0 引言

    帶式輸送機是現(xiàn)代化生產(chǎn)中一種連續(xù)運輸設(shè)備，具有運量大、運距遠、運費低、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于煤炭、礦山、港口和電力等領(lǐng)域。輸送帶是帶式輸送機牽引和運載的關(guān)鍵部件，在使用中由于跑偏、廢鋼鐵或矸石等異物刺傷等原因會產(chǎn)生縱向撕裂故障^[1]?？v向撕裂故障常常由于得不到及時監(jiān)測和處理造成帶式輸送機損壞、人員傷亡等安全事故，嚴重影響安全生產(chǎn)，因此是需要重點防治的故障。

    傳統(tǒng)的縱向撕裂故障檢測方法，如通過壓力、紅外、電磁等傳感器檢測輸送帶的物料泄露和鋼絲繩或橡膠脫落狀態(tài)等，存在可靠性差、易損壞、不能主動預警等缺點^[2]。機器視覺技術(shù)能從客觀事物的圖像中提取信息，對事物表面狀況進行檢測、處理和分析，具有較高的檢測效率和精度。項目組前期提出了一種基于單路線陣CCD相機和線形LED光源的礦用輸送帶表面故障在線監(jiān)測方法，實現(xiàn)了輸送帶表面故障的在線監(jiān)測^[3]。但由于在礦用輸送帶表面故障在線監(jiān)測中相機的工作距離短、要求視場大、輸送帶的橫截面為弧形等原因，利用單路線陣CCD相機難以達到輸送帶檢測寬度的要求，且線陣CCD相機和線陣LED光源方位調(diào)整困難。

    本文提出了一種多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸送帶表面圖像的采集、處理和傳輸，以及縱向撕裂故障的檢測。在此基礎(chǔ)上，提出了一種圖像采集處理器的設(shè)計方案，并設(shè)計了圖像采集處理器的硬件和軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對多路線陣CCD相機的控制和多視點圖像采集、處理和傳輸，可用于多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)縱向撕裂故障在線監(jiān)測，避免縱向撕裂安全事故的發(fā)生。

1 設(shè)計方案

1.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案

    多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)由線陣LED光源、線陣CCD相機、圖像采集處理器、以太網(wǎng)及上位機等組成，其組成框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)上電后，高亮度的線形LED光源照射在輸送帶表面時產(chǎn)生漫反射光，在輸送帶運動垂直方向組成線型陣列的多路線陣CCD相機采集漫反射光，完成輸送帶圖像的采集。多路線陣CCD相機能有效地提高輸送帶的檢測寬度，降低線陣CCD相機與線陣LED光源方位調(diào)整的難度。圖像采集處理器利用GigE Vision協(xié)議控制多路線陣CCD相機采集圖像并對圖像進行處理、傳輸。以太網(wǎng)用于該多視點縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部通信并為其接入輸送帶綜合保護系統(tǒng)提供接口。上位機為工作人員與該縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)交互通信提供一個友好界面。

1.2 圖像采集處理器的設(shè)計方案

    圖像采集處理器由交換電路、以太網(wǎng)接口電路和處理器電路等組成，其組成框圖如圖2所示。其中，處理器電路由主處理器、Flash電路、DDR3電路、JTAG電路、復位電路、電源電路等組成。

    交換電路將圖像采集處理器的以太網(wǎng)接口與前端多路線陣CCD相機相連，實現(xiàn)多端通信中數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。以太網(wǎng)接口電路連接DSP內(nèi)嵌的MAC層控制接口與外部以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)DSP與外部設(shè)備的通信。選用TI公司的TMS320C6678芯片作為圖像采集處理器的主處理器芯片，該處理器芯片是一款基于TI的KeyStone I架構(gòu)的高性能8核DSP芯片，單核主頻最高達1.4 GHz，同時支持定、浮點運算，片上資源豐富，非常適用于雷達檢測、實時信號處理、圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用^[4]。

2 圖像采集處理器硬件設(shè)計

2.1 交換電路設(shè)計

    本文采用高性能8端口千兆以太網(wǎng)交換機芯片RTL8370設(shè)計了交換電路，RTL8370集成了高速交換機系統(tǒng)的所有功能，包括內(nèi)存管理、查找表建立、流量控制等，在構(gòu)成交換電路時只有25 MHz的晶振是必須的。該交換電路提供了8個10/100/1 000 Mb/s自適應(yīng)端口，用于連接多路線陣CCD相機和圖像采集處理器的以太網(wǎng)接口電路。

2.2 以太網(wǎng)接口設(shè)計

    為適應(yīng)多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量處理的需求，本文在該圖像采集處理器的傳輸層均采用千兆以太網(wǎng)通信。DSP通過千兆以太網(wǎng)接口控制多路線陣CCD相機采集圖像數(shù)據(jù)并將最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳到上位機。以太網(wǎng)接口硬件電路連接如圖3所示。

    TMS320C6678芯片內(nèi)嵌兩個以太網(wǎng)MAC層控制器，可以自適應(yīng)10/100/1 000 Mb/s網(wǎng)絡(luò)，但是未提供物理層功能。本文將Marvell Alaska 88E1111作為千兆以太網(wǎng)物理層芯片，外接25 MHz晶振，并通過串行千兆以太網(wǎng)媒體獨立接口(SGMII)與TMS320C6678相連。同時，采用RJ45作為連接88E1111的千兆以太網(wǎng)物理層接口，在RJ45連接頭內(nèi)部已包含了耦合線圈，因此不必另接網(wǎng)絡(luò)變壓器，使用普通的直連網(wǎng)線即可連接至以太網(wǎng)設(shè)備。

