基于DSP+FPGA架构的在线棉结检测装置

棉结主要是棉纤维纠缠而成的纤维结，其形成原因分三大类：机械生产产生的棉结、棉籽造成的棉结、白星或者有色棉结。由于其体积微小极易被纱布所抱合和沾附，在整个纺织印染过程中成为难以除掉的疵点，较高含量的棉结将导致纱线中较高的棉结含量，并最终影响织物外观[1]，因此在棉花被纺成纱线或织成布前进行棉结检测是非常重要的。
目前，检测棉结所采用的方法主要有以下三种：一是靠人工筛选和统计不同类型棉结和异纤杂质点的数量，劳动强度高；二是使用机械或者离线仪器进行检测，即将棉条或纱线等取样到装置上进行检测，劳动强度高、实时性差、精确度低；三是配备在梳棉机上的在线检测棉结装置，该装置采用装有摄像机鉴别梳棉机上棉网中的棉结，精确地检测并在显示终端上及时反映出瞬间棉结杂质变化情况，并报告每单位（例如克）生条或纱线中棉结杂质颗粒数，降低了劳动强度、提高了实时性、安装位置灵活。
但是现有的在线棉结检测装置，尤其采用图像采集卡和计算机构成的图像测定装置 [2-5]，不仅结构上不够灵活，而且处理能力也受到计算机和计算机软件环境的限制，使用这种图像测定装置的在线棉结装置，整体上具有结构复杂、售价高、普及率低等缺点，不利于棉纺厂的成本控制。
1 棉结检测原理
中的波长。棉纤维的吸收系数很小，用光照射棉纤维（棉网）时，入射光将部分被纤维表面反射，部分折射透过纤维，部分被纤维吸收，被纤维吸收的那部分又有部分转换为纤维内能，另一部分以散射的形式散发出来，但是比例很小，这样，可以得出如下结论：
1 在棉网检测中，棉纤维在光源照射下主要以反射光为主；
2 对于机械生产产生的棉结，棉结纠缠的程度愈大反射光愈强；
3 如果是非棉纤维杂质，例如棉籽造成的棉结，反射光强很低；
4 白星或者有色棉结，都属于高绝缘、纸吸收系数物质，以反射为主。

综上所述，并结合棉结的反射特性，可知光强和面积构成了进行棉结识别的主要特征，本文即结合该特征来设计棉结检测算法程序。
2 检测装置结构设计
结合棉纤维的光电性质，为了突出棉纤维的图像质量，并保证能够很好地被摄像机采集，需要设计合理的光源系统和曝光控制电路。同时根据棉网中棉结或杂质特征（构成模式识别的主要特征）设计的检测算法实现选用了 DSP+FPGA的图像处理硬件架构 [7-9]。为了和现场的控制系统相兼容，添置与常用 PLC进行数据通讯的连接模块。整个系统的组成如下图1。
 

2.1 光源部分设计光源部分包括曝光控制器和面阵 LED灯板，曝光控制器接收到中央处理单元发出的指令后，控制面阵 LED灯板闪光(或面阵LED灯常亮而不用曝光控制器)。面阵 LED灯板采用漫射均匀照射（根据前面提出的几类棉结中的光反射和投射性质选择使用反射光或投射光）。

2.2 摄像机的选择摄像机可以选择面阵或线阵CCD，这两类 CCD接口中，例如模拟视频、Camera Link接口、Gigabi Ethernet 接口，在 DSP+FPGA架构中连接很方便。一般地，对于只需要对棉网进行采样监测的情况，可以选择性价比高的模拟面阵摄像机；对于需要实时检测棉网或者高速运动物体的疵点或杂质，甚至需要剔除的场合，就要选用线阵 CCD相机。
2.3 DSP+FPGA硬件架构的设计

本部分主要包括摄像机图像数据采集接口、光源曝光电路控制接口、PLC信号接口以及检测算法的设计。如果需要网络控制，还需要在该架构上设计网络接口。这些功能的实现主要依靠 DSP+FPGA硬件处理架构。
DSP+FPGA架构中 DSP芯片采用美国 TI公司的TMS320DM642，FPGA芯片采用ALERA公司的 EP1K100，EP1K100用来完成 DSP的初始化配置、系统的逻辑控制以及其它辅助计算。TMS320DM642系列 DSP基于 C64X内核，并以其在 600MHz时钟下运算速度可高达每秒 4800百万条指令（MIPS），占有对高速控制器和队列处理器数值性能的操作灵活性。该系列 DSP核处理器有64个32位字长的通用寄存器和8个独立的功能单元，8个功能单元的VelociTI.2扩展包括新的提高视频画面处理性能的指令和 VelociTI结构的并行处理机制的扩充。 DM642可以每周期处理 4个 32位的积之和运算，每秒即可有 2400百万积之和（MMACS）运算，或者是每周期 8个8位的积之和运算即每秒 4800百万积之和（MMACS）运算。同时 TMS320DM642使用两级基于缓存的结构，可以配置为映射存储区、缓冲区，或者两者的结合。以上所述特点，为检测算法的编程实现提供了有力保证。
TMS320DM642的外设部件包括：3个可配置的视频口；1个 10/100Mb/s以太网；1个数据输入输出管理模块；1个 VCXO内插控制接口（VIC）；1个多路音频串口（McASP0）；一个I2C总线模块；2个多通道缓冲串口；3个 32位的通用定时器；1个用户可配置的 16位或32位主机接口（HPI16/HPI32）；1个外围部件接口（PCI）；1个 16管脚的中断和事件产生模式可编程的通用 I/O口；1个 64位的无缝连接的外部存储器接口（EMIFA），可以连接同步或者异步的存储器和外设。对于模拟视频接口的相机提供了无缝接口，如果需要连接Camera Link接口的相机，可以扩展数字接口。
2.4 PLC接口设计
在工业现场，PLC装置通常采用 24VDC电压供电，而 DSP及FPGA供电电压都在 5VDC以内，为了和现场原有主机上的信号报警、信息显示终端及控制信号形成控制回路，必须设计PLC接口电路，使从DSP输出的信号经过信号转换后能与原有PLC装置相连。
3 数据分析结果
该装置加装在梳棉机上拍摄图2，图中左侧使用模拟面阵摄像机拍摄得棉网图片（择取图片中的部分，便于放大显示），右侧为检测到的棉结并且使用红色标记。