0 引 言

　　System-on-a-Programmable-Chip，即可編程片上系統(tǒng)。 用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

　　目前，市場(chǎng)上幾乎所有的飲料瓶都是采用PET（環(huán)保塑膠）切片來注塑加工成型的。在進(jìn)行灌裝的工序時(shí)，高速旋蓋子系統(tǒng)中PET瓶會(huì)出現(xiàn)蓋擰松、高蓋和歪蓋等情況；這些情況中輕微的會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀不美觀，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致飲料內(nèi)部質(zhì)量發(fā)生變化。所以為了減少不合格品的數(shù)量，需要增加必要的檢測(cè)工序。

　　傳統(tǒng)的方法是在計(jì)算機(jī)中利用軟件實(shí)現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)，這是一個(gè)相對(duì)耗時(shí)的過程，而且對(duì)于處理速度要求很高的檢測(cè)系統(tǒng)來說，用這種方法也會(huì)逐漸不能滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的高速生產(chǎn)節(jié)拍要求，給視覺檢測(cè)實(shí)現(xiàn)100 %在線檢測(cè)方面帶來了局限性。目前并行處理是解決系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問題的有效方法。

l 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)采用FPGA芯片EP2C35F6726C，利用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)能檢測(cè)PET瓶缺陷的系統(tǒng)。即針對(duì)PET瓶灌裝后高蓋、歪蓋等缺陷情況進(jìn)行快速檢測(cè)判別，以確定并報(bào)警剔除不合格產(chǎn)品。系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、FPGA圖像處理模塊、圖像顯示模塊和判別模塊四部分組成。系統(tǒng)硬件平臺(tái)如圖1所示。

　　在生產(chǎn)線上待檢測(cè)產(chǎn)品經(jīng)過傳送帶輸送到達(dá)指定位置時(shí)，光電傳感器產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，傳送帶停止一段時(shí)間，系統(tǒng)開始進(jìn)行PET瓶缺陷檢測(cè)。按下按鍵后由圖像采集模塊（TRDB-DC2）采集圖像數(shù)據(jù)，通過硬件器件，將數(shù)據(jù)RAW轉(zhuǎn)換成RGB格式，再進(jìn)行圖像預(yù)處理，并在SDRAM中保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以利于進(jìn)行后期圖像處理，同時(shí)也可以通過操作相應(yīng)按鍵在VGA上實(shí)時(shí)顯示出該圖像。整個(gè)設(shè)計(jì)采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，在SOPC Builder中搭建系統(tǒng)硬件模塊。將所需的各功能模塊通過Avalon總線集成。SOPC Builder具有強(qiáng)大的系統(tǒng)集成特性，充分利用現(xiàn)有的IP，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，進(jìn)而基于硬件完成系統(tǒng)中各模塊的軟件設(shè)計(jì)，集合成系統(tǒng)，如圖3所示。

　　在各模塊中主要介紹以下幾個(gè)模塊：

　?。?）圖像采集模塊。圖像采集采用的是TRDB-DC2模塊。該模塊由1片高像素的CMOS圖像傳感芯片和1個(gè)聚焦鏡頭組成。圖像采集通過CMOS Sen-sor采集圖像后，再由I2C總線對(duì)圖像傳感器進(jìn)行配置，然后再根據(jù)圖像傳感器的時(shí)序特性來讀取采集到的圖像點(diǎn)陣。SDRAM控制器采用雙口SDRAM控制方法。圖像處理部分也可以從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)來處理。其硬件模塊如圖4所示。

　?。?）圖像預(yù)處理模塊。從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)，采用硬件語(yǔ)言對(duì)圖像預(yù)處理實(shí)現(xiàn)圖像的灰度變化、閾值分割和二值化處理。其硬件模塊圖如圖5所示。

　　（3）VGA硬件模塊。VGA控制器外接一個(gè)存儲(chǔ)器，以保存當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)?？刂破鞲鶕?jù)不同時(shí)刻在VGA上顯示的像素位置，計(jì)算出存儲(chǔ)器中當(dāng)前數(shù)據(jù)存放的地址，并輸出存儲(chǔ)器地址（oAddress信號(hào)）。外接存儲(chǔ)器控制器從該地址中讀取數(shù)據(jù)，返回給VGA控制器（iRed，iGreen，iBlue）。 VGA控制器將顯示數(shù)據(jù)輸出到D／A轉(zhuǎn)換器上。依據(jù)其水平與垂直時(shí)序設(shè)計(jì)的VGA控制器如圖6所示。通過VGA controller器件，可以實(shí)時(shí)將圖像直接顯示在VGA上。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)配置完成后，攝像頭獲取圖像，送人SDRAM存儲(chǔ)器，每幀圖像經(jīng)轉(zhuǎn)換生成圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入預(yù)處理模塊進(jìn)行灰度變化、閾值分割、二值化和邊緣跟蹤，使用硬件語(yǔ)言進(jìn)行處理和結(jié)合NIOSⅡ處理器進(jìn)行圖像的先后續(xù)處理和控制，處理后的圖像經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)軟件總流程圖如圖7所示。

