趙亞男

（西山煤電西曲礦綜采一隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

對(duì)于帶式輸送機(jī)，輸送帶是物料運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部件，并且成本較高，接近帶式輸送機(jī)總體成本的一半。一旦輸送帶出現(xiàn)縱向撕裂，如果得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理會(huì)造成極大的損失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致煤礦的停產(chǎn)，所以及時(shí)檢測(cè)到輸送帶縱向撕裂故障有著非常重要的意義?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法有：機(jī)械檢測(cè)法、電磁檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、射線檢測(cè)法以及機(jī)器視覺檢測(cè)法。其中機(jī)械檢測(cè)法是采用接觸式檢測(cè)，可靠性不好、精度較差；電磁檢測(cè)法是在輸送帶里事先布置傳感線圈，所以成本很高并且損害后難以修理；利用X射線來判斷縱向撕裂故障的射線檢測(cè)法也存在著成本高昂的問題；而超聲波檢測(cè)法在現(xiàn)今情況下技術(shù)還不夠成熟，實(shí)際應(yīng)用情況欠佳?；谝陨显?，可靠性好、成本低、精度高的機(jī)器視覺法就成為了研究的重點(diǎn)。李海濱等人利用激光發(fā)生器向輸送帶的底部發(fā)射“一”字激光，相機(jī)將拍攝好的激光條紋傳送給計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)檢測(cè)是否出現(xiàn)縱向撕裂故障，取得了一定的效果，但是也存著計(jì)算機(jī)處理圖片所導(dǎo)致的實(shí)時(shí)性差的問題。針對(duì)該問題，本文以嵌入式控制器為核心設(shè)計(jì)了縱向撕裂故障檢測(cè)器，然后利用WiFi與計(jì)算機(jī)通信，從而構(gòu)成縱向撕裂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、并且采用非接觸設(shè)計(jì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于嵌入式的煤礦輸送帶縱向撕裂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。該系統(tǒng)的主要組成部分包括：基于嵌入式的縱撕故障檢測(cè)器、“一”字線激光器、CMOS攝像頭、計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）、以及無線路由器。

激光器先投射“一”字線激光條紋到輸送帶上，條紋與輸送帶的方向垂直，并且要保證條紋的長(zhǎng)度與輸送帶的寬度相等，當(dāng)輸送帶出現(xiàn)撕裂故障的時(shí)候，該激光條紋的形狀就會(huì)發(fā)生明顯變化；這些圖像信息由面陣CMOS攝像頭采集后傳送到嵌入式處理器，處理器會(huì)對(duì)圖像信息進(jìn)行分析和處理，判斷激光條紋形變的程度，當(dāng)形變程度大于其設(shè)定值時(shí)，處理器即認(rèn)定輸送帶發(fā)生縱向撕裂故障，檢測(cè)器會(huì)發(fā)出故障報(bào)警，并將故障監(jiān)測(cè)信息傳送到個(gè)人計(jì)算機(jī)中[2]。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 基于嵌入式的縱撕故障檢測(cè)器硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)器硬件電路主要是由嵌入式芯片、外部存儲(chǔ)電路、電源電路、攝像頭模塊電路、USB接口電路等組成。其中檢測(cè)器的嵌入式芯片選用的是三星公司生產(chǎn)的S3C2440，功耗和價(jià)格都比較低，但是其最高主頻達(dá)到了400 MHz，性能較強(qiáng)，該芯片集成了LCD液晶顯示器控制器、中斷控制器、攝像頭控制器、中斷控制器、GPIO等外設(shè)，能夠滿足本控制器的工作要求。檢測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 故障檢測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 USB接口電路設(shè)計(jì)

由于“通用串行外部總線”可以支持多種外部設(shè)備，因此在嵌入式設(shè)備中該接口有著非常重要的地位，在本檢測(cè)器中，USB總線采用2.0版的規(guī)范，傳輸速度可以達(dá)到480 Mbit/s，而USB接口主要是用來支持WiFi網(wǎng)卡。

2.2 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器程序的遠(yuǎn)程下載和調(diào)試，本文也支持以太網(wǎng)通信。其中以太網(wǎng)通信電路的核心器件是以太網(wǎng)控制芯片DM9000A，該芯片既可以支持半雙工也可以支持全雙工[3]。

2.3 攝像頭接口電路設(shè)計(jì)

嵌入式芯片S3C2440內(nèi)部就集成有攝像頭控制器，該控制器可以控制攝像頭采集圖像以及傳輸信息，并且芯片引出了DVP接口。本系統(tǒng)選用的攝像頭型號(hào)為ov7740，將圖像的輸出格式設(shè)置為YUV4∶2∶2，輸出圖像的分辨率可以達(dá)到640×480，然后微控制器中的攝像頭控制器將采集到的該格式的圖像轉(zhuǎn)換成RGB24格式的圖像并將其保存。

