彩幸君，參皎波，S 亮，嗦眾立
(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010)
摘要：針對拉铘釘在線(xiàn)檢測設備在國內還是空白的現狀，利用機器視覺(jué)技術(shù)、嵌人式技術(shù)以及光源技術(shù)設計了一種用于拉铘釘多參 數高精度在線(xiàn)檢測的系統；系統以嵌人式微處理器S3C2440為核心，用非接觸測量方式，利用CMOS圖像傳感器OV3640對拉鉚釘的特 征信息進(jìn)行采集提取，完成了拉鉚釘生產(chǎn)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)高速高精度的檢測，檢測精度達到0.01mm,檢測速度為每分鐘1800件以上，解決 了拉锎釘在線(xiàn)自動(dòng)檢測這一行業(yè)難題。
關(guān)鍵詞：拉鉚釘；嵌人式;在線(xiàn)檢測；OV3640
Design of Pulling Rivets Precision Multi — parameter Online Testing System
Peng Zhangjun, Liao Xiaobo, Luo Liang, Li Zhongli
(College of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)
Abstract： As online testing equipment for the pulling rivets is blank, using machine vision technology, embedded technology，and light source technology to design high—precision multi—parameters online testing system which is used to puling rivet testing； System based on embedded microprocessor S3C2440, with non—contact measurement，using CMOS image sensor OV3640 to collect features of the pulling rivets and extract information，complete pulling rivet production line of high number of high—precision real-time detection, accuracy of detection is 0. 01mm* rate of detection more than 1800 per minute, solve the problems pulling rivets on-line automatic testing in the industry.
Key words： pulling rivets； ARM； online testing； OV364Q
0引言
目前，隨著(zhù)現代制造技術(shù)的不斷提高，工業(yè)產(chǎn)品極其零部 件的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測技術(shù)與裝備也日益顯得重要。拉鉚釘是結構 件冷連接新工藝的關(guān)鍵部件，拉鉚釘的質(zhì)量和尺寸參數有著(zhù)更 嚴格的要求。傳統的人工測量難以滿(mǎn)足大規模生產(chǎn)的需求，運 用機器視覺(jué)非接觸精密測量拉鉚釘的質(zhì)量和尺寸參數，是行業(yè) 的強烈希望[1]。運用機器視覺(jué)非接觸檢測且與生產(chǎn)線(xiàn)直接連接 的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測技術(shù)與裝備，幾乎是空白。本文所設計的基于 機器視覺(jué)的非接觸式拉鉚釘實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測系統能夠很好地解決 上述問(wèn)題。
1系統的組成與工作原理
根據拉鉚釘的生產(chǎn)要求，需要對拉鉚釘的10個(gè)幾何參數 進(jìn)行檢測，每分鐘測量40個(gè)以上的拉鉚釘[2]，也就是每個(gè)拉 鉚釘的所有參數都要求在1.5s內完成測量，并且還要做相應 的處理，普通測量方法不能滿(mǎn)足要求。本文采取測量和控制分 開(kāi)處理的設計方案，既能達到快速的要求又能滿(mǎn)足精度要求。 系統框圖如圖1所示。系統包括系統控制管理主機，高速通信 總線(xiàn)，3個(gè)智能視覺(jué)攝像機，同步信號發(fā)生器，執行機構以及 人機交互等。