2.2 圖像后處理算法的設(shè)計(jì)

2.2.1 NIOS中使用C++實(shí)現(xiàn)圖像檢測(cè)判斷準(zhǔn)則

　?。?）求取瓶蓋上邊緣到基準(zhǔn)線的距離，先與標(biāo)準(zhǔn)瓶蓋的上邊緣到基準(zhǔn)線的標(biāo)準(zhǔn)距離比較，判斷瓶蓋旋封是否合格，大于標(biāo)準(zhǔn)距離，認(rèn)為瓶子不合格，剔除瓶子。

　　（2）通過左邊緣直線、右邊緣直線分別和基準(zhǔn)線、上邊緣的直線之間的夾角來判斷瓶蓋旋封是否合格，如果4個(gè)夾角都在（90°－δ）內(nèi)（δ為一個(gè)允許的誤差，取一個(gè)很小的角度），認(rèn)為瓶子合格，否則瓶子不合格，剔除。

2.2.2 設(shè)計(jì)步驟

　?。?）采集經(jīng)過適當(dāng)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)后，首先找出瓶蓋和瓶身的分割線，該分割線位于瓶頸區(qū)域，通過分割線，確定瓶蓋所在區(qū)域，縮小了后面圖像的識(shí)別范圍，如圖8所示。

　　（2）在PET瓶的瓶頸和瓶蓋部分有一個(gè)天然的分隔區(qū)域，在該分區(qū)區(qū)域內(nèi)能找出一條距離長(zhǎng)的線段，規(guī)定該線段作為基準(zhǔn)線，并求出該基準(zhǔn)線與水平方向的夾角，如圖8中所示。

　　（3）求取瓶蓋上邊緣上的點(diǎn)到基準(zhǔn)線的距離，找出上邊緣到基準(zhǔn)線距離的點(diǎn)，并求出該距離d，然后根據(jù)條判斷準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。

　?。?）分別提取出瓶蓋左邊緣、右邊緣和上邊緣上的點(diǎn)，接著采用Hough直線變換去除干擾點(diǎn)；然后用二乘法線性擬合出3條，并求出其與水平方向的夾角。

　?。?）利用已求出的4條直線與水平方向的夾角，可以求出左邊緣確定的直線（右邊緣確定的直線）與基準(zhǔn)線之間的夾角；左邊緣確定的直線（右邊緣確定的直線）與上邊緣確定的直線之間的夾角一共有4個(gè)角，然后根據(jù)第二條判斷準(zhǔn)則判斷瓶子是否合格，流程圖如圖9所示。

3 結(jié) 果

　　由系統(tǒng)檢測(cè)在VGA上顯示的背光光源效果、邊緣跟蹤效果圖分別如圖10和圖11所示。

　　圖12和圖13為歪蓋情況經(jīng)二值化后的效果圖與以準(zhǔn)則識(shí)別的功能圖。

　　由PC機(jī)處理的PET瓶缺陷檢測(cè)，在灌裝線上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，一般情況約為2～3瓶／s。經(jīng)采用基于FPGA芯片的SOPC方法處理實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度可達(dá)約90 ms處理完一瓶的圖像，且檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99％以上。不僅滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，也達(dá)到生產(chǎn)線速度性能指標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

　　介紹系統(tǒng)各模塊的功能和設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)的邏輯需求自制相應(yīng)的IP，如攝像頭驅(qū)動(dòng) CCD_Controller，SDRAM Controller，VGA controller，以及對(duì)外連接的PIO組件，如按鍵Key_pio和sw_pio等組成系統(tǒng)硬件的構(gòu)建，再由計(jì)算機(jī)生成硬件系統(tǒng)。在構(gòu)建的硬件系統(tǒng)上建立軟件設(shè)計(jì)，并針對(duì)元器件在NIOSⅡ中的圖像處理程序設(shè)計(jì)，闡述基于SOPC在圖像處理方面的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際應(yīng)用證明了FPGA在圖像處理的可行性及在處理速度上的優(yōu)勢(shì)。