□ 馮 浩 □ 李居峰 □ 趙佳慶 □ 鄧宜興

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

基于數(shù)據(jù)采集卡的煙條表面瑕疵檢測系統(tǒng)

□ 馮 浩 □ 李居峰 □ 趙佳慶 □ 鄧宜興

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

介紹了一種煙條表面瑕疵檢測系統(tǒng)中的自學習系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集卡和工控機實現(xiàn)對香煙表面瑕疵的高速檢測。與傳統(tǒng)測量相比，具有的優(yōu)勢：第一，實現(xiàn)了對整個煙條表面的檢測；第二，實現(xiàn)了無人操作，從開機、學習到檢測不需要人工操作；第三，分開保存了合格與不合格的檢測數(shù)據(jù)，方便歷史追溯與統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)采集卡 自動 光學 檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的煙條表面瑕疵檢測，大多依靠人工觀察，效率低，而且只能是少部分抽查，即使有部分廠家使用自動檢測系統(tǒng)，也只針對鋼印的形狀，而對鋼印的位置與煙條上的其它瑕疵起不了作用。本文提出一種基于數(shù)據(jù)采集卡、工控機和數(shù)據(jù)庫的工件表面瑕疵檢測系統(tǒng)，在提高測量精度和效率的同時，保存了測量數(shù)據(jù)，便于工件加工工藝的改進。

1 工件表面瑕疵檢測系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)使用Visual Studio軟件的C#編程語言編寫上位機軟件。該程序包括工件表面測量點信息和測量信息的數(shù)據(jù)庫，并通過伺服電機及光碼盤控制工件運動與瑕疵檢測，通過DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集與模數(shù)轉換，通過工控機處理與存儲數(shù)據(jù)，并發(fā)送檢測結果給PLC，PLC根據(jù)檢測結果控制剔除閥剔除不合格香煙。通過用戶界面可以手工設置參數(shù)及調看歷史數(shù)據(jù)。

▲圖1 煙條瑕疵檢測系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)據(jù)采集卡選擇與控制

DAQ-2010是凌華數(shù)據(jù)采集卡的成員之一，該數(shù)據(jù)采集卡基于計算機PCI總線，可同時采集四路電壓信號。DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡的性能：支持32位3.3 V或5 V PCI總線，4通道差分模擬輸入，最高可達2兆點/秒同步采樣率，14位A/D分辨率，最高8kB采樣A/D FIFO，雙極性或單極性模擬輸入范圍，可編程增益：x1，x2，x4，x8。DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡同時還提供了可用于多種編程語言如VB、VC、VC++、C#等的二次開發(fā)的文件。

本文采用了C#編寫上位機軟件，其與數(shù)據(jù)采集卡的控制過程如下。

（1）安裝驅動程序，在C盤會自動生成動態(tài)鏈接庫文件D2K-Dask.dll。

（2）在Visual Studio軟件的Windows窗體應用程序中，在“解決方案資源管理器”的欄中添加引用，選擇現(xiàn)有項D2KDask.cs類文件，再在Form1.cs窗口頂端添加using D2KDask，便可調用數(shù)據(jù)采集卡的庫函數(shù)。

（3）對采集卡進行初始化。

①注冊采集卡，使用函數(shù)D2K_Register_Card，注冊成功后會返回卡號值。

② 根據(jù)返回的卡號設置每張卡的采集電壓范圍和模式，分別使用函數(shù) D2K_AI_CH_Config和D2K_AI_Config。DAQ-2010的采集范圍最大為-10～10 V，采集模式有內部時鐘和外部觸發(fā)兩種，采集頻率最大為2 MB。本文選擇了-10～10 V的采集范圍，以及外部觸發(fā)的采集模式，外部觸發(fā)信號為光碼盤的A脈沖，每進一個A脈沖采集一次數(shù)據(jù)。光碼盤安裝在生產所用的電機上，光碼盤轉一圈為256個脈沖，每64個脈沖為一支香煙的長度，利用外部觸發(fā)可以不受生產速度的影響。本文所用的最大檢測速度為10 kB，所以采集卡滿足使用要求。

