棉結(jié)主要是棉纖維糾纏而成的纖維結(jié)，其形成原因分三大類(lèi)：機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)生的棉結(jié)、棉籽造成的棉結(jié)、白星或者有色棉結(jié)。由于其體積微小極易被紗布所抱合和沾附，在整個(gè)紡織印染過(guò)程中成為難以除掉的疵點(diǎn)，較高含量的棉結(jié)將導(dǎo)致紗線中較高的棉結(jié)含量，并最終影響織物外觀[1]，因此在棉花被紡成紗線或織成布前進(jìn)行棉結(jié)檢測(cè)是非常重要的。
目前，檢測(cè)棉結(jié)所采用的方法主要有以下三種：一是靠人工篩選和統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型棉結(jié)和異纖雜質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，勞動(dòng)強(qiáng)度高；二是使用機(jī)械或者離線儀器進(jìn)行檢測(cè)，即將棉條或紗線等取樣到裝置上進(jìn)行檢測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度高、實(shí)時(shí)性差、精確度低；三是配備在梳棉機(jī)上的在線檢測(cè)棉結(jié)裝置，該裝置采用裝有攝像機(jī)鑒別梳棉機(jī)上棉網(wǎng)中的棉結(jié)，精確地檢測(cè)并在顯示終端上及時(shí)反映出瞬間棉結(jié)雜質(zhì)變化情況，并報(bào)告每單位（例如克）生條或紗線中棉結(jié)雜質(zhì)顆粒數(shù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了實(shí)時(shí)性、安裝位置靈活。
但是現(xiàn)有的在線棉結(jié)檢測(cè)裝置，尤其采用圖像采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的圖像測(cè)定裝置 [2-5]，不僅結(jié)構(gòu)上不夠靈活，而且處理能力也受到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境的限制，使用這種圖像測(cè)定裝置的在線棉結(jié)裝置，整體上具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、售價(jià)高、普及率低等缺點(diǎn)，不利于棉紡廠的成本控制。
1 棉結(jié)檢測(cè)原理
中的波長(zhǎng)。棉纖維的吸收系數(shù)很小，用光照射棉纖維（棉網(wǎng)）時(shí)，入射光將部分被纖維表面反射，部分折射透過(guò)纖維，部分被纖維吸收，被纖維吸收的那部分又有部分轉(zhuǎn)換為纖維內(nèi)能，另一部分以散射的形式散發(fā)出來(lái)，但是比例很小，這樣，可以得出如下結(jié)論：
1 在棉網(wǎng)檢測(cè)中，棉纖維在光源照射下主要以反射光為主；
2 對(duì)于機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)生的棉結(jié)，棉結(jié)糾纏的程度愈大反射光愈強(qiáng)；
3 如果是非棉纖維雜質(zhì)，例如棉籽造成的棉結(jié)，反射光強(qiáng)很低；
4 白星或者有色棉結(jié)，都屬于高絕緣、紙吸收系數(shù)物質(zhì)，以反射為主。

綜上所述，并結(jié)合棉結(jié)的反射特性，可知光強(qiáng)和面積構(gòu)成了進(jìn)行棉結(jié)識(shí)別的主要特征，本文即結(jié)合該特征來(lái)設(shè)計(jì)棉結(jié)檢測(cè)算法程序。
2 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)合棉纖維的光電性質(zhì)，為了突出棉纖維的圖像質(zhì)量，并保證能夠很好地被攝像機(jī)采集，需要設(shè)計(jì)合理的光源系統(tǒng)和曝光控制電路。同時(shí)根據(jù)棉網(wǎng)中棉結(jié)或雜質(zhì)特征（構(gòu)成模式識(shí)別的主要特征）設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)選用了 DSP+FPGA的圖像處理硬件架構(gòu) [7-9]。為了和現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)相兼容，添置與常用 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的連接模塊。整個(gè)系統(tǒng)的組成如下圖1。
 

2.1 光源部分設(shè)計(jì)光源部分包括曝光控制器和面陣 LED燈板，曝光控制器接收到中央處理單元發(fā)出的指令后，控制面陣 LED燈板閃光(或面陣LED燈常亮而不用曝光控制器)。面陣 LED燈板采用漫射均勻照射（根據(jù)前面提出的幾類(lèi)棉結(jié)中的光反射和投射性質(zhì)選擇使用反射光或投射光）。

2.2 攝像機(jī)的選擇攝像機(jī)可以選擇面陣或線陣CCD，這兩類(lèi) CCD接口中，例如模擬視頻、Camera Link接口、Gigabi Ethernet 接口，在 DSP+FPGA架構(gòu)中連接很方便。一般地，對(duì)于只需要對(duì)棉網(wǎng)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)的情況，可以選擇性?xún)r(jià)比高的模擬面陣攝像機(jī)；對(duì)于需要實(shí)時(shí)檢測(cè)棉網(wǎng)或者高速運(yùn)動(dòng)物體的疵點(diǎn)或雜質(zhì)，甚至需要剔除的場(chǎng)合，就要選用線陣 CCD相機(jī)。
2.3 DSP+FPGA硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)

