基于ARM与DSP的PET瓶盖缺陷在线检测系统的设计

黄伟基，谢云

(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)

近年来，随着我国PET瓶吹塑生产工艺流程的技术提升以及瓶级PET树脂质量的提高，塑料瓶盖及瓶身的生产量获得了飞速的发展，生产总量已在世界前列。但是，瓶盖生产技术的飞速发展并没有带来瓶盖检测技术的飞速发展。中国市场急需价格合理、性能可靠、适合我国国情的国产瓶盖在线检测系统［1］。

瓶盖的缺陷检测主要是检测外盖 (即瓶盖的外圆边缘)以及密封圈 (即瓶盖的内圆)是否有缺陷、成型是否饱满、结构是否完整、有没无明显收缩、瓶内有无污点等。目前国内还没有一套较为完善的瓶盖检测技术，检测主要靠人工，但现在国内的瓶盖生产速度可以达到每秒十个以上，这种速度是人工检测根本无法适应的。

针对这一状况，作者提出了基于ARM与DSP的瓶盖缺陷在线检测系统。该系统具有组装方便、高实时性、高稳定性的特点，能够满足生产在线检测的要求。

1 系统总体结构框图

该检测系统主要由ARM处理器负责的主控制系统及由DSP处理器负责的图像采集系统组成。系统结构图如图1所示。

图1 检测系统的硬件结构框图

DSP处理器主要用于图像数据处理工作。它接收自图像采集卡传来的图像数据，数据经过DSP处理后最终以AV信号输出，并在显示器中显示图像。

ARM处理器主要负责控制整个系统的运行。通过操作触摸屏可查看、设置和处理系统参数及各种数据，也可以控制电机加减速与正反转。ARM最终会把所有历史数据存进硬盘中以待日后查阅。无线WIFI用于连接网络以实现远程监控。

2 基于DSP的图像采集系统设计

2.1 图像采集与处理模块

由DSP与图像采集卡组成的图像采集系统主要负责图像数据采集的工作。采集卡MT9P031是一款高性能帧曝光CMOS图像采集卡，具有500万像素，它支持多种图像格式。图像采集卡芯片数据线为10位，它是基于I2C协议传送数据的。当DM642由I2C发出地址和控制信号且MT9P031的行数据信号LINE _VALID有效时，DM642的视频口在PLXCLK时钟控制下采集数据，数据结束位置由VCXSTOP1寄存器控制。

在数据采集和处理过程中，图像采集卡输出的数据格式类型是Bayer，数据进入DSP后，DSP把它转换为CVBS信号输出，CVBS信号再经过AV转VGA模块转为VGA信号后输出到屏幕中。

图2 图像采集与处理系统

2.2 相机及光源的安装

在拍摄瓶盖图片时十分讲究，所拍得的照片质量如何，影响到后续算法识别的准确率。广角镜头的可调距离和可视角度，光源的颜色、亮度以及离瓶盖的距离，瓶盖的背景颜色等都要经过实验来检验校准，使拍出的图片达到最佳效果，这样才能获得较好的瓶盖内外圆轮廓［2］。

以检测白色矿泉水PET瓶盖为例，使用5 mm可调焦、65.5°视场角广角镜头，采用瓶盖上方5 cm处的白色同轴光源，瓶盖底部用深黑色背景，实验所拍得的照片质量较佳。

2.3 PET瓶盖缺陷检测算法设计

DSP对图像采集卡拍得的图片进行分析，找出缺陷并通知ARM剔除不合格产品。该系统主要任务是检测瓶盖的内外圆边缘缺陷和瓶盖内是否有污点。一幅图片拍摄完后，数据会在DSP中进行如下处理:

(1)图像预处理。主要包括3×3中值滤波［3］、最大类间方差阈值分割。

(2)投影。该算法实现了一种简单求圆心的方法，把阀值分割后的图像分别投影到x和y轴，然后求出各自投影长度的中心坐标，此即是圆心坐标。若投影到x、y坐标的阴影长度相差超过某个理论值，就可断定该瓶盖有缺陷，就不用继续进行下一步算法。只有当投影到x和y坐标上的阴影长度基本相等才继续下一步处理。