③設置A脈沖采集部分，使用D2K_GCTR_Reset函數(shù)設置采集通道，使用 D2K_GCTR_Setup與D2K_GCTR_Control設置采集模式，A脈沖的采集為程序檢測生產速度服務。

④設置緩存，使用D2K_AI_AsyncDblBufferMode開辟雙緩存，當一個緩存數(shù)據(jù)處理時，另一個進行采集，以保證操作的速度與數(shù)據(jù)的安全性。使用

D2K_AI_ContBufferSetup設置緩存大小，緩存大小為256 byte，正好為4支香煙的數(shù)據(jù)。至此，數(shù)據(jù)采集卡初始化完畢。

（4）啟用與關閉數(shù)據(jù)采集卡，使用函數(shù)D2K_AI _ContReadChannel，采集卡開始工作，當收到外部觸發(fā)信號時，開始采集。使用完采集卡后，使用D2K_AI_ AsyncClear釋放緩存，再使用D2K_Release_Card關閉采集卡。

3 光學檢測部分

采用光學檢測，其主要由光電二極管、透鏡、LED燈、放大電路等組成，利用光學進行測量，具有測量速度快、靈敏度高、操作簡單、價格便宜等優(yōu)點。光學檢測原理如圖2所示。

▲圖2 光學檢測原理

共分8個通道，每個通道有2個LED燈。LED燈光照射在煙條表面，反射后經(jīng)透鏡聚焦在光電二極管上，產生的電壓信號經(jīng)過放大電路放大輸出。通過數(shù)據(jù)采集卡采集電壓值，判斷煙條表面顏色。

4 自學習與數(shù)據(jù)存儲

4.1 自學習系統(tǒng)

該檢測系統(tǒng)的自學習與檢測主要由一條測速線程控制，通電之后電腦自動開啟，程序開機自啟動。由于需要進行高速采集和處理，程序使用了多線程技術，其中與學習相關的有4條，分別為采集卡監(jiān)測線程、測速線程、A脈沖計數(shù)線程及學習線程。

程序啟動后，測速線程開始工作。測速主要通過數(shù)據(jù)采集卡上的計數(shù)器采集電機光碼盤上的A脈沖來測速，當一定時間內A脈沖數(shù)達到要求，程序進入自學習模式，如圖3所示。其中A脈沖數(shù)“speed”由A脈沖計數(shù)線程提供。

采集卡監(jiān)測線程開始檢測采集卡狀態(tài)。當半滿（雙緩存有一個存滿）時，提取出數(shù)據(jù)，并通過D2K_AI_ ContVScale函數(shù)轉化為標準電壓值。這時，學習線程啟動程序會采集20組數(shù)據(jù)，經(jīng)計算作為標準模板，學習線程功能如圖4所示。學習開始信號，由測速線程給出。采集卡半滿信號為一組數(shù)據(jù)進來時的信號，由采集卡監(jiān)測線程提供。學習的第一步為保存采集進來的數(shù)據(jù)，第二步為尋找Z脈沖，第三步是根據(jù)Z脈沖對準數(shù)據(jù)。雖然A脈沖為一圈256個，但偶爾會由于機械振動等原因導致脈沖變多。而該檢測的一項內容就是鋼印的位置，所以必須根據(jù)Z脈沖對齊（電機每轉一圈產生一個Z脈沖）。程序中有采集次數(shù)設定，初始值為20次，也可手動更改。當采集次數(shù)達到設定值后，停止采集，進入數(shù)據(jù)處理階段。

▲圖3 測速線程工作原理圖

數(shù)據(jù)采集完成之后進行數(shù)據(jù)處理，處理主要包括求平均曲線和計算包絡線。

平均曲線為20組數(shù)據(jù)對應點求平均得到的平均值組成的曲線，再由平均曲線計算出檢測所用的上下包絡線。如圖5所示，橫坐標為香煙長度，一支香煙長64 mm，縱坐標為采集的電壓值。

