本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：在造紙過程中由于設(shè)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(huì)嚴(yán)重影響紙張的質(zhì)量。傳統(tǒng)的紙病檢測(cè)系統(tǒng)是利用高速計(jì)算機(jī)通過濾波、邊緣檢測(cè)和模式識(shí)別等復(fù)雜的圖像處理算法對(duì)紙病圖像進(jìn)行識(shí)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(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào):2012KTCQ01-19)的支持下,在深入分析紙病檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上,圍繞紙張圖像的采集、預(yù)處理算法和數(shù)據(jù)傳輸展開了應(yīng)用技術(shù)研究,針對(duì)紙病檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集到紙張圖像后,經(jīng)過預(yù)處理再傳送到上位機(jī)做進(jìn)一步的識(shí)別分類,在不影響實(shí)時(shí)性的前提下使用普通計(jì)算機(jī)代替高速計(jì)算機(jī),降低了生產(chǎn)成本。論文的主要工作可總結(jié)為以下5個(gè)方面:1)基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)在深入分析了基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)原理后,確定了基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)的方案。該方案通過Camera Link接口將相機(jī)采集到的紙張圖像緩存至存儲(chǔ)器中,經(jīng)過預(yù)處理算法處理后再通過PCIe接口傳送至上位機(jī)。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(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)為了模擬在造紙廠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)紙病的過程,設(shè)計(jì)了紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括卷紙機(jī)構(gòu)、相機(jī)光源安裝機(jī)構(gòu)、光源和相機(jī)等,其中光源的設(shè)計(jì)和相機(jī)的選型是平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵重點(diǎn)。3)圖像采集處理卡硬件電路的設(shè)計(jì)由于現(xiàn)有的圖像采集卡知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的原因,無法進(jìn)行二次開發(fā),因此在深入研究了CCD線陣相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后,設(shè)計(jì)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(chǔ)器的外圍電路。Camera Link接口與FPGA之間使用接收器DS90CR288A、驅(qū)動(dòng)器DS90LV047和收發(fā)器DS90LV019作為信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片。該卡與相機(jī)通過MDR26連接器連接,可直接插在計(jì)算機(jī)的PCIe插槽上使用。4)FPGA內(nèi)各模塊的HDL實(shí)現(xiàn)FPGA同時(shí)具備了硬件的并行性及軟件的靈活性,其可通過配置各個(gè)接口從而控制相機(jī)、存儲(chǔ)器等外部設(shè)備,同時(shí)還可并行預(yù)處理紙張圖像數(shù)據(jù)。在FPGA設(shè)計(jì)過程中采用自頂向下的設(shè)計(jì)模式,將整個(gè)系統(tǒng)分為圖像采集模塊、存儲(chǔ)器接口模塊、PCIe總線接口模塊和紙病圖像預(yù)處理模塊。圖像采集模塊通過Camera Link控制相機(jī)的工作模式采集紙張圖像數(shù)據(jù);存儲(chǔ)器接口模塊設(shè)計(jì)了兩塊RAM匹配DDR2 SDRAM的傳輸速率;在PCIe總線接口模塊中實(shí)現(xiàn)了內(nèi)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(cè)算法的建模,并將模型轉(zhuǎn)換為HDL語言。5)圖像采集與預(yù)處理模塊的仿真及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試為了驗(yàn)證FPGA內(nèi)圖像采集模塊和紙病預(yù)處理算法的正確性,在Modelsim軟件中對(duì)圖像采集模塊進(jìn)行了功能仿真,在Simulink環(huán)境下對(duì)預(yù)處理算法進(jìn)行了硬件在環(huán)測(cè)試,其結(jié)果表明設(shè)計(jì)正確。在紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)試紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng),當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為80r/min,紙機(jī)速度約為25cm/s,計(jì)算出相機(jī)的線速度頻率約為2000 Hz,當(dāng)相機(jī)頻率調(diào)為2000 Hz時(shí),相機(jī)拍到了與實(shí)際相符的照片,當(dāng)相機(jī)頻率調(diào)為其他頻率時(shí),拍到的照片失真,表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)將采集到的紙張圖像進(jìn)行中值濾波、邊緣檢測(cè)預(yù)處理后傳送給了上位機(jī),減小了上位機(jī)的計(jì)算量,并降低了上位機(jī)算法的復(fù)雜性,因此上位機(jī)可由普通計(jì)算機(jī)代替高速計(jì)算機(jī),有望減小紙病檢測(cè)系統(tǒng)的成本。同時(shí)該系統(tǒng)移植性強(qiáng),可應(yīng)用到其他工業(yè)檢測(cè)中。