本部分主要包括攝像機(jī)圖像數(shù)據(jù)采集接口、光源曝光電路控制接口、PLC信號(hào)接口以及檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)。如果需要網(wǎng)絡(luò)控制，還需要在該架構(gòu)上設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接口。這些功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠 DSP+FPGA硬件處理架構(gòu)。
DSP+FPGA架構(gòu)中 DSP芯片采用美國(guó) TI公司的TMS320DM642，F(xiàn)PGA芯片采用ALERA公司的 EP1K100，EP1K100用來(lái)完成 DSP的初始化配置、系統(tǒng)的邏輯控制以及其它輔助計(jì)算。TMS320DM642系列 DSP基于 C64X內(nèi)核，并以其在 600MHz時(shí)鐘下運(yùn)算速度可高達(dá)每秒 4800百萬(wàn)條指令（MIPS），占有對(duì)高速控制器和隊(duì)列處理器數(shù)值性能的操作靈活性。該系列 DSP核處理器有64個(gè)32位字長(zhǎng)的通用寄存器和8個(gè)獨(dú)立的功能單元，8個(gè)功能單元的VelociTI.2擴(kuò)展包括新的提高視頻畫(huà)面處理性能的指令和 VelociTI結(jié)構(gòu)的并行處理機(jī)制的擴(kuò)充。 DM642可以每周期處理 4個(gè) 32位的積之和運(yùn)算，每秒即可有 2400百萬(wàn)積之和（MMACS）運(yùn)算，或者是每周期 8個(gè)8位的積之和運(yùn)算即每秒 4800百萬(wàn)積之和（MMACS）運(yùn)算。同時(shí) TMS320DM642使用兩級(jí)基于緩存的結(jié)構(gòu)，可以配置為映射存儲(chǔ)區(qū)、緩沖區(qū)，或者兩者的結(jié)合。以上所述特點(diǎn)，為檢測(cè)算法的編程實(shí)現(xiàn)提供了有力保證。
TMS320DM642的外設(shè)部件包括：3個(gè)可配置的視頻口；1個(gè) 10/100Mb/s以太網(wǎng)；1個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出管理模塊；1個(gè) VCXO內(nèi)插控制接口（VIC）；1個(gè)多路音頻串口（McASP0）；一個(gè)I2C總線模塊；2個(gè)多通道緩沖串口；3個(gè) 32位的通用定時(shí)器；1個(gè)用戶(hù)可配置的 16位或32位主機(jī)接口（HPI16/HPI32）；1個(gè)外圍部件接口（PCI）；1個(gè) 16管腳的中斷和事件產(chǎn)生模式可編程的通用 I/O口；1個(gè) 64位的無(wú)縫連接的外部存儲(chǔ)器接口（EMIFA），可以連接同步或者異步的存儲(chǔ)器和外設(shè)。對(duì)于模擬視頻接口的相機(jī)提供了無(wú)縫接口，如果需要連接Camera Link接口的相機(jī)，可以擴(kuò)展數(shù)字接口。
2.4 PLC接口設(shè)計(jì)
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，PLC裝置通常采用 24VDC電壓供電，而 DSP及FPGA供電電壓都在 5VDC以?xún)?nèi)，為了和現(xiàn)場(chǎng)原有主機(jī)上的信號(hào)報(bào)警、信息顯示終端及控制信號(hào)形成控制回路，必須設(shè)計(jì)PLC接口電路，使從DSP輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后能與原有PLC裝置相連。
3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果
該裝置加裝在梳棉機(jī)上拍攝圖2，圖中左側(cè)使用模擬面陣攝像機(jī)拍攝得棉網(wǎng)圖片（擇取圖片中的部分，便于放大顯示），右側(cè)為檢測(cè)到的棉結(jié)并且使用紅色標(biāo)記。
 

 
該裝置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上拍攝圖3，圖中左圖使用模擬面陣攝像機(jī)拍攝得棉網(wǎng)圖片（擇取圖片中的部分，便于放大顯示），右圖為檢測(cè)到的棉結(jié)并且使用紅色標(biāo)記。
 

 
通過(guò) DSP的可編程 I/O發(fā)送棉結(jié)個(gè)數(shù)的二進(jìn)制編號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，輸送到 PLC，便于在實(shí)際工廠中的集中控制和聯(lián)網(wǎng)控制。
4 結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：結(jié)合針對(duì)棉纖維光電性能的軟件檢測(cè)算法，選用基于 DSP+FPGA硬件架構(gòu)的圖像處理方式，設(shè)計(jì)了光源系統(tǒng)；結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了 PLC接口電路，既實(shí)現(xiàn)了針對(duì)高速棉網(wǎng)的在線檢測(cè)，又保證了與設(shè)備上現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相兼容。設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)不僅運(yùn)算速度快，而且通用性強(qiáng)、適合模塊化，同時(shí)還具有靈活的硬件接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以配用多種廉價(jià)攝像機(jī)，大大降低了硬件成本。