圖中細實線為標準線，粗實線為上下包絡線，只要采集的數(shù)據(jù)在包絡線內都為合格。學習完后，學習線程關閉，檢測線程啟動。當速度低于一定標準值，程序進

入待機狀態(tài)，直到速度再次滿足要求。

▲圖4 學習線程原理圖

▲圖5 系統(tǒng)學習后得到的圖像

自學習系統(tǒng)解決了香煙品種不同造成標準曲線不同的問題，同時也降低了工人的勞動強度。

4.2 數(shù)據(jù)存儲

C#提供有比較多種類的接口技術來支持數(shù)據(jù)庫編程，例如ODBC、DAO、OLE/DB、ADO等。通過這些接口可直接操作SQL Server，Microsoft Access等多種較為普遍的數(shù)據(jù)庫。但使用發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫無法存儲如此快的數(shù)據(jù)采集，所以采用txt文件作為數(shù)據(jù)存儲，采用StreamWriter的方法寫入txt，如果文件不存在，則會自動創(chuàng)建。由于txt文件隨文件變大，存儲速度就會變慢，所以每一天程序會創(chuàng)建600個txt文件，分別為1.txt，2.txt，…，600.txt，用來減小單個文件的大小。雙緩存每半滿一次，程序把數(shù)據(jù)存入一個txt，下一個半滿時存入下一個txt文件，以防止一個半滿時間txt沒存完導致程序出錯或數(shù)據(jù)漏存。以下為合格數(shù)據(jù)存儲代碼：

其中，wlog是新建的一個StreamWriter方法。用File.Appendtext（）來指定文件路徑，并打開該文件，用wlog.Write（）方法寫入數(shù)據(jù)，再用wolg.Flush（）保存文件，最后通過wlog.Close（）關閉連接。

使用txt解決了數(shù)據(jù)高速存儲的問題，方便了歷史數(shù)據(jù)追溯與統(tǒng)計。

5 結論

當機器通電后，電腦自動開機，程序自啟動。學習、檢測全部自動完成，不需要任何人工操作，節(jié)省了勞動力。使用了光學對煙條進行全方位檢測，不漏過任何瑕疵。保存了不合格數(shù)據(jù)方便查看，程序里自帶了各種瑕疵統(tǒng)計，有助于改進工作。最后通過剔除閥，阻止不合格的香煙通過。

［1］劉勇，程霄，張龍，等.基于DSP的卷煙圓周檢測系統(tǒng)的設計［J］.測控技術，2008（7）：38-39.

［2］洪杰.基于激光傳感器的在線煙支圓周檢測系統(tǒng)研究［J］.湖南文理學院學報（自然科學版），2012（3）：60-62.

［3］宇景斌.高精度數(shù)據(jù)采集卡的應用［J］.計算機光盤軟件與應用，2012（14）：151.

［4］吳小紅.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的設計與實現(xiàn)［J］.電子技術，2012（8）：57-59.

［5］冀鵬，黎海雪，楊晏龍，等.數(shù)據(jù)采集卡信號采集的軟件擴展方法研究［J］.黑龍江科技信息，2012（13）:96.

［6］張廣軍.機器視覺［M］.北京：科學出版社，2005.

［7］高雪飛，朱開宇，甦震.基于研華數(shù)據(jù)采集卡和MCGS組態(tài)軟件的離子鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)設計 ［J］.化工自動化及儀表，2012（2）：253-255.

［8］龍杰，趙秋明，賈磊磊.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡在工業(yè)中的應用［J］.長春工程學院學報（自然科學版），2011（11）：131-133.

［9］尹秀妍.可編程控制技術應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［10］劉程，曾凡軍.一種新型卷煙機圓周檢測研究與應用［J］.裝備制造技術，2011（7）：154-156.

［11］Nanko.Possibility of Machine Vision in the Pulp and Paper Industry［J］.Japan Tappi Journal，2009，63（3）:28-31.

［12］孟小芳.探析觸摸屏的功能及應用 ［J］.企業(yè)導報，2012（22）：270.

［13］Field Jim.Smd Placement Using Machine Vision［J］. Electronic Packaging and Production，1986，26，（1）:128-129.

（編輯 小 前）

TH165

A

1000-4998（2015）06-0079-03

2014年12月