基于DSP的色选机分选控制系统

周敬东 黄云朋 周明刚 等

摘要：为解决物料颜色分选过程中的图像高速采集与处理问题，采用TMS320F28335为核心处理芯片，以FPGA实现图像数据传输与缓冲，分析并改进图像处理算法，并通过分选执行模块执行分选，设计了基于DSP的色选机分选控制系统。经试验验证，该系统能达到设计的各项性能指标要求，具有很强的实用性。

关键词：DSP；图像处理；色选

中图分类号：TN911.73 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）04-1021-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.051

Sorting Control System of Color Sorter Based on DSP

ZHOU Jing-dong，HUANG Yun-peng，ZHOU Ming-gang，CHEN Yuan，CHENG Chai，LI Min-hui

（Research and Design Institute of Agricultural Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： In order to solve the problem of high-speed image acquisition and processing in material color sorting process， the TMS320F28335 core is applied as a processing chip， the FPGA are used to realize the transmission and buffer of image data， analyzing and improving the image processing algorithms and perform sorting through sorting execution module， thus realize a image processing system based on the material color analysis and sorting of DSP. The test shows that the system is practical which can achieve the requirements of design.

Key words： DSP； image processing； color sorting

随着科学技术的发展，实时图像处理系统广泛应用于科研与生产领域[1]。色选是指通过颜色的区分来清除物料中的受损、异色粒以及其他杂质[2，3]。DSP采用改进的哈弗结构，具有硬件乘法器[4，5]，适用于数字信号处理系统的，在图像处理系统中可以大大提高处理速度，在图像处理过程中具有重要的作用。本研究在通过对分析现有色选机图像处理系统不足的基础上，结合当前DSP在图像处理领域的重要地位[6]，通过对色选机图像处理系统硬件的改进以及图像处理算法的优化，设计了一种基于DSP的色选机分选控制系统。

1 系统组成与工作原理

基于DSP的色选机分选控制系统由图像采集模块[7]、图像处理模块[8]、分选执行模块、调试模块4个部分组成，如图1所示。其中，图像采集模块利用线阵CCD相机采集图像数据，通过FPGA将图像数据传送给数据缓存器FIFO；图像处理模块中DSP通过数据总线读取FIFO中的图像数据，调用图像处理程序，对图像进行分割、识别；处理完成后，将识别结果发送给分选执行模块，该模块对接收的数据进行解析，控制分选机构执行分选；调试模块在系统调试过程中PC可通过CAN总线读取DSP中的图像数据，读取完成后，调用模糊聚类程序计算分选阈值，随后将分选阈值发送给DSP。

色选机图像处理系统在设计过程中，需要保证图像数据处理的实时性，待分选物料从被相机捕捉到分选执行完成的间隔时间只有4 ms，必须保证在该时间内实现图像传输、图像处理和分选控制。其中，图像处理占用时间最长，需要尽可能缩短图像处理的时间，考虑到图像传输以及分选控制的时间，图像处理过程必须保证在3 ms以内完成。在实际过程中，相机拍摄的图片宽度为2 048像素，设定两帧图像处理1次。若需满足系统实时性，则选用TI公司DSP（TMS320F28335）[9]，由于DSP采用改进的哈弗结构、硬件乘法器，指令系统的流水线操作大大提高了运算速度，在图像处理方面有着明显的优势，可以满足系统实时性需求。

2 系统硬件模块设计

2.1 图像处理模块

图像处理模块是该系统的核心部分，包括DSP系统必需的电源控制、复位控制、时钟系统以及JTAG接口外，还包括与调试模块通讯的CAN总线驱动电路、与分选控制系统通讯的RS485驱动电路、图像数据缓存器FIFO、DSP片外存储器SDRAM以及FLASH（图2）。

