聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一種環保塑膠，目前市場上幾乎所有的飲料瓶都是用PET切片注塑加工成型的。在PET飲料瓶生產過程中吹瓶和灌裝是影響質量的關鍵工序。而在灌裝工序，高速旋蓋子系統中PET瓶會出現歪蓋、高蓋甚至無蓋等情況[1]，在這些情況中，輕微的會導致產品外觀的不美觀，嚴重的會導致飲料內部質量發生變化，特別是茶飲料和乳類飲料。為了減少不合格品的數量，需要增加檢測工序。而傳統的PET瓶封蓋質量檢測系統都是基于PC機實現的，整套設備往往體積相當龐大，而且檢測速度有限[2]，并且由于PC機本身的缺陷，在較為惡劣的生產線環境中無法正常工作。

    對此，本文設計了一套完整的基于DSP+ARM的PET瓶封蓋缺陷高速檢測系統。通過DSP DM642完成對圖像傳感器MT9P031（500萬像素）進行RAW（原始圖像編碼數據）原始數據流采集，并對采集的PET瓶的封蓋缺陷進行檢測和處理。此外，通過基于ARM11的嵌入式系統對傳動系統進行監控，主要包括對電機傳動的控制、傳感器中斷信號的接收、控制觸發DSP進行圖像采集以及基于觸摸屏的人際互動監控界面的開發。
1 系統總體架構設計
    PET瓶封蓋缺陷檢測系統主要包括以下5個部分：圖像采集模塊、圖像核心處理模塊、圖像實時顯示模塊、控制觸發與傳動模塊和監控模塊，如圖1所示。由基于Linux的ARM11 S3C6410處理器控制整個傳送帶的正常運作。由于本系統中PET瓶身的透明塑料特性，所以選取不受光線干擾的超聲波傳感器作為本系統的觸發傳感器[3]。在超聲波傳感器感應到PET瓶身時，觸發DSP DM642通過I2C總線控制圖像傳感器MT9P031進行圖像的快速捕捉，圖像數據以10 bit并行數據輸入到DM642中，由DSP對圖像進行濾波、閾值化、水平投影、邊緣檢測以及PET瓶身定位后，以遍歷比較的方式完成PET瓶封蓋的缺陷檢測。然后把處理后的數據同樣以10 bit的圖像數據輸出到硬件編碼芯片，經過CVBS轉VGA轉接器，最后完成圖像的實時顯示。此外，所有的檢測統計數據都將由ARM11通過無線WIFI模塊發送到遠程主機上進行數據的統計和存檔。

2 圖像采集與處理系統設計
2.1 圖像采集系統的硬件設計
    圖像采集部分由DM642的視頻口在PIXCLK時鐘控制下采集數據，數據以D[9:0]10 bit形式發送到DSP，而DSP通過I2C總線接口控制圖像傳感器的工作模式和采集模式等；在DM642處理完圖像后，通過VP0D[9:0]10位數據輸出方式輸出到視頻編碼芯片SAA7121，DSP通過I2C總線設置SAA7121的相關寄存器，并控制數據進行傳輸。視頻數據通過SAA7121編碼后，輸出的視頻格式為PAL制或者NTSC制的視頻信號(即CVBS視頻信號)；最后通過CVBS轉VGA的轉接模塊，直接輸出到顯示屏上顯示。圖像采集系統的硬件原理圖如圖2所示。

2.2 圖像采集與處理系統的軟件設計分析
    基于DSP DM642的圖像采集與處理系統的軟件設計主要分為如下兩個部分：圖像采集的流程分析和PET瓶封蓋缺陷檢測算法的實現。
2.2.1 圖像采集的流程分析
    首先把DM642設置為RAW數據接收模式，并把接收數據寬度設置為10 bit。然后通過I2C總線選通MT9P031的硬件地址和寄存器地址，發送相應指令設置MT9P031為單幀觸發模式，把圖像格式設置為SXGA格式(即1 280×1 024)，并設置好水平消隱和垂直消隱的寬度。在完成以上設置后，DM642通過TRIGGER引腳控制傳感器捕捉一幀圖像并傳送到DM642內部的FIFO緩存器中進行相應的圖像識別和檢測的實現。圖像采集流程如圖3所示。

