基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、在造紙過(guò)程中由于設(shè)備磨損、生產(chǎn)原料或者環(huán)境污染等原因產(chǎn)生的紙病會(huì)嚴(yán)重影響紙張的質(zhì)量。傳統(tǒng)的紙病檢測(cè)系統(tǒng)是利用高速計(jì)算機(jī)通過(guò)濾波、邊緣檢測(cè)和模式識(shí)別等復(fù)雜的圖像處理算法對(duì)紙病圖像進(jìn)行識(shí)別分類，系統(tǒng)成本很高。本課題在陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：2012KTCQ01-19）的支持下，在深入分析紙病檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，圍繞紙張圖像的采集、預(yù)處理算法和數(shù)據(jù)傳輸展開(kāi)了應(yīng)用技術(shù)研究，針對(duì)紙病檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于F

2、PGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集到紙張圖像后，經(jīng)過(guò)預(yù)處理再傳送到上位機(jī)做進(jìn)一步的識(shí)別分類，在不影響實(shí)時(shí)性的前提下使用普通計(jì)算機(jī)代替高速計(jì)算機(jī)，降低了生產(chǎn)成本。論文的主要工作可總結(jié)為以下5個(gè)方面：
　　1）基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)
　　在深入分析了基于機(jī)器視覺(jué)的紙病檢測(cè)原理后，確定了基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)的方案。該方案通過(guò)Camera Link接口將相機(jī)采集到的紙張圖像緩存至存儲(chǔ)器中，經(jīng)過(guò)預(yù)處

3、理算法處理后再通過(guò)PCIe接口傳送至上位機(jī)。系統(tǒng)的核心為圖像采集處理卡，其在普通的圖像采集卡上增加了圖像處理的功能。
　　2）紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)
　　為了模擬在造紙廠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)紙病的過(guò)程，設(shè)計(jì)了紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括卷紙機(jī)構(gòu)、相機(jī)光源安裝機(jī)構(gòu)、光源和相機(jī)等，其中光源的設(shè)計(jì)和相機(jī)的選型是平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵重點(diǎn)。
　　3）圖像采集處理卡硬件電路的設(shè)計(jì)
　　由于現(xiàn)有的圖像采集卡知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的原因，無(wú)法進(jìn)行二

4、次開(kāi)發(fā)，因此在深入研究了CCD線陣相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)了圖像采集處理卡的硬件電路。圖像采集處理卡主要電路包括FPGA外圍電路、Camera Link接口電路、PCIe金手指電路和存儲(chǔ)器的外圍電路。Camera Link接口與FPGA之間使用接收器DS90CR288A、驅(qū)動(dòng)器DS90LV047和收發(fā)器DS90LV019作為信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片。該卡與相機(jī)通過(guò)MDR26連接器連接，可直接插在計(jì)算機(jī)的PCIe插槽上使用。
　　4）FPGA內(nèi)各

5、模塊的HDL實(shí)現(xiàn)
　　FPGA同時(shí)具備了硬件的并行性及軟件的靈活性，其可通過(guò)配置各個(gè)接口從而控制相機(jī)、存儲(chǔ)器等外部設(shè)備，同時(shí)還可并行預(yù)處理紙張圖像數(shù)據(jù)。在FPGA設(shè)計(jì)過(guò)程中采用自頂向下的設(shè)計(jì)模式，將整個(gè)系統(tǒng)分為圖像采集模塊、存儲(chǔ)器接口模塊、PCIe總線接口模塊和紙病圖像預(yù)處理模塊。圖像采集模塊通過(guò)Camera Link控制相機(jī)的工作模式采集紙張圖像數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器接口模塊設(shè)計(jì)了兩塊RAM匹配DDR2 SDRAM的傳輸速率；在PCIe總

6、線接口模塊中實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存讀寫(xiě)和高速DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸模式；在DSP Builder環(huán)境下完成了中值濾波、邊緣檢測(cè)算法的建模，并將模型轉(zhuǎn)換為HDL語(yǔ)言。
　　5）圖像采集與預(yù)處理模塊的仿真及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試
　　為了驗(yàn)證FPGA內(nèi)圖像采集模塊和紙病預(yù)處理算法的正確性，在Modelsim軟件中對(duì)圖像采集模塊進(jìn)行了功能仿真，在Simulink環(huán)境下對(duì)預(yù)處理算法進(jìn)行了硬件在環(huán)測(cè)試，其結(jié)果表明設(shè)計(jì)正確。在紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)試紙病檢測(cè)預(yù)處

7、理系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為80r/min，紙機(jī)速度約為25cm/s，計(jì)算出相機(jī)的線速度頻率約為2000 Hz，當(dāng)相機(jī)頻率調(diào)為2000 Hz時(shí)，相機(jī)拍到了與實(shí)際相符的照片，當(dāng)相機(jī)頻率調(diào)為其他頻率時(shí)，拍到的照片失真，表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
　　本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)將采集到的紙張圖像進(jìn)行中值濾波、邊緣檢測(cè)預(yù)處理后傳送給了上位機(jī)，減小了上位機(jī)的計(jì)算量，并降低了上位機(jī)算法的復(fù)雜性，因此上位機(jī)可由普通計(jì)算機(jī)代替高速計(jì)算機(jī)，