模块所选用的DSP芯片是TI公司的TMS320F28335系列芯片，FIFO采用的是TI公司的SN74V245、512 K的SDRAM、256 K的FLASH。图像在传输过程中，由FPGA到DSP之间经过了图像缓存器FIFO。FIFO的写时钟（WCLK）、写使能（WEN）、复位信号（RS）由FPGA控制，读时钟（RCLK）、读使能（REN）、输出使能（OE）、数据满（HF）由DSP控制。其中，HF连接到DSP中的DMA中断信号，当FIFO中数据写满后，HF变为高电平，启动DMA中断，DSP通过DMA通道将FIFO中的图像数据读入到SDRAM中，从而减少了DSP由于读取图像数据占用的时间，大大提高了DSP的图像处理效率。

2.2 图像采集模块

在图像采集模块中，采用了彩色线阵CCD相机以及Altera公司的CycloneⅣ系列芯片的FPGA。线阵CCD相机采集图像，并通过相机的Camera Link输出口输出。由于相机输出信号不能直接由DSP接收，因而采用FPGA将该信号进行转换，FPGA转换完成后传输给FIFO。FPGA在进行信号转换的同时，也可对待传输的图像数据进行预处理，可降低DSP的处理负担。

2.3 分选执行模块

分选执行模块包括与DSP通讯的RS485模块、FPGA以及32路喷吹阀控制电路。DSP通过RS485模块将分选处理结果发送给FPGA，FPGA将对分选处理结果进行解析，通过喷吹阀控制电路控制喷吹阀工作，从而执行分选。如图3所示，单个喷吹阀驱动电路，实际过程中使用的喷吹阀是100 V启动，12 V维持。EX111、EX110是12 V电压输入开关，由FPGA的I/O通过光耦PS2801控制，当FPGA1、FPGA2控制喷吹阀1开启和闭合，当FPGA1、FPGA2均为低电平时，EX111输入12 V，EX110输入0 V，J1输出100 V电压，喷吹阀启动；当FPGA1输出高电平时，J1可由FPGA2控制输出12 V或0 V，控制喷吹阀开启和关闭。

2.4 调试模块

调试模块由PC以及USB转CAN模块组成。该模块在系统调试过程中，可通过CAN总线读取DSP采集到的样本图片，对其进行特征提取，利用模糊聚类算法求出分选阈值，通过CAN总线将分选阈值以及其他的分选参数发送到DSP中。

3 算法与软件设计

3.1 图像处理算法

色选机在分选过程中，对相机拍摄的图片进行分割，分割为k个通道。分割完成后，逐步对每个分割区域内的图像单独进行处理。首先将分选图片中在（x，y）处像素点的分量均减去背景在（x，y）处相应分量，处理过程中将单个像素点处3个分量值均小于10的点当作背景处理，排除分选过程中下落物料对光线的遮挡造成的背景像素值的扰动。分量求差函数如式1所示。

r（x，y）=R（x，y）-Rb（x，y）g（x，y）=G（x，y）-Gb（x，y）b（x，y）=B（x，y）-Bb（x，y）x∈[■·i-1，■·（n-1）-1）；y∈[0，m）；i∈[1，k]；其中x，y，i均为整数 （1）

其中，R（x，y），分选图片在（x，y）处的像素点的红色分量；G（x，y），分选图片在（x，y）处的像素点的绿色分量；B（x，y），分选图片在（x，y）处的像素点的蓝色分量；Rb（x，y），背景在（x，y）处的像素点的红色分量；Gb（x，y），背景在（x，y）处的像素点的绿色分量；Bb（x，y），背景在（x，y）处的像素点的蓝色分量； r（x，y），处理后坐标为（x，y）的像素点的红色分量； g（x，y），处理后坐标为（x，y）的像素点的蓝色分量； b（x，y），处理后坐标为（x，y）的像素点的绿色分量；k，分选通道数；i，表示第i个通道。

