桂林電子科技大學自動化與電子工程學院 余淑華 朱名日 李瑞帥 劉艷麗

基于雙CCD的脫絨棉種色選機光電檢測系統(tǒng)設計

桂林電子科技大學自動化與電子工程學院 余淑華 朱名日 李瑞帥 劉艷麗

通過對棉種圖像精選方案與算法研究，給出一種有別于當前棉種色選的雙CCD檢測色選法。本方法實現(xiàn)過程是利用線陣彩色CCD和黑白CCD分別作為顏色分選和破損色選檢測器件，結合FPGA設計出可再編程的CCD驅動電路，進而對物料實現(xiàn)有效信號采集處理，完成雙CCD檢測色選判別。實驗結果表明：雙CCD能夠正常地工作，能夠滿足脫絨棉種色選機要求，光電檢測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常的工作。

雙CCD；脫絨棉種；線陣CCD；光電檢測系統(tǒng)

1.引言

色選機是指利用物料的光學信息將劣物料剔除的集光、電、氣、機于一體的高科技設備，廣泛應用于農業(yè)、食品業(yè)、工業(yè)、礦業(yè)等，可以提高物料的品質，增加附加值，保障食用、使用時的安全性[1][3][4]。在棉種分選方面，傳統(tǒng)的分選技術：種子風篩選、幾何特征篩選、密度重力選種、介電式分選、顏色分選法、機器視覺分選[1][3][4][7]。雖然這些方法均有各自的優(yōu)點，但沒有同時判斷顏色、破損棉種、或者是算法高深、采集靜態(tài)圖片信息等缺點。本文在顏色分選基礎上利用雙CCD加入破損判別，能夠區(qū)分脫絨成熟棉種（黑褐色）、未熟棉種（紅棕色）、破損棉種和雜質[3][4]。

2.總體結構

基于雙CCD的脫絨棉種色選機光電檢測系統(tǒng)是色選機的關鍵部分，其作用主要是對物料（脫絨棉種）進行檢測，采集物料特征信息。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括光學系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。

圖1 總體框圖

3.功能簡介

物料進入光電檢測系統(tǒng)之前，要經(jīng)供料系統(tǒng)相關處理后才能精確地在光電檢測系統(tǒng)和分選系統(tǒng)區(qū)內。供料系統(tǒng)主要包括進料斗、振動喂料器、滑槽等。在處不詳細簡紹供料系統(tǒng)具體工作過程，主要簡紹光學系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)相關功能。

(1)光學系統(tǒng)

光學系統(tǒng)主要是有光源、背景板、光電傳感器、成像系統(tǒng)等相關部分組成[4]。光學系統(tǒng)主要作用是通過光路設計使CCD能夠覆蓋每組棉種流的視場區(qū)域，使得所有目標圖像都能夠被CCD捕獲。光學系統(tǒng)的光路結構、檢測方式、光電傳感器種類等，將直接影響色選機的質量與效率[3]。

(2)信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)采用TCD2566BFG和TCD1209作為光電傳感器，對物料進行實時采集。CCD常用驅動方式有EPROM驅動法、IC驅動法、單片機驅動法以及可編程邏輯器件驅動法[5]。本文是基于FPGA設計的可再編程驅動電路，該方法優(yōu)點是集成度高、速度快、可靠性好。需改變驅動電路的時序、增減功能時，僅需對器件重新編程，無需更改硬件條件[5]。

(3)處理系統(tǒng)

處理系統(tǒng)是以ALTERA公司cyclone III系列EP3C16Q240C8作為驅動實現(xiàn)以及后期處理的主要芯片。主要設計思想是：EP3C16Q240C8生成CCD工作所需的驅動時序，由于FPGA輸出電壓與CCD驅動電壓之間差異，故驅動時序需反相升壓器件處理，物料棉種采集信號經(jīng)放大濾波電路輸出，輸出信號經(jīng)A/D轉換以后輸入FPGA進行后續(xù)處理[2][6]。

4.采集處理系統(tǒng)設計

(1)硬件設計

硬件電路設計如下圖2所示。利用光學采集系統(tǒng)原理，將TCD2566BFG作為彩色信號采集板A，TCD1209作為黑白信號采集板B。因兩個CCD工作電壓不同，采用LM2731X典型電路設計10V和12V，利用 R1 = R 2 × ( VOUT/1.23? 1)計算方法可以實現(xiàn)。至于處理板電源是利用LD1085D2M50、LD1085D2M33、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2等電源轉換芯片，實現(xiàn)電路所需的5V、3.3V、2.5V、1.2V等工作電壓。在解決完電路工作所需電源之后，對于CCD驅動電路、采集信號放大濾波電路、A/D轉換電路以及EP3C16Q240C8芯片工作電路均按照技術手冊等信息進行設計，在此不再贅述。

