0 引言

    帶式輸送機(jī)是現(xiàn)代化生產(chǎn)中一種連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備,，具有運(yùn)量大,、運(yùn)距遠(yuǎn)、運(yùn)費(fèi)低,、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn),，已廣泛應(yīng)用于煤炭、礦山,、港口和電力等領(lǐng)域,。輸送帶是帶式輸送機(jī)牽引和運(yùn)載的關(guān)鍵部件，在使用中由于跑偏,、廢鋼鐵或矸石等異物刺傷等原因會(huì)產(chǎn)生縱向撕裂故障^[1],。縱向撕裂故障常常由于得不到及時(shí)監(jiān)測(cè)和處理造成帶式輸送機(jī)損壞,、人員傷亡等安全事故,，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，因此是需要重點(diǎn)防治的故障,。

    傳統(tǒng)的縱向撕裂故障檢測(cè)方法,，如通過壓力、紅外,、電磁等傳感器檢測(cè)輸送帶的物料泄露和鋼絲繩或橡膠脫落狀態(tài)等,，存在可靠性差,、易損壞、不能主動(dòng)預(yù)警等缺點(diǎn)^[2],。機(jī)器視覺技術(shù)能從客觀事物的圖像中提取信息,，對(duì)事物表面狀況進(jìn)行檢測(cè)、處理和分析,，具有較高的檢測(cè)效率和精度,。項(xiàng)目組前期提出了一種基于單路線陣CCD相機(jī)和線形LED光源的礦用輸送帶表面故障在線監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了輸送帶表面故障的在線監(jiān)測(cè)^[3],。但由于在礦用輸送帶表面故障在線監(jiān)測(cè)中相機(jī)的工作距離短,、要求視場(chǎng)大、輸送帶的橫截面為弧形等原因,，利用單路線陣CCD相機(jī)難以達(dá)到輸送帶檢測(cè)寬度的要求,，且線陣CCD相機(jī)和線陣LED光源方位調(diào)整困難。

    本文提出了一種多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸送帶表面圖像的采集,、處理和傳輸，以及縱向撕裂故障的檢測(cè),。在此基礎(chǔ)上,，提出了一種圖像采集處理器的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了圖像采集處理器的硬件和軟件,，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多路線陣CCD相機(jī)的控制和多視點(diǎn)圖像采集,、處理和傳輸，可用于多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè),，避免縱向撕裂安全事故的發(fā)生。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

    多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由線陣LED光源,、線陣CCD相機(jī),、圖像采集處理器、以太網(wǎng)及上位機(jī)等組成,，其組成框圖如圖1所示,。

    系統(tǒng)上電后，高亮度的線形LED光源照射在輸送帶表面時(shí)產(chǎn)生漫反射光,，在輸送帶運(yùn)動(dòng)垂直方向組成線型陣列的多路線陣CCD相機(jī)采集漫反射光,，完成輸送帶圖像的采集。多路線陣CCD相機(jī)能有效地提高輸送帶的檢測(cè)寬度,，降低線陣CCD相機(jī)與線陣LED光源方位調(diào)整的難度,。圖像采集處理器利用GigE Vision協(xié)議控制多路線陣CCD相機(jī)采集圖像并對(duì)圖像進(jìn)行處理、傳輸。以太網(wǎng)用于該多視點(diǎn)縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部通信并為其接入輸送帶綜合保護(hù)系統(tǒng)提供接口,。上位機(jī)為工作人員與該縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)交互通信提供一個(gè)友好界面,。

1.2 圖像采集處理器的設(shè)計(jì)方案

    圖像采集處理器由交換電路、以太網(wǎng)接口電路和處理器電路等組成,，其組成框圖如圖2所示,。其中，處理器電路由主處理器,、Flash電路,、DDR3電路、JTAG電路,、復(fù)位電路,、電源電路等組成。

