基于线阵相机的纸病在线检测系统的设计

何 平，曹胜梅，李 岐，华 楠

(哈尔滨工业大学 控制科学与工程系，哈尔滨 150001)

随着国民经济的发展，纸张在工业生产和人类生活中得到越来越多的应用.为适应纸张需求量的大幅增长，造纸工业不断更新纸机设备，提高生产效率.然而随着纸张生产趋于高速度宽面幅，纸张出现缺陷的概率也同时上升，人工目测的方式已经无法保证其质量要求.因此纸病的在线自动检测一直是人们密切关注和不断研究改进的课题[1].

20世纪70年代，国外开始了纸病检测系统的研究.到了20世纪80年代，机器视觉技术的应用使得对纸病检测系统的研究上了一个新的台阶.视觉相机通过与高速计算机结合，实时采集图像，运用复杂的图像处理技术实现对纸病的在线检测.国内对纸病检测系统的研究较少，也只有极少数的造纸厂愿花费高额成本从国外进口检测设备[2].

本文基于TMS320F2812设计了纸病在线自动检测系统.该系统利用线阵相机检测出纸张在专用光源透射光下的光强变化，并将其转化成电信号，经过计算机处理，判断出纸张上各种纸病的类型、尺寸及位置.同时，用标记器在幅面边缘打上标记，以便在后续的整理工序中针对不同的纸病进行相应的处理[3].

1 系统的检测原理及方案设计

系统的检测方案如图1所示.

图1 系统的检测方案

系统由线阵相机、线性光源、运动平台、控制电路、采集与处理计算机等组成.如图1所示，纸页作为被扫描物体，以速度向右运动.当纸页非常光滑时，由于线性光源的照射，经过线阵相机扫描后是一幅亮度均匀灰度值也均匀的图像，而当存在纸病的部位进入线阵相机视野时，该部位会将线性光源的光线透射度改变，进而相机所扫描到的图像会出现灰度值较高或较低的轮廓，经过图像处理环节进一度判断该纸病所属的类型[4].

2 总体结构设计

系统主要控制电路、图像采集计算机和图像处理计算机3部分组成.系统的总体结构如图2所示.

图2 纸病在线检测系统的结构框图

控制电路首先对工作台中的灯光架进行位置调节，使其提供亮度均匀的线性光源.然后通过光电编码器检测出卷纸的速度，进而为线阵相机提供合适频率的驱动脉冲信号.

考虑到单位时间内采集到的图像数量很大，若将其直接进行纸病检测并分类处理，计算机达不到如此高的处理速度.因此，系统将线阵相机采集到的图像先在图像采集计算机中利用专用软件进行预处理，将可能存在纸病的图像筛选出来并保存在本地磁盘.

图像处理计算机将可能存在纸病的图像提取出来做进一步处理，判断出纸病的类型、尺寸及位置，同时通过图像采集计算机与控制电路通信，使其发出报警信号并在相应位置进行纸病标记.

3 系统控制电路的实现

系统的控制电路结构框图如图3所示.

图3 系统的控制电路结构框图

3.1 系统主控制器单元

系统采用TI公司的TMS320F2812作为核心处理器，它具有强大的数字信号处理能力，片内集成了丰富的外设资源，为其他电路单元功能的实现提供了极大的便利.考虑芯片的最小系统配置，该单元主要由以下几个模块组成：电源模块、JTAG模块、时钟模块、复位模块.

3.2 测速单元

为了保证采集的图像与空间像素点的一致性，必须使线阵相机的扫描频率与卷纸的移动速度相一致.系统选用增量式光电编码器来检测卷纸的速度，利用M/T测量法通过在一定时间内对光电编码器产生的脉冲个数进行计数，根据公式(1)计算得到卷轴的转速[5].

(1)

其中：n为卷轴转速，单位为r/min，Nf脉冲个数，fCLK时钟频率，C为编码器线数，Nc时钟周期数.

然后根据式(2)计算出卷纸的线速度.

v=πDn

(2)

其中：v为卷纸线速度，D为卷轴直径.

3.3 相机驱动单元

驱动线阵相机扫描需要一定频率的脉冲信号，该频率由卷纸的速度来决定.系统选用芯片AD9833作为脉冲信号的信号发生器.该芯片提供高精度的方波信号，既可以控制输出波形频率，也可以控制其相位[6].

此外，线阵相机既可以接受TTL电平信号，也可以接受LVDS电平信号.为了使系统具有较高的抗干扰性，此处采用LVDS电平信号输入.系统采用四路单端差分信号驱动芯片AM26LS31，为相机提供LVDS信号.

3.4 灯光架控制单元

灯光架是由气动系统直接控制的，控制内容包括水平方向的锁紧与释放以及垂直方向的降落与复位.当卷纸机断纸或需要换轴时，系统控制灯光架落下，重新工作时再将其升起.系统通过位置传感器来检测灯光架所处的位置，进而达到控制灯光架升降的目的.

3.5 标记和报警单元

该单元需要配合图像处理计算机来实现，当系统检测到有纸病的情况发生时，DSP控制相应的继电器接通报警灯进行报警提示，通知并驱动喷码机对有纸病的位置进行标记.

3.6 通信单元

通信单元主要用于控制电路和计算机之间的通信.系统以MAX485为核心器件设计了RS485通信单元，并在MAX485与DSP之间利用SN74HC245进行电平转换.

3.7 下位机程序模块

系统的控制电路的软件部分运行于TMS320F2812中，软件开发平台为CCS3.3.程序主要以C语言完成[7]，其工作流程图如图4所示.

图4 系统工作流程图

4 图像采集系统软件设计

为避免丢图，采集到的图像要马上进行简单快速的预处理.预处理算法选用加权平均获取上下限阀值的方法[8]，将像素点灰度值不满足规定区间的图像保存下来，图像采集及预处理软件主界面如图5所示.

图5 图像采集及预处理主界面

将该软件保存下来的图片交予图像处理计算机进行后续处理，进而实现纸病的在线自动检测与标记.

5 实验结果

经过调试，系统能够正常运行并检测出常见的纸病类型，如孔洞、压花和褶皱，具体图像如图6所示.

图6 系统检测出的纸病图像

6 结 语

本文设计的纸病在线自动检测系统，运用DSP技术实现了对纸病的精确分类与标记.实验结果表明，该系统能够快速的检测出纸病信息，经济实用，操作维修方便，在纸张的生产流水线中，能快速找出纸病所在的位置，为纸张的生产质量提供了保证.

参考文献：

[1] 温喜东. 在线纸病检测技术的新发展及应用[J].中国造纸, 2002 (2): 61-64.

[2] 徐志鹏. 造纸过程中纸病检测关键技术研究[D].无锡：江南大学, 2005: 26-33.

[3] 吕荫平. 基于DSP的纸页缺陷检测的关键技术研究[D].济南：山东轻工业学院, 2008: 45-53.

[4] 朱 英. 基于机器视觉的纸病检测系统的应用与研究[D].南京：南京林业大学, 2007: 27-33.

[5] 唐镜军. 光电脉冲编码器电路原理[J].机床电器, 2011(6): 32-34.

[6] 刘国良, 力 清, 施进平. AD9833型高精度可编程波形发生器及其应用[J].国外电子元器件, 2006(6): 44-47.

[7] 孙丽明. TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京: 清华大学出版社，2008: 15-19.

[8] 龙宏波，叶晓慧，谭思炜. 归一化加权平均值算法在测量中的应用[J].电光与控制，2010，17(12): 68-70.