圖2 硬件電路框圖

(2)軟件設計

該部分是在硬件設計基礎上，能夠使CCD正常工作的關鍵部分。設計思想主要是利用TCD2566BFG和TCD1209的工作原理以及工作模式來設計工作時序。TCD2566BFG選擇彩色模式下TDI=ON模式工作，工作需要時鐘脈沖φ1 A 、φ2A、φ1B、φ2B、φ1C，復位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP，轉移脈沖SH、存儲清晰脈沖SCG、開關脈沖SW1、SW2，另需48個虛設單元輸出（dummy outputs)信號。TCD1209工作需時鐘脈沖φ1、φ2、φ2B，復位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP，轉移脈沖SH，另需40虛設單元輸出信號。因此，軟件編寫時需要注意虛設單元輸出信號。

軟件編碼：TCD1209和TCD2566BFG關鍵代碼

parameter TAGH=16,TAGL=2117,TAGHF=2 1,TAGLF=2112;

parameter SCGBA=0,SCGEA=30,SHBA=40,SHEA=70,TGFBA=80,TGFEA=5468,SCGBB=5478;

通過Verilog VHDL編程生成模塊如圖3所示，其中clk_sys系統(tǒng)時鐘64MHZ，通過PLL（鎖相環(huán)）和分頻電路生產(chǎn)工作所需時鐘信號，其中ad_in[11:0]為TCD1209經(jīng)濾波放大電路及A/D轉換后的采集輸入信號，clk_out_0[5:0]為TCD1209工作所需的驅動頻率以及A/D轉換芯片時鐘頻率，ad_out[11:0]是經(jīng)過處理后的棉種采集破損信息；ad_r_in[11:0]、ad_b_in[11:0]、ad_g_in[11:0]為TCD2566BFG經(jīng)濾波放大電路以及A/D轉換后的采集RBG信號，clk_out[11:0]和sw[1:0]為TCD2566BFG工作驅動頻率、A/D轉換芯片時鐘頻率及模式選擇信號，ad_r_out[11:0]、ad_b_out[11:0]、ad_g_out[11:0]是經(jīng)處理后棉種采集顏色信息。

圖3 軟件生成模塊

(3)設計與仿真檢測

通過Quartus II9.0中SignalTap II Logic Analyzer進行在線仿真，得到圖4所示圖形。

圖4 FPGA在線仿真圖

通過圖4(b)、(c)所知，TCD2566BFG和TCD1209的時序與實際工作時序圖是有所差別的，主要是器件驅動電壓問題，導致FPGA輸出的時序要經(jīng)反相升壓器才能給CCD提供驅動時鐘，為此，F(xiàn)PGA生成時序也有相應處理。通過圖4(d)可知CCD在不同物料時輸出的差別，這也是我們后期處理的依據(jù)。

5.結論

本論文通過雙CCD對脫絨棉種色選機光電檢測系統(tǒng)進行設計，方案采用TCD2566BFG和TCD1209作為檢測器件，EP3C16Q240C8以及反相器TC74ACT240和SN74AHCT14N設計CCD驅動電路，OPA357設計濾波放大電路、AD9224設計A/D轉換電路，同時利用光學系統(tǒng)知識構建光學系統(tǒng)，使兩CCD能夠正常地工作，滿足脫絨棉種色選機所需要求，光電檢測系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。

[1]Melchor C.Pasikatan,Floyd E.Dowell.Evaluation of a High-Speed Color Sorter for Segregation of Red and White Wheat[J].Applied Engineering in Agriculture,2003,19(1):71-76.

[2]Ivan Dolezal.Optoelectronic detector for a glass cullet sorter[C].Industrial Electronics Society,IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE,2013,3952-3957.

[3]劉德瑞.基于CCD的高速色選機光機系統(tǒng)研究[D].天津大學,2007.

[4]李江波.脫絨棉種色選機檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].石河子大學,2008.

[5]張智輝,田地,楊義先.線陣CCD驅動電路設計的幾種方法[J].儀表技術與傳感器,2004(6):32-33,52.

[6]杜鴻運,董志國,辛愛芹,王世璞.CCD色選機分選控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶,2011,18(5):36-38.

[7]陳兵旗,高振江,宋同珍等.棉種圖像精選方案與算法研究[J].農業(yè)機械學報,2010,41(1):167-171.

國家科技支撐計劃項目（項目編號：2012BAF07B04）；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目（項目編號：YCSZ2012075）。