PET瓶封盖质量在线检测系统的设计与实现*

郑海成，谢 云

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州510006)

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种环保塑胶，目前市场上几乎所有的饮料瓶都是用PET切片注塑加工成型的。在PET饮料瓶生产过程中吹瓶和灌装是影响质量的关键工序。而在灌装工序，高速旋盖子系统中PET瓶会出现歪盖、高盖甚至无盖等情况[1]，在这些情况中，轻微的会导致产品外观的不美观，严重的会导致饮料内部质量发生变化，特别是茶饮料和乳类饮料。为了减少不合格品的数量，需要增加检测工序。而传统的PET瓶封盖质量检测系统都是基于PC机实现的，整套设备往往体积相当庞大，而且检测速度有限[2]，并且由于PC机本身的缺陷，在较为恶劣的生产线环境中无法正常工作。

对此，本文设计了一套完整的基于DSP+ARM的PET瓶封盖缺陷高速检测系统。通过DSP DM642完成对图像传感器MT9P031（500万像素）进行RAW（原始图像编码数据）原始数据流采集，并对采集的PET瓶的封盖缺陷进行检测和处理。此外，通过基于ARM11的嵌入式系统对传动系统进行监控，主要包括对电机传动的控制、传感器中断信号的接收、控制触发DSP进行图像采集以及基于触摸屏的人际互动监控界面的开发。

1 系统总体架构设计

PET瓶封盖缺陷检测系统主要包括以下5个部分：图像采集模块、图像核心处理模块、图像实时显示模块、控制触发与传动模块和监控模块，如图1所示。由基于Linux的ARM11 S3C6410处理器控制整个传送带的正常运作。由于本系统中PET瓶身的透明塑料特性，所以选取不受光线干扰的超声波传感器作为本系统的触发传感器[3]。在超声波传感器感应到PET瓶身时，触发DSP DM642通过I2C总线控制图像传感器MT9P031进行图像的快速捕捉，图像数据以10 bit并行数据输入到DM642中，由DSP对图像进行滤波、阈值化、水平投影、边缘检测以及PET瓶身定位后，以遍历比较的方式完成PET瓶封盖的缺陷检测。然后把处理后的数据同样以10 bit的图像数据输出到硬件编码芯片，经过CVBS转VGA转接器，最后完成图像的实时显示。此外，所有的检测统计数据都将由ARM11通过无线WIFI模块发送到远程主机上进行数据的统计和存档。

2 图像采集与处理系统设计

2.1 图像采集系统的硬件设计

图像采集部分由DM642的视频口在PIXCLK时钟控制下采集数据，数据以D[9:0]10 bit形式发送到DSP，而DSP通过I2C总线接口控制图像传感器的工作模式和采集模式等；在DM642处理完图像后，通过VP0D[9:0]10位数据输出方式输出到视频编码芯片SAA7121，DSP通过 I2C总线设置 SAA7121的相关寄存器，并控制数据进行传输。视频数据通过SAA7121编码后，输出的视频格式为PAL制或者NTSC制的视频信号(即CVBS视频信号)；最后通过CVBS转 VGA的转接模块，直接输出到显示屏上显示。图像采集系统的硬件原理图如图2所示。

2.2 图像采集与处理系统的软件设计分析

基于DSP DM642的图像采集与处理系统的软件设计主要分为如下两个部分：图像采集的流程分析和PET瓶封盖缺陷检测算法的实现。

2.2.1 图像采集的流程分析

首先把DM642设置为RAW数据接收模式，并把接收数据宽度设置为10 bit。然后通过I2C总线选通MT9P031的硬件地址和寄存器地址，发送相应指令设置MT9P031为单帧触发模式，把图像格式设置为SXGA格式(即1 280×1 024)，并设置好水平消隐和垂直消隐的宽度。在完成以上设置后，DM642通过TRIGGER引脚控制传感器捕捉

图1 系统整体架构图一帧图像并传送到DM642内部的FIFO缓存器中进行相应的图像识别和检测的实现。图像采集流程如图3所示。

2.2.2 PET瓶封盖缺陷检测算法的实现

(1)本系统设计的检测方法是多瓶身同时检测，而对PET瓶身的区域定位，是通过扫描Y轴方向的像素点之和是否为非零来判断每个瓶身的真实位置，通过对第一个非零值的gi(ni)到第一个零值的gi(ni)即可记录一个PET瓶的大概区域位置，标记为x1、x2。用同样的方法计算出第二个PET瓶所在的区域为x3、x4之间。