系統的工作原理是系統控制管理主機通過(guò)執行機構控制 拉鉚釘逐個(gè)到達檢測位置，拉鉚釘進(jìn)人視覺(jué)區的最佳位置時(shí)， 同步信號發(fā)生器發(fā)出同步信號，系統控制主機檢測到該信號 時(shí)，向3個(gè)智能視覺(jué)攝像機發(fā)出同步采集信息。智能視覺(jué)攝像
收稿日期：2010-06 - 17;修回日期：2010-07 -25。
基金項目：四川省重點(diǎn)科研攻關(guān)項目（2009Z01 —004)。
作者簡(jiǎn)介：彭章君（1986 _)，男，四川峨眉山人，工學(xué)碩士，主人從事 嵌人式技術(shù)、自動(dòng)化控制系統等方向的研究。
圖1系統框圖
機收到同步采集信號后，立即采集當前拉鉚釘圖像信息，并對 圖像信息進(jìn)行處理和分析，得出當前拉鉚釘的各參數信息，并 將各參數信息通過(guò)髙速總線(xiàn)接口傳送到系統控制管理主機，主 機收集完所有參數后，根據預先設定的各參數檢驗合格標準， 通過(guò)控制機構自動(dòng)完成對拉鉚釘的在線(xiàn)篩選，并統計出檢測數 量、不合格數、合格率等檢測數據，對不合格產(chǎn)品進(jìn)行聲光報 警。每個(gè)拉鉚釘所有的信息都保存到SD卡里面，以便管理和 査尋。所有參數信息可以隨時(shí)打印出來(lái)。
2 系統硬件設計
2.1系統控制主機硬件設計
本文選用嵌人式微處理器S3C2440作為主機的核心處理 器。S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導體公司推出的 高性能、低功耗、高集成度并具有工業(yè)級溫度范圍和性能的微 處理器[3]。其內部集成SD卡，串口，主從USB, LCD控制器 等外設接口，最高工作頻率可達到533MHZ[4]。這樣使得主機 設計就夠簡(jiǎn)潔，方便小巧同時(shí)功能齊全。主機電路原理圖如圖
2所系。
圖2系統主機電路原理圖
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在系統控制管理主機中，高速串口通信總線(xiàn)是一個(gè)核心 技術(shù)點(diǎn)，智能視覺(jué)傳感器采集的圖像可以不經(jīng)過(guò)處理直接傳送 到集群系統控制管理主機，以便査看圖像效果。通信總線(xiàn)采用 高速串口通信，由于智能視覺(jué)攝像機處理器也是選用的 S3C2440，并且傳輸距離不遠，因此直接采用TTL電平傳送， 主機向智能攝像機發(fā)送命令數據以廣播的方式直接發(fā)送，每個(gè) 智能攝像機通過(guò)判斷地址來(lái)決定是否為命令。因此主機的串口 發(fā)送端直接與每個(gè)攝像機的串口接收線(xiàn)相連。主機在接收數據 時(shí)，需要分別單獨接收每個(gè)攝像機的數據，而且每個(gè)攝像機傳 送時(shí)要不受其它相機的影響，因此在硬件電路實(shí)現上需要一個(gè) 總線(xiàn)緩沖器來(lái)實(shí)現，電路原理圖如圖3所示。3個(gè)攝像機的串 口數據發(fā)送端分別接到74HC125的三路輸人端，3個(gè)通道對 應的輸出端接在一起，連到主機串口數據接收端，輸人端的選 通控制信號接到主機S3C2440的3個(gè)數字K)上，當需要接收 哪一路數據時(shí)就通過(guò)對應的IO來(lái)選通對應的通道，其他通道
TXDi
將外設頻率提高到200MHz，同時(shí)結合波特率配置寄存器，使 得S3C2440的串口的速率提高到115200 * 8bps,實(shí)現了主機 與智能視覺(jué)攝像機的高速串口總線(xiàn)通信。降低了系統的成本， 同時(shí)簡(jiǎn)化了系統軟件的設計。
2.2智能視覺(jué)攝像機硬件設計
利用普通的攝像機無(wú)法滿(mǎn)足拉鉚釘實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測的要求， 因此專(zhuān)門(mén)設計了用于拉鉚釘在線(xiàn)檢測的智能視覺(jué)攝像機。