2.2.2 PET瓶封蓋缺陷檢測算法的實現
    (1)本系統設計的檢測方法是多瓶身同時檢測，而對PET瓶身的區域定位，是通過掃描Y軸方向的像素點之和是否為非零來判斷每個瓶身的真實位置，通過對第一個非零值的gi(ni)到第一個零值的gi(ni)即可記錄一個PET瓶的大概區域位置，標記為x1、x2。用同樣的方法計算出第二個PET瓶所在的區域為x3、x4之間。
    在經過圖像預處理后，需確定瓶身與瓶頸的分割線作為后續瓶蓋定位的絕對坐標。通過圖像在Y軸上的投影分析，可以清晰地分辨出瓶身與瓶頸的分割線在Y軸的0坐標往正方向開始掃描到第一個灰度值波峰位置，并且經過大量數據驗證，波峰的確定位置誤差在5個像素點之內(本系統所采用的圖像大小為1 280×1 024，即誤差在5/1 024=0.48%以內)。
    (2)本系統采用在基于預處理之后，進行垂直方向自上而下的掃描方法，標識掃描到的第一個非零灰度值像素點，并把該x坐標上的其他y點全部置為零灰度值，從而完成垂直方向外輪廓的快速提取[4]。
    (3)由以上兩步得到瓶頸與瓶身的分割線以及瓶蓋頂部邊緣，在此基礎上識別出兩個瓶身所在的區域為[x1，x2]和[x3，x4]，然后通過計算分割線與瓶蓋頂部邊緣的距離與標準值進行比較，若誤差超過5%，則認為不合格，即可剔除。PET瓶身封蓋缺陷檢測算法的總體流程如圖4所示。

3 基于ARM11的傳動與監控系統設計
3.1 傳動系統與監控系統硬件設計
    本平臺的傳動系統所采用的主處理器為ARM11 S3C6410。由于考慮到瓶身透明和體積問題，所以在傳感器選型上選用超聲波傳感器作為瓶身的探測傳感器。超聲波傳感器輸出的電壓值范圍為0.2 V～4.5 V，然后通過以LM358運算放大器搭建的比較電路進行電壓的閾值分割，使觸發信號邊緣特性更佳。通過比較器后，超聲波傳感器的觸發信號經過74LVC4245電平轉換信號，信號直接輸入到ARM11的外中斷口。ARM11在接收到超聲波傳感器的外中斷信號后，通過端口將信號輸出到DSP DM642的外中斷口，觸發DM642完成圖像捕捉功能。與此同時，通過超聲波的中斷觸發信號，ARM11通過端口輸出一個3.3 V的電平信號，控制24 V模塊后，輸出24 V的電壓控制信號，直接控制繼電器的通斷，從而完成控制電機的傳動工作。整個傳動系統的硬件框圖如圖5所示。

    監控系統的硬件設計主要包括圖像的VGA顯示和觸摸屏驅動部分。首先通過ARM11 S3C6410的專用LCD控制器接口輸出24 bit液晶屏數據，然后經過LCD轉換模塊進行轉換，從而可以通過編程控制LCD控制器輸出來完成VGA顯示。此外，通過ARM11的四線電阻屏控制引腳TSXM、TSYM、TSXP、TSYP來控制一個17英寸電阻觸摸屏，通過編程可以控制四線電阻屏的輸出-X、+X、-Y、+Y坐標來完成觸摸屏的硬件驅動。
3.2 軟件多線程設計
    由于本文設計的傳動系統與監控系統需要進行多任務的同時調度，所以需要設計一個基于Linux系統的多線程管理機制。其中從線程的作用不同可分為：控制電機傳動線程、傳感器中斷處理線程、監控界面設置管理線程以及無線通信線程，四者相對獨立，但又在必要時進行數據交互。各個線程的相互關系如圖6所示。

4 實驗結果及分析
    基于DSP DM642讀取MT9P031圖像傳感器的數據，經測試后采集的速度可達20幀/s，采集的圖像精度可根據需要調節，最小精度為76 pix/inch。
    此外，本系統采用DSP+ARM的硬件平臺取代傳統的PC機平臺，為工業在線檢測帶來了更可行、更科學的解決方案。系統具有體積小、安裝方便、抗干擾能力強和高速處理等特點，是普通PC機無法比擬的，具有廣闊的發展空間。
參考文獻
[1] Ma Huimin，Su Guangda，Wang Junyan，et al.A glass bottle defect detection system without touching[C].Proceedings of the First International Conference on Machine Learning and  Cybemetics，Vol2：Beijing，4-5 November，2011：628-632.
[2] 嚴華宇.基于FPGA的玻璃缺陷圖像采集預處理系統設計[D].武漢：武漢理工大學，2007.
[3] 徐赤，王志平，凌永祥，等.基于智能視覺系統的飲料瓶缺陷檢測技術[J].自動化與儀器儀表，2011(5)：163-167.
[4] 鄒振興.基于FPGA的PET瓶缺陷檢測系統的研究與設計[D].廣州：廣東工業大學，2009.