一种用于产品在线探伤的图像检测装置

一种用于产品在线探伤的图像检测装置郑科荣，朱双东宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 （315211）E-mail ：kerong12@摘 要：介绍了一种用于产品在线检测的基于嵌入式技术的图像检测系统。

该系统通过CMOS 图像传感器采集产品的图像信息并转化成数字信号传输到存储器中，由ARM 处理器进行图像处理和分析，判断产品是否合格，然后自动剔除不合格的产品。

同时，还可以统计每天的检测结果，上传到上位机。

系统使用以ARM7TDMI 为核心的LPC2210处理器，配合嵌入式多任务实时操作系统µC/OS-Ⅱ。

这样既方便了应用程序的开发，也同时保证了各个任务的实时性和可靠性，实现了系统的设计要求。

关键词：CMOS 图像传感器，嵌入式系统，图像探伤，在线检测1．引言随着中国制造业的不断发展，对制造过程自动化和智能化的要求也越来越高。

一个好的智能检测系统不但能够节约大量的人力物力，还可以有效地缩短整个制造周期，从而提高质量、降低成本。

在很多领域都会对各种产品进行检测，以保证产品的成品率和使用安全性。

传统的检测方式通常均以人工检测为主，全凭工人的经验进行作业，既不能完成非接触检测，又不能实现在线检测。

这种方法对于复杂的零件，不但检测效率很低，检测的准确度也不容易达到质量要求。

因此，需要更好的检测系统来完成现代工业的复杂检测任务。

在半导体技术飞速发展的今天，具有图像功能的嵌入式应用愈来愈多。

从数码相机、可视电话、多功能移动电话等消费产品到门禁、数字视频监视等工业控制及安防产品，图像采集和处理已成为其中的重要组成部分。

本文介绍了一种基于嵌入式系统的图像检测装置，以电池密封圈作为实际检测对象，使用CMOS 图像传感器获取产品图像，通过微处理器的采集和处理，分析产品是否合格，最终完成对产品的检测并剔除不合格品。

该装置采用图像处理方法，并使用实时操作系统，实现了非接触和在线检测，具有较高的测量准确度。

2．硬件系统的构成检测装置的硬件原理框图如图1所示，其主要组成模块有：处理器核心模块、图像采集模块、外围电路模块。

下面分别介绍各个模块的原理和功能。

2.1 处理器核心电路模块如图1所示，处理器核心电路主要由微处理器LPC2210、存储器SRAM 和FLASH 组成。

LPC2210是Philips 公司生产的基于ARM7TDMI 核的RISC 微处理器[1]，芯片采用144脚封装，有16KB 片内静态RAM ，开放外部总线；片内晶振频率范围1～30MHz ，系统使用11.059MHz 的晶振，通过片内PLL 实现4倍频提供给CPU 工作；同时该处理器片内外设功能丰富强大，带有多个串行接口（包括2个16C550工业标准UART 、高速I2C图1 装置的原理框图接口和2个SPI 接口），方便控制与连接其它外围模块。

该处理器具有低成本、低功耗、高性能等优点，同时具有丰富的片上资源，特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制等方面的应用。

检测装置采用8MB 的SRAM 作为随机存储器，确保图像采集和处理任务实时地完成。

系统的只读存储器采用2MB+16MB 模式。

2MB 的线性FLASH 用于固化应用程序；而16MB 非线性FLASH 作为系统的海量存储器，用于存储标准图像模板和一些特定的图像数据。

外部存储器通过处理器芯片的EMC 接口与处理器连接。

SRAM 和2M 的FLASH 的存储器数据宽度为16位。

在调试状态下，SRAM 分配在bank0存储器组，2M 的FLASH 分配在bank1存储器组，而在脱机运行时则与此相反。

这样，程序可以直接从FLASH 中开始运行。

16M 的FLASH 的存储器数据宽度为8位，分配在bank3存储器组。

这些存储器的访问方式可以通过修改存储器组配置寄存器BCFG 来分别设置。

2.2 图像采集模块检测装置采用OV7640图像传感器获取图像数据。

OV7640是CMOS 彩色图像传感器，可以输出VGA 和QVGA 两种图像格式，数据输出格式有YUV 、YCrCb 和RGB 三种[2]。

芯片内嵌了一个8bit 的A/D 转换器，经过降采样处理，可同步输出8位的数字视频流D[7…0]。

在输出数字视频流的同时，还提供像素时钟PCLK 、水平参考信号HREF 和垂直同步信号VSYNC 。

系统根据这些同步信号即可设置存储器地址，完成图像数据的采集与存储。

芯片使用SCCB 接口编程控制，数据格式、图像帧频、曝光时间、增益控制、Gamma 校正等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置。

该芯片将CMOS 光感应核与外围支持电路集成在一起，在简化外围电路、节省开发时间和成本的同时，获取的图像能够亦可很好地满足实际检测的要求。

在嵌入式系统中，不同的处理器和图像传感器的信号定义及接口方式不同，目前尚无通用的接口芯片。

另外，利用系统中的现有资源设计图像采集电路，可以减少器件数量、缩小产品体积和降低系统成本。

所以，通常嵌入式系统中要求自行设计图像采集接口电路。

检测装置的图像采集部分的接口电路设计主要包括SCCB 控制接口和图像数据传输接口。

OV7640与LPC2210接口连接示意图如图2所示。

OV7640对工作寄存器的控制采用SCCB协议[3]。

SCCB 是一种简化的I 2C 协议，其接口包括SCCE 、SIO_D 和SIO_C 。

SCCE 是串行总线使能信号，OV7640芯片上没有该引脚。

SIO_D 是串行双向数据线，SIO_C 是串行时钟输入线，分别和I 2C 的SDA 和SCL 类似。

由于SCCB 和I 2C 存在一些差别，所以需要利用ARM 处理器的GPIO 来模拟SCCB 总线。

与SIO_C 连接的引脚P0.12始终设置为输出，而与SIO_D 连接的引脚P0.13要根据读或写寄存器的情况动态更改该引脚的输入/输出方式。

ARM 处理器对OV7640的寄存器配置采用三相写数据的方式，即处理器先发送OV7640的器件地址，然后发送目的寄存器地址，最后发送要写入的数据，完成一个寄存器的数据写入，重复上面的步骤可以实现不同地址寄存器的数据写入。