(3)边缘提取［4］。求出圆心后再对阀值分割的图像进行边缘提取，该算法采用Soble算子。

(4)缺陷检测［5］。对于内外圆缺陷检测，求得圆心和提取边缘后，即可通过检测圆每个区域的面积是否大致相等来检测圆是否有缺陷。从圆心出发，将圆环分成若干等份，计算每个区域的面积。若相差不大，则没有缺陷;若有明显的差别，则说明该瓶口有缺陷。对于污点检测，若某黑像素区域为多连通点，并且该区域到圆心的距离小于半径，则断定内盖内有污点。算法流程图如图3所示。

图3 缺陷检测算法流程图

3 基于ARM的主控制系统设计

3.1 ARM与各外围模块组成的控制系统

ARM11与光纤传感器、控制电机电路模块、触摸屏、硬盘、WIFI模块以及产品剔除装置等组成的控制系统如图4所示。光纤传感器用于检测瓶盖; ARM11输出脚GPB1输出3.3 V给运放耦合电路，从而经过继电器可以控制电机的正反转与加减速，耦合电路保证电路的两旁互相不受干扰;产品的剔除装置由GPB0引脚控制;触摸屏、无线WIFI、移动硬盘均由自己的独立接口连接到ARM芯片上，用于无线监控、储存数据等功能。

图4 ARM处理器与外围模块组成的控制系统示意图

3.2 基于ARM的人机界面设计

整套设备均由 Linux系统控制，所要编写的Linux硬件驱动程序包括:无线网卡驱动程序、IO口驱动程序、I2C设备驱动程、LCD设备驱动程序等［6］、USB Device驱动程序［7］。整个系统从底层到上层分别是启动代码 U-boot、Linux内核 2.6.3.33、yaffs根文件系统、图形界面QT-4.7。

整个系统架构如图5所示。

图5 系统架构示意图

PET瓶盖缺陷检测系统人机交互界面主要由用户管理功能模块、数据显示功能模块、数据管理功能模块、网络管理等功能模块组成，各功能模块描述如下:

(1)用户管理模块。用户管理界面是系统运行后用户所看到的第一个界面，即登陆界面。用户只有凭密码登陆后才可以进入主界面，非用户只能浏览。这可以保证系统参数不能被其他人破坏。用户登录后可重设密码或进行其他操作。

(2)数据显示模块。数据显示界面显示瓶盖图片以及各项检测数据。

(3)数据管理模块。数据管理界面可用来根据需要查看以往检测的数据信息，并显示各个检测项目中合格品、不合格品的数目以及所占百分比。

(4)帮助模块。帮助界面用于显示主界面各按钮的用途、操作方法和版权信息等。

(5)网络管理模块。网络界面提供一些无线上网和远程监控的功能。

图6为两幅操作界面例举。

图6 操作界面例举

4 实验及结果分析

经过试验验证，该系统每帧图像处理时间小于80 ms;数据精度大于76像素/英寸;可检测出0.1 mm的缺陷;系统处理瓶盖速度达每小时36 000个以上;准确率达98%，较好地满足了生产线的要求。

该检测系统目的是检测瓶盖内外圆边缘是否有缺陷、瓶盖密封圈内是否有污点。图7和图8分别列出了这两种缺陷的检测情况。

图7 检测出瓶盖边缘有缺陷的效果图

图8 检测出瓶盖密封圈内有污点的效果图

5 结论

提出一个基于DSP的瓶盖缺陷检测算法，该算法能快速地识别内外圆边缘缺陷和密封圈内污点，能用于生产线上;基于嵌入式双CPU系统，实现了远程监控、触摸控制、数据库管理等工业控制功能;该系统高效实用且安装方便，所用到的软硬件技术若加以改进可适合各种制造业的在线缺陷检测，技术推广前景广泛。

【1】机器视觉［OL］.http://it.yn.cninfo.net.

【2】康耐视中国.药片颗粒的机器视觉检测系统［J］.自动化博览，2010(S1):90.

【3】KHANFIR S，JEMNI M.Reconfigurable Hardware Implementations for Lifting-based DWT Image Processing Algorithms［C］//IEEE The 2008 International Conference on Embedded Software and Systems，2008.

【4】韩梅.药用管制瓶的缺陷及尺寸检测的算法研究［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

【5】王成群.基于机器视觉的音膜同心度测量系统系统的研究与设计［D］.广州:广东工业大学，2008.

【6】WANG Ya-Jun.Research and Realization of the Mechanism of Embedded Linux Kernel Semaphore［C］//2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE)，2010.

【7】祖荫柏.基于ARM9的USB设备驱动程序开发［J］.电脑编程技巧与维护，2010(18):114-115.