【關(guān)鍵詞】：紙病檢測(cè) 紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 紙病預(yù)處理系統(tǒng) 圖像采集處理卡 FPGA
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 緒論11-16
• 1.1 課題研究背景及意義11-12
• 1.2 紙病檢測(cè)研究發(fā)展現(xiàn)狀12-14
• 1.2.1 紙病檢測(cè)國(guó)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.2 紙病檢測(cè)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀14
• 1.3 論文的主要工作及章節(jié)安排14-16
• 2 紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)16-19
• 2.1 紙病檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)16-17
• 2.2 紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)17-18
• 2.2.1 紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)原理17-18
• 2.2.2 FPGA芯片選擇18
• 2.3 本章小結(jié)18-19
• 3 紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)19-25
• 3.1 卷紙機(jī)構(gòu)和相機(jī)光源安裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)19-22
• 3.2 相機(jī)的選型22-23
• 3.3 光源的設(shè)計(jì)23-24
• 3.4 本章小結(jié)24-25
• 4 圖像采集處理卡硬件電路設(shè)計(jì)25-39
• 4.1 圖像采集電路設(shè)計(jì)25-32
• 4.1.1 CameraLink接口簡(jiǎn)介25-27
• 4.1.2 圖像數(shù)據(jù)接收電路27-29
• 4.1.3 相機(jī)控制電路設(shè)計(jì)29-31
• 4.1.4 串口通信接口電路31-32
• 4.2 PCIe總線接口電路設(shè)計(jì)32-35
• 4.2.1 PCIe總線簡(jiǎn)介32-33
• 4.2.2 PCIe總線接口與FPGA的電路設(shè)計(jì)33-35
• 4.3 存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)35-38
• 4.4 本章小結(jié)38-39
• 5 紙病檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)HDL實(shí)現(xiàn)39-65
• 5.1 圖像采集模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)39-43
• 5.1.1 圖像數(shù)據(jù)接收模塊39-40
• 5.1.2 串口通信模塊40-43
• 5.2 PCIe總線接口數(shù)據(jù)傳輸模塊43-55
• 5.2.1 Avalon-ST接口介紹45-47
• 5.2.2 PCIe IP硬核例化47-48
• 5.2.3 TX模塊接口設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)48-49
• 5.2.4 RX模塊接口設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)49-50
• 5.2.5 PCI-E總線內(nèi)存方式數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)50-51
• 5.2.6 PCIe總線DMA模式數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)51-55
• 5.3 存儲(chǔ)器接口模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)55-58
• 5.4 紙病圖像預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)58-63
• 5.4.1 中值濾波算法的研究與實(shí)現(xiàn)58-61
• 5.4.2 邊緣檢測(cè)算法的研究與實(shí)現(xiàn)61-63
• 5.5 本章小結(jié)63-65
• 6 FPGA內(nèi)各模塊仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試65-75
• 6.1 圖像采集模塊仿真65-66
• 6.1.1 圖像數(shù)據(jù)接收模塊仿真65
• 6.1.2 串口通信模塊仿真65-66
• 6.2 系統(tǒng)調(diào)試66-70
• 6.3 紙病圖像預(yù)處理模塊仿真70-74
• 6.4 本章小結(jié)74-75
• 7 總結(jié)75-77
• 7.1 全文工作總結(jié)75-76
• 7.2 未來工作展望76-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 附錄A 串口通信接收模塊Verilog代碼82-85
• 附錄B 串口通信發(fā)送模塊Verilog代碼85-89
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文89
• 攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目89-91

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：759012