基于机器视觉的烟支检测系统的设计

摘 要： 针对卷烟包装线上出现的空头和缺支问题，提出了一种基于机器视觉技术的烟支在线检测系统软硬件设计，给出了关键的电路原理图及软件流程，并对实际测试中的一些问题进行了分析。系统利用OV7620及FIFO缓存技术实现了图像的实时采集，并采用数字图像处理的方法对烟支图像进行分析，实现了空头及缺支的自动检测。
关键词： 机器视觉；烟支检测；OV7620

空头和缺支是卷烟包装中常见的生产缺陷。所谓空头即烟支中烟丝不饱满，在顶部形成空凹，国标GB/T22838中对烟支空头的界定是烟丝表面空凹大于1mm即为空头。缺支是指在烟支包装过程中，烟支的装入量小于规定烟包的数量。
空头和缺支都属于生产质量问题，应在包装检验的过程中加以剔除。目前，烟厂大多采用机械式、红外光电检测式的自动检测系统，这些系统结构大多非常复杂，系统维护成本及故障率较高。
本文提出了一种基于机器视觉的烟支质量检测系统的设计。系统利用CMOS数字摄像头及ARM控制器构成图像采集系统，实现了包装线上烟包实时监控、质量判定及剔除功能。
1 系统结构
系统结构框图如图1所示，系统以LPC2368为主控制器。LPC2368为NXP公司推出的基于ARM7TDMI内核的微控制器，其内部集成了58 KB RAM及512 KB ROM、USB2.0控制器、高速AD/DA转换器等，并有丰富的I/O管脚，完全可以满足系统中数字图像采集、处理以及判定算法的需求。

实际应用包含空头和缺支检测两套系统，系统硬件结构完全一样，分置于生产流水线的两侧。检测摄像头采用的是CMOS数字摄像头OV7620，控制器通过逻辑电路控制摄像头的采集操作，并读取图像信息；光电传感器采用Autonics的BF3R型光纤放大器，当烟支包装盒进入检测区域时，光纤放大器输出低电平，系统开始图像采集；系统中还包含有一个超高亮度的LED作为图像采集补充光源，控制器通过驱动电路控制LED的亮灭；键盘及液晶构成了人机界面，操作员可以根据实际环境及产品要求设定检测参数等；LPC2368中集成了USB控制器，系统中还包含了USB通信接口，与软件配合可以将数据传输给上位机处理。
2 图像采集电路设计
OV7620是一种高集成度、高分辨率的CMOS数字图像传感器，内部集成了感光单元和A/D转换器件。由于OV7620采集的图像数据量较大，标准的320×240图片每帧数据为7.68 KB，而且每输出1个像素点仅37 ns。如将OV7620与控制器直接相连，对控制器的要求极高，LPC2368无法满足速度要求。
因此，检测系统中利用了FIFO图像缓存技术，利用FIFO存储器AL422B作为图像数据缓存，将OV7620采集的数据通过时序转换存储到AL422B中，然后通过微控制器读取缓存图像数据。图像采集连接电路如图2所示，其输出时序如图3所示。其中，VSYNC、HREF及PCLK分别为OV7620的垂直同步信号、水平同步信号及像素同步信号。

OV7620在两个VSYN脉冲之间输出一帧图像，图像像素点按行输出，每输出一个PCLK脉冲，即输出一点数据；在一行数据输出期间，HREF保持高电平。OV7620的SCL、SDA为SCCB总线，用于对外部控制器对OV7620内部寄存器进行设置，以实现对OV7620初始化。
图像采集电路工作原理如下：系统上电后，LPC2368通过P0.21、P0.22模拟SCCB总线时序对OV7620进行设置，并初始化74HC74状态。当包装线上烟包进入检测区域时，系统光电开关输出有效电平信号，LPC2368置P0.20为低电平。VSYN出现一个跳变时，D触发器输出Q变为低电平，并保持到下一个VSYN脉冲信号。当OV7620输出行数据时，HREF变为高电平，此时74HC11-1的输出变为高电平，经过反相器74HC04-3后变为低电平，同时AL422B的写信号WE及LPC2368的EINT0也变为低电平，AL422B进入写数据模式，并且触发LPC2368外部中断。
AL422B写脉冲控制信号WCK与OV7620的PCLK连接，当WE为低电平时，PCLK每输出一个脉冲，AL422B就写入一个行像素数据；写完一行数据后，HREF变为低电平，74HC04-3输出变为高电平，AL422B禁止写入，直到HREF再次变为高电平。在中断程序中，LPC2368将P0.20拉高，当产生第二个VSYN脉冲时，D触发器的Q端变为高电平，此时74HC11-2输出及LPC2368的P0.19变为高电平，表示一帧图像采集完成，控制器可以开始读取缓存中的图像数据。

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