    交換電路將圖像采集處理器的以太網(wǎng)接口與前端多路線陣CCD相機(jī)相連,，實(shí)現(xiàn)多端通信中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā),。以太網(wǎng)接口電路連接DSP內(nèi)嵌的MAC層控制接口與外部以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)DSP與外部設(shè)備的通信,。選用TI公司的TMS320C6678芯片作為圖像采集處理器的主處理器芯片,，該處理器芯片是一款基于TI的KeyStone I架構(gòu)的高性能8核DSP芯片，單核主頻最高達(dá)1.4 GHz,，同時(shí)支持定,、浮點(diǎn)運(yùn)算，片上資源豐富,，非常適用于雷達(dá)檢測(cè),、實(shí)時(shí)信號(hào)處理,、圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用^[4],。

2 圖像采集處理器硬件設(shè)計(jì)

2.1 交換電路設(shè)計(jì)

    本文采用高性能8端口千兆以太網(wǎng)交換機(jī)芯片RTL8370設(shè)計(jì)了交換電路，RTL8370集成了高速交換機(jī)系統(tǒng)的所有功能,，包括內(nèi)存管理,、查找表建立、流量控制等,，在構(gòu)成交換電路時(shí)只有25 MHz的晶振是必須的,。該交換電路提供了8個(gè)10/100/1 000 Mb/s自適應(yīng)端口，用于連接多路線陣CCD相機(jī)和圖像采集處理器的以太網(wǎng)接口電路,。

2.2 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

    為適應(yīng)多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量處理的需求,，本文在該圖像采集處理器的傳輸層均采用千兆以太網(wǎng)通信。DSP通過千兆以太網(wǎng)接口控制多路線陣CCD相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)并將最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳到上位機(jī),。以太網(wǎng)接口硬件電路連接如圖3所示,。

    TMS320C6678芯片內(nèi)嵌兩個(gè)以太網(wǎng)MAC層控制器，可以自適應(yīng)10/100/1 000 Mb/s網(wǎng)絡(luò),，但是未提供物理層功能,。本文將Marvell Alaska 88E1111作為千兆以太網(wǎng)物理層芯片,，外接25 MHz晶振，并通過串行千兆以太網(wǎng)媒體獨(dú)立接口(SGMII)與TMS320C6678相連,。同時(shí),，采用RJ45作為連接88E1111的千兆以太網(wǎng)物理層接口，在RJ45連接頭內(nèi)部已包含了耦合線圈,，因此不必另接網(wǎng)絡(luò)變壓器,，使用普通的直連網(wǎng)線即可連接至以太網(wǎng)設(shè)備。

2.3 處理器電路設(shè)計(jì)

    輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性要求帶來了大數(shù)據(jù)量傳輸和處理的問題,，因此,，本文選用TI公司的TMS320C6678芯片作為處理器電路的主處理器，并通過SPI接口掛接了一片16 MB工業(yè)級(jí)NOR Flash以存儲(chǔ)需固化的用戶程序,，DDR3-1600接口擴(kuò)展外部?jī)?nèi)存,。選用TI的TPS54286PWP電源管理芯片設(shè)計(jì)了圖像采集處理器的電源電路，通過將系統(tǒng)供電電壓降壓濾波,，為系統(tǒng)提供了12 V,、1.2 V、3.3 V,、1.8 V等多路電源,。設(shè)計(jì)了14 pin的TI JTAG標(biāo)準(zhǔn)電路，用于用戶程序的仿真及固化,。設(shè)計(jì)了復(fù)位電路,，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多種復(fù)位方式。

3 圖像采集處理器軟件設(shè)計(jì)

    在TI公司集成開發(fā)平臺(tái)CCS上,，采用多核雙鏡像結(jié)構(gòu)完成圖像采集處理器的軟件設(shè)計(jì),，主核軟件流程圖如圖4所示。在DSP嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) SYS/BIOS的基礎(chǔ)上,，結(jié)合TI網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件NDK實(shí)現(xiàn)了圖像采集處理器傳輸層的邏輯連接^[5],。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了GigE Vision應(yīng)用層協(xié)議,，并構(gòu)造循環(huán)緩存結(jié)構(gòu)以高效利用系統(tǒng)內(nèi)存,。利用IPC組件實(shí)現(xiàn)了DSP的多核并行調(diào)度，并采用乒乓操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行存取,，極大提高了該圖像采集處理器的運(yùn)算能力,。