将式1中处理后像素点的分量与上位机传输的分选阈值进行比较，对于满足式2中条件的像素点计为有效点。比较通道内所有像素点后，求出有效点数b与参与比较的总点数的比值q。其中，每一个像素点在图片中有一个固定的面积，参与比较的所有点数表示通道内物料面积大小，有效点数表示通道内物料特征面积大小，计算后为通道内的物料特征面积占总面积百分比。將q与基准值p进行比较，可根据q与p的大小关系对物料进行判定，其中p表示判定过程中特征区域占物料总区域的百分比的设定值，若q>p则表示满足特征分选，物料可识别，控制分选系统进行分选；反之则不可识别，分选系统不动作，物料自由下落。分量比较函数如式2所示。

Rl≤r（x，y）≤RhGl≤g（x，y）≤GhBl≤b（x，y）≤Bh （2）

其中，Rl，红色阈值下限；Rh，红色阈值上限；Gl，绿色阈值下限；Gh，绿色阈值上限；Bl，蓝色阈值下限；Bh，蓝色阈值上限。

3.2 软件设计

DSP在图像处理的过程分为预选过程和分选过程，图4所示是分选过程的流程。在预选过程中，需要调试模块参与，调试模块通过CAN总线读取样本图片的数据，该模块通过对样本图像的特征提取以及模糊聚类，计算分选阈值。在分选过程中，DSP通过CAN总线接收调试模块发送的分选阈值，将其存入FLASH中；同时，DSP读取FPGA采集到的背景图像，将背景图像数据存储到内存中，分选阈值接收完毕后，可启动系统分选。系统启动分选后，DSP中DMA中断检测FIFO中满标志位HF的信号，当FIFO写满后，产生DMA中断，DSP通过DMA通道读取图像数据，将其放入内存中。在处理过程中，每两帧图像处理1次，当数据量达到两帧图像时，DSP调用图像处理程序，先将采集到的图像减去相应的背景，然后对其进行通道划分，通道划分完成后，在各个通道内实现分量比较，求出单个通道内符合要求的点与参与比较的所有点的比值，与设定值进行比较，判定分选结果。判定结束后，调用串口程序，将分选结果发送给分选执行模块。

4 结论

色选机图像处理系统是基于DSP为核心的图像处理系统，该系统在应用过程中，利用了DSP在数字信号处理系统中的诸多优势。在硬件系统上采用了DMA通道，实现DSP对图像数据的读取，在读取过程中不占用系统资源大大降低了DSP的处理负担；在软件系统上才用了图像分割、特征点阈值比较等方式实现了对分选物料的识别，可通过对分选阈值的调节实现多种大颗粒物料的分选。该系统已经成功应用于油茶果分选机上，在该设备上，油茶果分选效率以及分选质量较基于计算机的分选设备均有所提升，同时大大降低了设备的成本。在该系统中，可对分选参数进行调整，以适应各种有颜色差异的颗粒物分选中，具有非常广阔的前景。

参考文献：

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[2] 丁润锁，尚立新，宁书臣，等.农产品色选技术的发展分析[J].农业工程，2012（S1）：54-56.

[3] 王 忠.我国谷物色选机应用技术现状及发展趋势[J].农机化研究，2006（4）：23-25.

[4] 陈金金.基于DSP的色选机技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

[5] 魏礼俊.基于DSP的大米色选机的研制（信号与处理部分）[D].合肥：合肥工业大学，2005.

[6] 鲁昌华，石洪源，梁银海，等.基于FPGA_DSP的实时图像处理平台的设计与实现[J].电子技术应用，2007（12）：72-75.

[7] 黄德天，刘雪超，吴志勇，等.基于CameraLink的高速图像采集处理系统设计[J].吉林大学学报（工学版），2013（S1）：309-312.

[8] 朱 明，鲁剑锋，赵 建，等.基于TMS320C6202的实时数字图像处理系统的设计[J].光学精密工程，2003（5）：497-501.

[9] 刘陵顺，高艳丽，张树团，等.TMS320F28335DSP原理及开发编程[M].北京：航空航天大学出版社，2011.