋，由光學傳感器的檢測信號觸發(fā)攝像頭采集位于其正下方的傳送帶上的瓶蓋的圖像，所采集的瓶蓋圖像被送入計算機內(nèi)。在工業(yè)運用上，可以將圖像采集后得到的圖像數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)剿罱ǖ腇PGA硬件系統(tǒng)上進行圖像數(shù)據(jù)處理。 圖22 FPGA硬件模塊內(nèi)部實現(xiàn)框架圖 編碼模塊實現(xiàn)該系統(tǒng)采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測傳輸帶上蓋子的位置，該編碼器通過處理內(nèi)部接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位關系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負方向）。 如圖23所示。該模塊具體通過利用FPGA在信號異步輸入，同步輸出的方法進行了信號的抗干擾擾。也就是說一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高，圖像的質(zhì)量也就越高。CCD作為一種光數(shù)轉(zhuǎn)化的半導體元件，當前在工業(yè)檢測領域，CCD相機得到了廣泛的應用。 圖24 CCD相機現(xiàn)在來具體分析一下該相機如何得到具體參數(shù)信息。在本系統(tǒng)中對瓶蓋進行光照分為兩種，在對瓶蓋的印刷面進行光照的光源為LED環(huán)光照射，而在對瓶蓋注膠面的光源為球積分光源，所以，相機的成像比較良好更有利于進行圖像數(shù)據(jù)的分析。熒光燈光譜的分布存在問題，可產(chǎn)生較穩(wěn)定的照度場。(4)價格合理，體積小，重量輕，使用壽命長，并且產(chǎn)生熱量少，在機器視覺中應用廣泛。光照均勻：LED無影燈是360176。亮度可調(diào)：0100%線性亮度調(diào)節(jié),達到最佳視覺效果同時也減輕作業(yè)疲勞。第3章 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計該系統(tǒng)大體可以分為以下的幾個模塊:（1）圖像采集模塊；（2）通信模塊；（3）算法模塊；（4）控制模塊；（5）存儲器模塊。其中相機與計算機之間的通信是通過以太網(wǎng)協(xié)議來進行的通信的，該系統(tǒng)在FPGA和上位機通信方面采用的是RS232通信協(xié)議，當通過RS232通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸時，其數(shù)據(jù)格式為一位起始位、八位數(shù)據(jù)位以及一位停止位，進行通信的接口則使用FPGA開發(fā)板上的簡單串口就可以完成設計要求。顯而易見，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多，也就是說完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡不斷增長的帶寬要求。當一個8位數(shù)據(jù)在發(fā)送的過程中，busy信號即為有效，此時的TxD_start信號則被忽略掉。為了保證任意一個開始位被檢測到，系統(tǒng)所采用的過采樣。 3) 異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c傳輸?shù)牟ㄌ芈视泻艽箨P系。我們采用FPGA的開板上50M晶振，所以要實現(xiàn)以上介紹的幾種波特率并非輕而易舉。該模塊采用Verilog HDL語言實現(xiàn)了一個片內(nèi)的8位RAM，可存儲40%個單元。 控制模塊控制模塊CA(Control automation)處于頂層模塊，它所負責的是對整個FPGA模塊處理流程的控制執(zhí)行，在該系統(tǒng)中控制模塊的功能主要在于對各路所采集到