智能視覺(jué)攝像機組成為：高像素的CMOS圖像傳感器+ ARM9處理器，以及智能軟件。本文選用的圖像傳感器為OV 公司300萬(wàn)像素的CMOS傳感器OV3640，像素陣列大小為 2048 * 1536，可輸出YUV422、RGB565等多種格式，并可通 過(guò)設置其內部寄存器來(lái)控制其曝光時(shí)間、白平衡、飽和度、增 益、伽馬校正等參數[5]。這樣就能夠充分保證測量精度 0.01mm的要求。在智能視覺(jué)攝像機的處理器上選用 ARM920T 內核的 S3C2440 處理器，S3C2440 集成了 camera 接口，可以直接快速驅動(dòng)和采集CMOS圖像傳感器OV3640 的圖像數據，帶有I2C接口，可以方便快速配置圖像傳感器的 配置寄存器[6]。S3C2440處理器的最高主頻可以達到533M， 具有很強的數據處理能力，方便快速實(shí)現圖像處理算法得到拉 鉚釘的參數。S3C2440與OV3440的接口電路如圖4所示。 S3C2440的IIC接口與OV3640的SCCB接口相連，以配置 OV3640參數，OV3640需要的3. 3V、1. 8V電源直接從 S3C2440供電芯片上取，2. 8V電源作為模擬電源，將3. 3V 串聯(lián)一個(gè)二極管即得到2.8V電源。OV3640的數據線(xiàn)和控制 線(xiàn)分別于S3C2440的
一般的串口傳送速率為115200bps，系統有時(shí)需要傳送圖 像數據以便調試校正攝像機，普通串口傳送速率太慢，因此本 文充分利用S3C2440處理器的內部時(shí)鐘調整設置模塊的特點(diǎn)，
2.3視覺(jué)傳感器與拉鉚釘的位置布局設計
為了保證各種型號拉鉚釘的參數檢測精度速度，采用多攝 像機集群的測量方式。構造了由多個(gè)智能視覺(jué)傳感器組合的集 群與被測對象拉鉚釘的特殊位置布局。位置示意圖如圖5
所示。
在圖5中當拉鉚釘達到檢測位置，由一隊可調節滑板
圖5視覺(jué)傳感器與拉鉚釘的位置布局設計示意圖
(5)支撐，智能同步信號發(fā)生器（4)向視覺(jué)傳感器集群系統 發(fā)同步信號。視覺(jué)傳感器（1)和（2)是安裝在帶支撐的導軌 精密位移臺上，根據檢測的拉鉚釘型號不同，調節位移臺，使 視覺(jué)傳感器（1)和（2)作上下移動(dòng)，方便視覺(jué)傳感器（1) 可以檢測不同型號拉鉚釘的牙廓工作高度和鉚釘下部公稱(chēng)直 徑，視覺(jué)傳感器（2)可以檢測不同型號拉鉚釘，如圖1所示 中部公稱(chēng)直徑，牙廓工作高度和牙型角；視覺(jué)傳感器（3)是 安裝在單軸傾斜臺上，根據檢測的拉鉚釘型號不同，調節傾斜 臺，使視覺(jué)傳感器（3)能觀(guān)測到不同型號的拉鉚釘螺帽直徑， 螺帽厚度，螺桿上下部長(cháng)度。其中視覺(jué)傳感器（3)比視覺(jué)傳 感器（1)和（2)的焦距要小，這樣視覺(jué)傳感器（3)的視野 更廣，有利于觀(guān)看不同型號拉鉚釘的全景。
3系統軟件設計
整個(gè)系統軟件包括系統控制管理主機的軟件和智能視覺(jué)攝 像機的軟件。由于選用的是相同的處理器，因此兩部分軟件的 開(kāi)發(fā)環(huán)境是相同的。
3.1系統控制管理主機的軟件
系統控制管理主機的軟件主要開(kāi)發(fā)的程序有：LCD驅動(dòng) 程序、SD卡驅動(dòng)程序、文件系統的移植、執行機構的控制程 序、打印機的驅動(dòng)程序，高速通信驅動(dòng)程序、同步信號檢測與 傳送程序以及參數數據判斷預處理程序。
主機程序流程圖如圖6所示。系統主機開(kāi)機，首先進(jìn)行系 統初始化，然后判斷是否進(jìn)人運行狀態(tài)，運行狀態(tài)進(jìn)行拉鉚釘 的檢測，調試狀態(tài)進(jìn)行系統的校正。
3.2智能控制攝像機的軟件
智能控制攝像機的軟件采用無(wú)操作系統的設計，這樣能 夠快速髙效地實(shí)現數據采集處理與傳送。軟件實(shí)現以下 功能：
(1)根據光環(huán)境與實(shí)際需求，配置好OV3640的配置寄存 器，讓其正常工作，以便采集清晰的圖像數據。
(2)接收同步信號，驅動(dòng)并采集OV3640傳感器的圖像信 息，通過(guò)配置S3C2440的camera接口，通過(guò)DMA將圖像數 據快速傳送到內存，以便算法處理。
(3)通過(guò)智能算法處理內存里面的圖像數據，得出每個(gè)拉 鉚釘的對應參數并通過(guò)髙速通信模塊傳送到控制管理主機。
程序流程圖如圖7所示。
圖像處理算法是智能攝像機軟件的核心，拉鉚釘的所有 參數由算法處理圖像數據得到。為了達到實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測，并沒(méi) 有采用復雜的圖像處理算法。采用的方式1 是，先將攝像機進(jìn)行 標定，攝像機和拉鉚釘的距離不變，調整攝像機視場(chǎng)使得 OV3640的2048個(gè)列像素對應實(shí)際的物理尺寸2mm，這樣每 個(gè)像素對應的物理尺寸就是約0. 009mm,拉鋼釘進(jìn)人視場(chǎng)， 采集一幅圖片，然后對圖片進(jìn)行二值化，由于拉鉚釘位于相機
