基于FPGA的纸病检测预处理系统的研究与实现

发布时间：2017-08-30 11:25

  本文关键词：基于FPGA的纸病检测预处理系统的研究与实现

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【摘要】：在造纸过程中由于设备磨损、生产原料或者环境污染等原因产生的纸病会严重影响纸张的质量。传统的纸病检测系统是利用高速计算机通过滤波、边缘检测和模式识别等复杂的图像处理算法对纸病图像进行识别分类,系统成本很高。本课题在陕西省科技统筹创新工程计划项目(项目号:2012KTCQ01-19)的支持下,在深入分析纸病检测原理的基础上,围绕纸张图像的采集、预处理算法和数据传输展开了应用技术研究,针对纸病检测实时性要求高、数据量大的特点,设计了一套基于FPGA的纸病检测预处理系统。该系统采集到纸张图像后,经过预处理再传送到上位机做进一步的识别分类,在不影响实时性的前提下使用普通计算机代替高速计算机,降低了生产成本。论文的主要工作可总结为以下5个方面:1)基于FPGA的纸病检测预处理系统方案的设计在深入分析了基于机器视觉的纸病检测原理后,确定了基于FPGA的纸病检测预处理系统的方案。该方案通过Camera Link接口将相机采集到的纸张图像缓存至存储器中,经过预处理算法处理后再通过PCIe接口传送至上位机。系统的核心为图像采集处理卡,其在普通的图像采集卡上增加了图像处理的功能。2)纸病检测实验平台的设计为了模拟在造纸厂现场检测纸病的过程,设计了纸病检测实验平台。该实验平台主要包括卷纸机构、相机光源安装机构、光源和相机等,其中光源的设计和相机的选型是平台设计的关键重点。3)图像采集处理卡硬件电路的设计由于现有的图像采集卡知识产权保护的原因,无法进行二次开发,因此在深入研究了CCD线阵相机的内部结构后,设计了图像采集处理卡的硬件电路。图像采集处理卡主要电路包括FPGA外围电路、Camera Link接口电路、PCIe金手指电路和存储器的外围电路。Camera Link接口与FPGA之间使用接收器DS90CR288A、驱动器DS90LV047和收发器DS90LV019作为信号转换芯片。该卡与相机通过MDR26连接器连接,可直接插在计算机的PCIe插槽上使用。4)FPGA内各模块的HDL实现FPGA同时具备了硬件的并行性及软件的灵活性,其可通过配置各个接口从而控制相机、存储器等外部设备,同时还可并行预处理纸张图像数据。在FPGA设计过程中采用自顶向下的设计模式,将整个系统分为图像采集模块、存储器接口模块、PCIe总线接口模块和纸病图像预处理模块。图像采集模块通过Camera Link控制相机的工作模式采集纸张图像数据;存储器接口模块设计了两块RAM匹配DDR2 SDRAM的传输速率;在PCIe总线接口模块中实现了内存读写和高速DMA两种数据传输模式;在DSP Builder环境下完成了中值滤波、边缘检测算法的建模,并将模型转换为HDL语言。5)图像采集与预处理模块的仿真及实验系统的测试为了验证FPGA内图像采集模块和纸病预处理算法的正确性,在Modelsim软件中对图像采集模块进行了功能仿真,在Simulink环境下对预处理算法进行了硬件在环测试,其结果表明设计正确。在纸病检测实验平台上测试纸病检测预处理系统,当电机转速为80r/min,纸机速度约为25cm/s,计算出相机的线速度频率约为2000 Hz,当相机频率调为2000 Hz时,相机拍到了与实际相符的照片,当相机频率调为其他频率时,拍到的照片失真,表明该系统达到了预期目标。本文设计的基于FPGA的纸病检测预处理系统将采集到的纸张图像进行中值滤波、边缘检测预处理后传送给了上位机,减小了上位机的计算量,并降低了上位机算法的复杂性,因此上位机可由普通计算机代替高速计算机,有望减小纸病检测系统的成本。同时该系统移植性强,可应用到其他工业检测中。
【关键词】：纸病检测 纸病检测实验平台 纸病预处理系统 图像采集处理卡 FPGA
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 纸病检测研究发展现状12-14
• 1.2.1 纸病检测国外研究现状12-14
• 1.2.2 纸病检测国内研究现状14
• 1.3 论文的主要工作及章节安排14-16
• 2 纸病检测预处理系统设计16-19
• 2.1 纸病检测系统的总体方案设计16-17
• 2.2 纸病检测预处理系统的设计17-18
• 2.2.1 纸病检测预处理系统原理17-18
• 2.2.2 FPGA芯片选择18
• 2.3 本章小结18-19
• 3 纸病检测实验平台设计19-25
• 3.1 卷纸机构和相机光源安装机构的设计与实现19-22
• 3.2 相机的选型22-23
• 3.3 光源的设计23-24
• 3.4 本章小结24-25
• 4 图像采集处理卡硬件电路设计25-39
• 4.1 图像采集电路设计25-32
• 4.1.1 CameraLink接口简介25-27
• 4.1.2 图像数据接收电路27-29
• 4.1.3 相机控制电路设计29-31
• 4.1.4 串口通信接口电路31-32
• 4.2 PCIe总线接口电路设计32-35
• 4.2.1 PCIe总线简介32-33
• 4.2.2 PCIe总线接口与FPGA的电路设计33-35
• 4.3 存储器接口电路设计35-38
• 4.4 本章小结38-39
• 5 纸病检测预处理系统HDL实现39-65
• 5.1 图像采集模块的设计及实现39-43
• 5.1.1 图像数据接收模块39-40
• 5.1.2 串口通信模块40-43
• 5.2 PCIe总线接口数据传输模块43-55
• 5.2.1 Avalon-ST接口介绍45-47
• 5.2.2 PCIe IP硬核例化47-48
• 5.2.3 TX模块接口设计及实现48-49
• 5.2.4 RX模块接口设计及实现49-50
• 5.2.5 PCI-E总线内存方式数据传输实现50-51
• 5.2.6 PCIe总线DMA模式数据传输实现51-55
• 5.3 存储器接口模块的设计及实现55-58
• 5.4 纸病图像预处理模块设计及实现58-63
• 5.4.1 中值滤波算法的研究与实现58-61
• 5.4.2 边缘检测算法的研究与实现61-63
• 5.5 本章小结63-65
• 6 FPGA内各模块仿真与实验系统测试65-75
• 6.1 图像采集模块仿真65-66
• 6.1.1 图像数据接收模块仿真65
• 6.1.2 串口通信模块仿真65-66
• 6.2 系统调试66-70
• 6.3 纸病图像预处理模块仿真70-74
• 6.4 本章小结74-75
• 7 总结75-77
• 7.1 全文工作总结75-76
• 7.2 未来工作展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 附录A 串口通信接收模块Verilog代码82-85
• 附录B 串口通信发送模块Verilog代码85-89
• 攻读学位期间发表的学术论文89
• 攻读学位期间参与的科研项目89-91

【参考文献】

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本文编号：759012