2.4 外部存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

2.4.1 FLASH電路設(shè)計(jì)

由于該控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能較為復(fù)雜，軟件的體量也比較大，所以我們選用了FLASH存儲(chǔ)器用于存放數(shù)據(jù)。FLASH存儲(chǔ)器又稱閃存，不僅具備EEPROM的電子可擦除的性能，并且讀取速度更快還不會(huì)因?yàn)閿嚯姸鴣G失數(shù)據(jù)，近年來FLASH逐步替代EEPROM作為嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器的地位。選用三星的NAND FLASH，型號(hào)是K9F2G08U0M，容量為64M，I/O為8位。既可通過LPC1788從FALSH中讀寫數(shù)據(jù)，也可以通過USB接口向FLASH寫入數(shù)據(jù)，便于修改程序[4-5]。

2.4.2 動(dòng)態(tài)RAM（SDRAM）電路

SDRAM雖然在掉電之后會(huì)丟失數(shù)據(jù)，但相較于Flash存儲(chǔ)器，其讀寫速度要快很多，并且和靜態(tài)RAM（SRAM）相比，SDRAM容量更大，價(jià)格也更便宜。所以SDRAM應(yīng)用很廣泛，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以加快運(yùn)行速度。本文選用三星公司的K4S561632N，容量為64 MB[6-7]。

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，要使本系統(tǒng)能夠正常通過，則需要5V、1.3 V、3.3 V三個(gè)電壓等級(jí)，檢測(cè)器采用5 V作為輸入電壓，并利用AP3407和LTC3406兩個(gè)芯片分別把電壓降低至3.3 V和1.3 V。

3 基于嵌入式的縱撕故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 面陣CMOS攝像頭驅(qū)動(dòng)程序

編寫攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，主要需要編寫兩部分。由于CMOS攝像頭是一個(gè)IIC設(shè)備，所以需要編寫相應(yīng)的IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；第二就是根據(jù)V4L2標(biāo)準(zhǔn)編寫主體驅(qū)動(dòng)。面陣CMOS攝像頭驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)程序流程圖

3.2 縱向撕裂監(jiān)控程序

由于基于嵌入式的故障檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)依靠WiFi進(jìn)行通信，所以需要將嵌入式平臺(tái)設(shè)置為服務(wù)器模式，而計(jì)算機(jī)設(shè)置為客戶端模式；然后通過調(diào)用相應(yīng)函數(shù)打開攝像頭，采集圖像數(shù)據(jù)并將其保存到內(nèi)存空間中；最后微控制器采用縱向撕裂故障檢測(cè)算法提取內(nèi)存空間中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和檢測(cè)；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，檢測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過WiFi將報(bào)警信號(hào)和圖像傳遞給計(jì)算機(jī)。監(jiān)控程序流程圖如圖4所示[8]。

圖4 縱向撕裂監(jiān)控程序流程圖

3.3 輸送帶縱向撕裂算法

當(dāng)輸送帶發(fā)生縱向撕裂故障時(shí)，“一”字線激光會(huì)發(fā)生變化。第一種情況是縱向撕裂較為嚴(yán)重，激光線在撕裂處斷開，如下頁圖5所示；另一種情況是撕裂程度較低，激光線并沒有斷開，但是發(fā)生了較為明顯的形變，如下頁圖6所示。雖然以上兩種情況有所區(qū)別，但是都可以根據(jù)算法來檢測(cè)區(qū)分是否發(fā)生了撕裂故障。具體過程有：圖像剪切選擇、R分量提取、R分量中值濾波、提取激光線骨架、鄰域求差分檢測(cè)斷點(diǎn)、均值濾波、求二階導(dǎo)數(shù)檢測(cè)波動(dòng)。通過該算法即可準(zhǔn)確檢測(cè)出激光線是否發(fā)生形變，進(jìn)而斷定輸送帶是否發(fā)生縱向撕裂，算法流程圖如圖7所示[9]。

圖5 激光線斷裂圖

圖6 激光線形變圖

圖7 縱向撕裂算法流程圖

4 結(jié)語

帶式輸送機(jī)是煤礦運(yùn)輸?shù)闹髁υO(shè)備，而輸送帶也是帶式輸送機(jī)中非常重要的部件。由于煤礦井下工作環(huán)境較為惡劣，輸送帶容易被煤矸石等異物劃傷，從而造成輸送帶的縱向撕裂。所以以嵌入式為核心，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)的輸送帶縱向撕裂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其可通過微控制器對(duì)攝像頭采集的圖像進(jìn)行處理從而判斷是否發(fā)生縱向撕裂故障，然后通過WIFI將信號(hào)傳送給上位機(jī)，不僅能夠準(zhǔn)確識(shí)別縱向撕裂故障、可靠性高還能減少工作面布線，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。