在经过图像预处理后，需确定瓶身与瓶颈的分割线作为后续瓶盖定位的绝对坐标。通过图像在Y轴上的投影分析，可以清晰地分辨出瓶身与瓶颈的分割线在Y轴的0坐标往正方向开始扫描到第一个灰度值波峰位置，并且经过大量数据验证，波峰的确定位置误差在5个像素点之内 (本系统所采用的图像大小为1 280×1 024，即误差在5/1 024=0.48%以内)。

(2)本系统采用在基于预处理之后，进行垂直方向自上而下的扫描方法，标识扫描到的第一个非零灰度值像素点，并把该x坐标上的其他y点全部置为零灰度值，从而完成垂直方向外轮廓的快速提取[4]。

(3)由以上两步得到瓶颈与瓶身的分割线以及瓶盖顶部边缘，在此基础上识别出两个瓶身所在的区域为[x1，x2]和[x3，x4]，然后通过计算分割线与瓶盖顶部边缘的距离与标准值进行比较，若误差超过5%，则认为不合格，即可剔除。PET瓶身封盖缺陷检测算法的总体流程如图4所示。

3 基于ARM11的传动与监控系统设计

3.1 传动系统与监控系统硬件设计

本平台的传动系统所采用的主处理器为ARM11 S3C6410。由于考虑到瓶身透明和体积问题，所以在传感器选型上选用超声波传感器作为瓶身的探测传感器。超声波传感器输出的电压值范围为0.2 V～4.5 V，然后通过以LM358运算放大器搭建的比较电路进行电压的阈值分割，使触发信号边缘特性更佳。通过比较器后，超声波传感器的触发信号经过74LVC4245电平转换信号，信号直接输入到ARM11的外中断口。ARM11在接收到超声波传感器的外中断信号后，通过端口将信号输出到DSP DM642的外中断口，触发DM642完成图像捕捉功能。与此同时，通过超声波的中断触发信号，ARM11通过端口输出一个3.3 V的电平信号，控制24 V模块后，输出24 V的电压控制信号，直接控制继电器的通断，从而完成控制电机的传动工作。整个传动系统的硬件框图如图5所示。

监控系统的硬件设计主要包括图像的VGA显示和触摸屏驱动部分。首先通过ARM11 S3C6410的专用LCD控制器接口输出24 bit液晶屏数据，然后经过LCD转换模块进行转换，从而可以通过编程控制LCD控制器输出来完成VGA显示。此外，通过ARM11的四线电阻屏控制引脚 TSXM、TSYM、TSXP、TSYP来控制一个 17英寸电阻触摸屏，通过编程可以控制四线电阻屏的输出-X、+X、-Y、+Y坐标来完成触摸屏的硬件驱动。

3.2 软件多线程设计

由于本文设计的传动系统与监控系统需要进行多任务的同时调度，所以需要设计一个基于Linux系统的多线程管理机制。其中从线程的作用不同可分为：控制电机传动线程、传感器中断处理线程、监控界面设置管理线程以及无线通信线程，四者相对独立，但又在必要时进行数据交互。各个线程的相互关系如图6所示。

4 实验结果及分析

基于DSP DM642读取MT9P031图像传感器的数据，经测试后采集的速度可达20帧/s，采集的图像精度可根据需要调节，最小精度为76 pix/inch。

此外，本系统采用DSP+ARM的硬件平台取代传统的PC机平台，为工业在线检测带来了更可行、更科学的解决方案。系统具有体积小、安装方便、抗干扰能力强和高速处理等特点，是普通PC机无法比拟的，具有广阔的发展空间。

[1]Ma Huimin，Su Guangda，Wang Junyan，et al.A glass bottle defect detection system without touching[C].Proceedings of the First International Conference on Machine Learning and Cybemetics，Vol2：Beijing，4-5 November，2011：628-632.

[2]严华宇.基于FPGA的玻璃缺陷图像采集预处理系统设计[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[3]徐赤，王志平，凌永祥，等.基于智能视觉系统的饮料瓶缺陷检测技术[J].自动化与仪器仪表，2011(5)：163-167.

[4]邹振兴.基于FPGA的PET瓶缺陷检测系统的研究与设计[D].广州：广东工业大学，2009.