3.1 GigE Vision協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

    為簡(jiǎn)化GigE Vision協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，首先將線陣CCD相機(jī)設(shè)為靜態(tài)IP工作模式,，并設(shè)置靜態(tài)IP與圖像采集處理器IP位于同一網(wǎng)段,。其次，配置控制通道及流控制通道。由于GigE Vision協(xié)議在傳輸層使用UDP協(xié)議,，數(shù)據(jù)傳輸中存在丟包風(fēng)險(xiǎn),，GigE Vision協(xié)議在應(yīng)用層增加了心跳超時(shí)機(jī)制以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＜礊楸３挚刂仆ǖ赖挠行нB接,，需要在數(shù)據(jù)接收過程中通過控制通道向線陣CCD相機(jī)定時(shí)發(fā)送心跳包,。

    GigE Vision協(xié)議規(guī)定圖像數(shù)據(jù)通過流控制協(xié)議GVSP傳輸。GVSP協(xié)議包括頭幀,、負(fù)載幀,、尾幀3種幀結(jié)構(gòu)類型。圖像數(shù)據(jù)包含在負(fù)載幀內(nèi),，起始位置為負(fù)載幀的第9個(gè)字節(jié),。本文將接收到的圖像存入循環(huán)緩存區(qū)內(nèi)，并使用隊(duì)列管理循環(huán)緩存區(qū),，以高效利用圖像采集處理器的內(nèi)存空間,。

3.2 多核調(diào)度

    為有效利用TMS320C6678的多核資源，進(jìn)一步提高圖像采集處理器的運(yùn)算能力,，本文基于SYS/BIOS系統(tǒng)的IPC組件實(shí)現(xiàn)了多核調(diào)度^[6],。將core0作為主核與外界交互通信，core7作為引導(dǎo)核引導(dǎo)從核進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。在core0采集數(shù)據(jù)后,，產(chǎn)生IPC中斷將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至core7。core7作為引導(dǎo)核對(duì)圖像數(shù)據(jù)分片并啟動(dòng)core1～7多核并行處理圖像,，處理完成后,，core7產(chǎn)生IPC中斷，將處理結(jié)果發(fā)送到core0,。最后,，由core0將處理結(jié)果上傳到上位機(jī)。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

    多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的圖像采集處理器測(cè)試系統(tǒng)由線陣LED光源,、多路線陣CCD相機(jī),、圖像采集處理器,、奧特梅爾機(jī)器視覺演示架SW-TB-600C及PC等組成,。測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)比了該圖像采集處理器和線陣CCD相機(jī)廠家的Windows上位機(jī)在相同測(cè)試條件下的傳輸速率、丟包情況,、圖片質(zhì)量,。圖片質(zhì)量客觀上由峰值信噪比(Peak Signal to Noise Rate，PSNR)來評(píng)價(jià),，并將相同條件下上位機(jī)采集的圖像作為原始圖像,，采集處理器采集的圖像作為待評(píng)價(jià)的圖像。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了不同圖像分辨率，每種分辨率下測(cè)量20組數(shù)據(jù),，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的測(cè)試條件下,，采集處理器具有約兩倍于Windows上位機(jī)軟件的傳輸速率,，而且相對(duì)于上位機(jī)采集的圖片，圖像采集處理器采集的圖片的峰值信噪比均大于85 dB,，圖片信息失真小,。圖像采集器采集的分辨率為2 048×1 024的圖像如圖5所示。

    圖5所示圖片的細(xì)節(jié)豐富,，單路線陣CCD相機(jī)的視場(chǎng)達(dá)120 cm,，能極大滿足縱向撕裂在線監(jiān)測(cè)算法對(duì)圖像的分辨率及尺寸要求，為多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性提供了有力保障,。

5 結(jié)論

    本文提出了一種多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其圖像采集處理器的設(shè)計(jì)方案,，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多路線陣CCD相機(jī)采集輸送帶表面圖像的控制，并將采集的圖像進(jìn)行處理和傳輸,。以TMS320C6678為核心設(shè)計(jì)了圖像采集處理器的硬件電路,，并在TI公司集成開發(fā)平臺(tái)CCS上設(shè)計(jì)了圖像采集處理器的軟件。實(shí)驗(yàn)表明,，該圖像采集處理器具有數(shù)據(jù)傳輸速率快,、采集圖像質(zhì)量高、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，在多視點(diǎn)輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值,。

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