圖7攝像機程序流程圖
和光源中間，因此圖像二值化后拉鉚釘對應的圖像為黑點(diǎn)，其 它的對于圖像的白點(diǎn)，統計出二值化圖像中每行的最大黑點(diǎn) 數，就得到了拉鉚釘的直徑，再統計出最小白點(diǎn)數，最大黑點(diǎn) 數減去最大白點(diǎn)詢(xún)、數據統計、分析預測、故障報警以及報表打印等功能，軟
件結構如圖4所示。
顯示 :報表打印1 1報鳘
A …*—
[ —:…1 「 ■—— 一
丨丨數： 管一__1 數據備份
1丨據丨 理 1 1
1 i統： 軟 1 ▼
1丨計 件-^ 1 1 歷史查詢(xún)
網(wǎng)絡(luò )接口
數據庫
'J I
圖4監控中心軟件結構
4測試結果分析
在面積為625平方公里某區域上布置5X5的監測節點(diǎn)， 對該區域地下水的動(dòng)態(tài)水位進(jìn)行監測和分析，監測井點(diǎn)垂直分 布在縱橫方向上，間距都為5公里。設置水位記錄周期為1小 時(shí)，測量精度能夠達到lcm，某一時(shí)刻采集到的數據見(jiàn)表1。
表1被監測區域水位數據
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A -20. 43 一 23. 54 一25. 67 -24. 45 -22. 33
B -21. 46 -39. 89 — 34. 10 — 32. 31 -25. 65
C —22. 83 一34.28 -45. 11 — 39. 90 -28. 24
D -21. 59 -32. 32 -38. 53 -38. 65 -24. 12
E —22. 62 一25.13 -26. 71 — 24.49 -22. 58
將表1數據轉化為直觀(guān)圖，如圖5所示。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現， 該區域在C3監測點(diǎn)區域的水位明顯低于周?chē)貐^，判斷該地 區存在地面沉降危險。還可以對歷史數據進(jìn)行分析，觀(guān)察其在 最近一段時(shí)間內該地區的水位動(dòng)態(tài)變化情況，通過(guò)建立水位與 時(shí)間模型，可以預測未來(lái)一段時(shí)間內的水位變化趨勢，以便控 制地下水的幵發(fā)，并采取必要的補救措施，避免地面沉降事故 發(fā)生。
圖5水位直觀(guān)圖
5結論
系統的監測節點(diǎn)利用太陽(yáng)能供電，環(huán)保無(wú)污染，配合使 用具有空閑和掉電兩種工作方式的低功耗嵌人式處理器
LPC2148，同時(shí)在軟件設計上采用定時(shí)供電的方法進(jìn)行數據采 集和傳輸，大大降低了系統的耗電量；在網(wǎng)絡(luò )傳輸方面選擇了 覆蓋范圍廣的GPRS網(wǎng)路，省去了復雜的網(wǎng)絡(luò )建設費用，實(shí)現 了多點(diǎn)分布式的無(wú)人值守監測。經(jīng)實(shí)驗表明，該系統工作穩定 可靠，通過(guò)大范圍、長(cháng)時(shí)間監測，能夠直觀(guān)了解地下水水位變 化和水源儲量分布情況，一旦出現地面沉降隱患，便于及早發(fā) 現并采取必要的補救措施，避免地面沉降事故發(fā)生。利用數據 庫資源，可以建立水位高度與時(shí)間模型，對地面沉降機理進(jìn)行 分析、預測地面沉降趨勢，為地質(zhì)結構分析提供數據支持。
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(上接第262頁(yè)）
5結論
拉鉚釘多參數高精度在線(xiàn)檢測系統，解決了拉鉚釘生產(chǎn)過(guò) 程中要求實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測工件的多種參數，自動(dòng)質(zhì)量控制的行業(yè) 性難題。系統在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)能夠實(shí)現多參數精準、髙速地實(shí) 時(shí)在線(xiàn)測量，并自動(dòng)完成對拉鉚釘的在線(xiàn)篩選，統計出檢測數 量、不合格數、合格率等檢測數據。檢測精度為0.01mm，檢 測速度為每分鐘1800件以上。提高了生產(chǎn)工人的工作效率， 降低了勞動(dòng)強度，也大大降低了生產(chǎn)成本。高速量化了拉鉚釘 技術(shù)指標，提升了企業(yè)競爭力。
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