OV7640的器件地址是0x42，功能寄存器的地址为0x00～0x80。

通过对这些寄存图2 OV7640与LPC2210连接示意图器的修改，既可实现OV7640工作于不同模式的目的。

处理器和OV7640的数据接口包括8位数据口D0～D7以及一些同步信号VSYNC、HREF、PCLK。

OV7640的默认帧频是30HZ，在此帧频下图像数据输出速率为9.2Mbps，像素同步时钟信号PCLK的周期为0.08µs，远远超出了LPC2210的中断响应时间。

所以只能通过设置地址号为0x11的时钟频率控制寄存器CLKRC来降低PCLK的频率，可将其周期设为2µs。

当OV7640工作于主设备方式时，它的数据通道将连续不断地向总线上输数据，所以不能将数据线直接连接在LPC2210的D0～D7数据总线上，必须使用8位的三态缓冲器件74AHC373，使它不至于干扰数据总线。

2.3 外围电路模块检测装置的外围电路主要由位置传感器电路、显示电路、UART串行通信电路、按键电路和电机电路等部分组成。

位置传感器电路采用光电式近接传感器定位，用于检测产品是否处于待检测位置。

如果有产品等待检测，就给系统发出一个触发信号，通知系统开始检测工作。

UART通信电路主要包括接口和电平转换电路，用于实现与上位机通信，以便上位机统计检测结果，分析检测装置的工作状况，实现远程监控。

按键电路实现系统复位和工作模式的选择等功能。

电机电路由电机和控制电路组成，当系统检测出不合格产品时，电机控制一个开关来剔除不合格的产品。

各部分电路分工合作，实现系统整体的运作。

显示电路包括TFT液晶显示屏及其控制电路，用于产品图像、系统工作状态、检测结果等内容的显示。

液晶显示屏的分辨率为240×320，采用16位总线接口，以RGB565形式显示。

显示模块使用两个操作地址：指令地址和数据读写地址，其值分别为0x82000000和0x82000001，映射于处理器的bank2存储器组，可分别向显示模块发送控制命令或显示数据。

3．系统的软件结构为了使系统满足在线操作，在该系统的软件设计时，只有使用一个好的实时系统，才能保证这么多任务按时、有序、高效地完成，所以良好的实时性是系统的一个非常重要的指标。

如果采用传统的软件设计方法，不仅难以保证各个任务的实时运行，还会使代码变得繁复，加大维护的难度。

本系统采用嵌入式多任务实时操作系统µC/OS-Ⅱ，它是基于优先级的抢占式实时多任务内核，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间同步通信和内存管理等功能[4]。

采集、图像处理、电机控制、液晶显示、串行通信这6个任务，优先级分别由高到低排列。

每个任务都有休眠、就绪、中断、等待和运行5种状态，所有任务都在这5种状态之间进行实时切换，任何时刻只有一个任务处于运行状态。

各任务之间的运行顺序流程图如图3所示。

4．图像采集和处理4.1 图像数据还原OV7640采用8位数据输出方式。

当以RGB565的格式输出数据时，每一点输出的数据并不是完整的RGB 数据，每一行的奇数点输出的数据只包含5位R 数据和3位G 数据，而在偶数点输出的是3位G 数据和5位B 数据。

所以，每一点的RGB 数据需要根据本身的数据和它相邻点的数据来补偿获取，这样才能获得一幅完整的RGB 图像数据。

4.2 曝光自适应和白平衡处理本系统用于生产过程中的产品缺陷在线检测，需要对运动目标的图像内容进行处理。

要想获得高质量的图像数据，就需要处理好影响成像质量的曝光和白平衡这两个重要因素的控制。

当外界光线较弱时，CMOS 成像芯片的工作电流较小，所成图像偏暗，这时要适当增加曝光时间进行背光补偿；当光线充足或较强时，要适当减少曝光时间，防止曝光过度、图像发白。

但是要改善成像质量，仅靠调节曝光时间是不够的。

因为物体颜色会随照射光线的颜色发生改变，在不同的光线照射下图像有不同的色温，这就是白平衡问题。

对于CMOS 图像传感器，可以通过调整RGB 三基色的电子增益来解决白平衡问题。

本系统的自动曝光控制和白平衡处理的实现方法如下。

采集一幅RGB 原始图像，先计算出整幅图像的亮度均值Mt ；然后对图像做直方图均衡化处理[5]，再计算出此时图像的亮度均值作为用于判断的阈值Yt 。

将Mt 与Yt 进行比较，如果Mt <Yt ，则调大图像传感器的曝光控制寄存器的值以增加曝光时间；反之则减小曝光时间。

白平衡的调节与此相似，根据原始图像与均衡化后的Cr 和Cb 的均值，通过改变传感器的RCG(Red Color Gain)、BCG(Blue Color Gain)的值调节红色、蓝色通道的增益。