2.3 處理器電路設(shè)計

    輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測的實時性要求帶來了大數(shù)據(jù)量傳輸和處理的問題，因此，本文選用TI公司的TMS320C6678芯片作為處理器電路的主處理器，并通過SPI接口掛接了一片16 MB工業(yè)級NOR Flash以存儲需固化的用戶程序，DDR3-1600接口擴展外部內(nèi)存。選用TI的TPS54286PWP電源管理芯片設(shè)計了圖像采集處理器的電源電路，通過將系統(tǒng)供電電壓降壓濾波，為系統(tǒng)提供了12 V、1.2 V、3.3 V、1.8 V等多路電源。設(shè)計了14 pin的TI JTAG標準電路，用于用戶程序的仿真及固化。設(shè)計了復位電路，以實現(xiàn)系統(tǒng)的多種復位方式。

3 圖像采集處理器軟件設(shè)計

    在TI公司集成開發(fā)平臺CCS上，采用多核雙鏡像結(jié)構(gòu)完成圖像采集處理器的軟件設(shè)計，主核軟件流程圖如圖4所示。在DSP嵌入式實時操作系統(tǒng) SYS/BIOS的基礎(chǔ)上，結(jié)合TI網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件NDK實現(xiàn)了圖像采集處理器傳輸層的邏輯連接^[5]。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了GigE Vision應(yīng)用層協(xié)議，并構(gòu)造循環(huán)緩存結(jié)構(gòu)以高效利用系統(tǒng)內(nèi)存。利用IPC組件實現(xiàn)了DSP的多核并行調(diào)度，并采用乒乓操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行存取，極大提高了該圖像采集處理器的運算能力。

3.1 GigE Vision協(xié)議的實現(xiàn)

    為簡化GigE Vision協(xié)議的實現(xiàn)，首先將線陣CCD相機設(shè)為靜態(tài)IP工作模式，并設(shè)置靜態(tài)IP與圖像采集處理器IP位于同一網(wǎng)段。其次，配置控制通道及流控制通道。由于GigE Vision協(xié)議在傳輸層使用UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸中存在丟包風險，GigE Vision協(xié)議在應(yīng)用層增加了心跳超時機制以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＜礊楸３挚刂仆ǖ赖挠行нB接，需要在數(shù)據(jù)接收過程中通過控制通道向線陣CCD相機定時發(fā)送心跳包。

    GigE Vision協(xié)議規(guī)定圖像數(shù)據(jù)通過流控制協(xié)議GVSP傳輸。GVSP協(xié)議包括頭幀、負載幀、尾幀3種幀結(jié)構(gòu)類型。圖像數(shù)據(jù)包含在負載幀內(nèi)，起始位置為負載幀的第9個字節(jié)。本文將接收到的圖像存入循環(huán)緩存區(qū)內(nèi)，并使用隊列管理循環(huán)緩存區(qū)，以高效利用圖像采集處理器的內(nèi)存空間。

3.2 多核調(diào)度

    為有效利用TMS320C6678的多核資源，進一步提高圖像采集處理器的運算能力，本文基于SYS/BIOS系統(tǒng)的IPC組件實現(xiàn)了多核調(diào)度^[6]。將core0作為主核與外界交互通信，core7作為引導核引導從核進行數(shù)據(jù)處理。在core0采集數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生IPC中斷將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至core7。core7作為引導核對圖像數(shù)據(jù)分片并啟動core1～7多核并行處理圖像，處理完成后，core7產(chǎn)生IPC中斷，將處理結(jié)果發(fā)送到core0。最后，由core0將處理結(jié)果上傳到上位機。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

    多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的圖像采集處理器測試系統(tǒng)由線陣LED光源、多路線陣CCD相機、圖像采集處理器、奧特梅爾機器視覺演示架SW-TB-600C及PC等組成。測試實驗對比了該圖像采集處理器和線陣CCD相機廠家的Windows上位機在相同測試條件下的傳輸速率、丟包情況、圖片質(zhì)量。圖片質(zhì)量客觀上由峰值信噪比(Peak Signal to Noise Rate，PSNR)來評價，并將相同條件下上位機采集的圖像作為原始圖像，采集處理器采集的圖像作為待評價的圖像。實驗設(shè)置了不同圖像分辨率，每種分辨率下測量20組數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如表1所示。

    實驗結(jié)果表明，在相同的測試條件下，采集處理器具有約兩倍于Windows上位機軟件的傳輸速率，而且相對于上位機采集的圖片，圖像采集處理器采集的圖片的峰值信噪比均大于85 dB，圖片信息失真小。圖像采集器采集的分辨率為2 048×1 024的圖像如圖5所示。

    圖5所示圖片的細節(jié)豐富，單路線陣CCD相機的視場達120 cm，能極大滿足縱向撕裂在線監(jiān)測算法對圖像的分辨率及尺寸要求，為多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性及實時性提供了有力保障。

5 結(jié)論

    本文提出了一種多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)及其圖像采集處理器的設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對多路線陣CCD相機采集輸送帶表面圖像的控制，并將采集的圖像進行處理和傳輸。以TMS320C6678為核心設(shè)計了圖像采集處理器的硬件電路，并在TI公司集成開發(fā)平臺CCS上設(shè)計了圖像采集處理器的軟件。實驗表明，該圖像采集處理器具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、采集圖像質(zhì)量高、擴展性強等優(yōu)點，在多視點輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價值。

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