基于FPGA的紙病檢測預處理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn).pdf

1、在造紙過程中由于設備磨損、生產(chǎn)原料或者環(huán)境污染等原因產(chǎn)生的紙病會嚴重影響紙張的質量。傳統(tǒng)的紙病檢測系統(tǒng)是利用高速計算機通過濾波、邊緣檢測和模式識別等復雜的圖像處理算法對紙病圖像進行識別分類，系統(tǒng)成本很高。本課題在陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（項目號：2012KTCQ01-19）的支持下，在深入分析紙病檢測原理的基礎上，圍繞紙張圖像的采集、預處理算法和數(shù)據(jù)傳輸展開了應用技術研究，針對紙病檢測實時性要求高、數(shù)據(jù)量大的特點，設計了一套基于F

2、PGA的紙病檢測預處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集到紙張圖像后，經(jīng)過預處理再傳送到上位機做進一步的識別分類，在不影響實時性的前提下使用普通計算機代替高速計算機，降低了生產(chǎn)成本。論文的主要工作可總結為以下5個方面：
　　1）基于FPGA的紙病檢測預處理系統(tǒng)方案的設計
　　在深入分析了基于機器視覺的紙病檢測原理后，確定了基于FPGA的紙病檢測預處理系統(tǒng)的方案。該方案通過Camera Link接口將相機采集到的紙張圖像緩存至存儲器中，經(jīng)過預處

3、理算法處理后再通過PCIe接口傳送至上位機。系統(tǒng)的核心為圖像采集處理卡，其在普通的圖像采集卡上增加了圖像處理的功能。
　　2）紙病檢測實驗平臺的設計
　　為了模擬在造紙廠現(xiàn)場檢測紙病的過程，設計了紙病檢測實驗平臺。該實驗平臺主要包括卷紙機構、相機光源安裝機構、光源和相機等，其中光源的設計和相機的選型是平臺設計的關鍵重點。
　　3）圖像采集處理卡硬件電路的設計
　　由于現(xiàn)有的圖像采集卡知識產(chǎn)權保護的原因，無法進行二

4、次開發(fā)，因此在深入研究了CCD線陣相機的內部結構后，設計了圖像采集處理卡的硬件電路。圖像采集處理卡主要電路包括FPGA外圍電路、Camera Link接口電路、PCIe金手指電路和存儲器的外圍電路。Camera Link接口與FPGA之間使用接收器DS90CR288A、驅動器DS90LV047和收發(fā)器DS90LV019作為信號轉換芯片。該卡與相機通過MDR26連接器連接，可直接插在計算機的PCIe插槽上使用。
　　4）FPGA內各

5、模塊的HDL實現(xiàn)
　　FPGA同時具備了硬件的并行性及軟件的靈活性，其可通過配置各個接口從而控制相機、存儲器等外部設備，同時還可并行預處理紙張圖像數(shù)據(jù)。在FPGA設計過程中采用自頂向下的設計模式，將整個系統(tǒng)分為圖像采集模塊、存儲器接口模塊、PCIe總線接口模塊和紙病圖像預處理模塊。圖像采集模塊通過Camera Link控制相機的工作模式采集紙張圖像數(shù)據(jù)；存儲器接口模塊設計了兩塊RAM匹配DDR2 SDRAM的傳輸速率；在PCIe總

6、線接口模塊中實現(xiàn)了內存讀寫和高速DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸模式；在DSP Builder環(huán)境下完成了中值濾波、邊緣檢測算法的建模，并將模型轉換為HDL語言。
　　5）圖像采集與預處理模塊的仿真及實驗系統(tǒng)的測試
　　為了驗證FPGA內圖像采集模塊和紙病預處理算法的正確性，在Modelsim軟件中對圖像采集模塊進行了功能仿真，在Simulink環(huán)境下對預處理算法進行了硬件在環(huán)測試，其結果表明設計正確。在紙病檢測實驗平臺上測試紙病檢測預處

7、理系統(tǒng)，當電機轉速為80r/min，紙機速度約為25cm/s，計算出相機的線速度頻率約為2000 Hz，當相機頻率調為2000 Hz時，相機拍到了與實際相符的照片，當相機頻率調為其他頻率時，拍到的照片失真，表明該系統(tǒng)達到了預期目標。
　　本文設計的基于FPGA的紙病檢測預處理系統(tǒng)將采集到的紙張圖像進行中值濾波、邊緣檢測預處理后傳送給了上位機，減小了上位機的計算量，并降低了上位機算法的復雜性，因此上位機可由普通計算機代替高速計算機，