何建方 席濤 黃果 李萍

1. 韶關(guān)東陽(yáng)光自動(dòng)化設(shè)備有限公司 廣東 韶關(guān) 512721；2. 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海南 瓊海 571400

引言

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，若人為去檢測(cè)，必然會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)效率低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)準(zhǔn)確性跟人的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)聯(lián)度[1-3]。隨著智能制造的發(fā)展，視覺(jué)檢測(cè)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品檢測(cè)，可進(jìn)行產(chǎn)品的外觀(guān)檢測(cè)、缺陷檢測(cè)等，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全機(jī)械化，減少人力資源成本[4-6]。

視覺(jué)檢測(cè)主要流程為攝像機(jī)對(duì)檢測(cè)物品進(jìn)行拍照，對(duì)照片進(jìn)行處理，得到檢測(cè)結(jié)果，其照片質(zhì)量?jī)?yōu)為關(guān)鍵，照片的質(zhì)量很大程度決定于拍照光源的控制，通常采用光源控制器來(lái)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)整[7]。本文根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種可以匹配多種外部觸發(fā)信號(hào)電壓輸入、可以控制多個(gè)相機(jī)和多個(gè)光源、可以結(jié)合當(dāng)前環(huán)境光來(lái)自適應(yīng)達(dá)到所需的光源亮度的光源控制器，匹配多種光源輸入適用于多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，可以控制多個(gè)相機(jī)和多個(gè)光源可得到物品多個(gè)角度的結(jié)果，提高檢測(cè)精確度，自適應(yīng)環(huán)境光，在不同的環(huán)境光種都能保證檢測(cè)圖片質(zhì)量，提高整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的可靠性。

1 光源控制器整體設(shè)計(jì)

本文為適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需求，研究了一種新型的光源控制器，通過(guò)核心控制器芯片來(lái)接收PC端發(fā)來(lái)的命令，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送到光源端實(shí)現(xiàn)調(diào)光?？傮w設(shè)計(jì)框架如圖1所示，光源控制器的設(shè)計(jì)分為六大模塊：①主控模塊：采用ARM內(nèi)核處理器，負(fù)責(zé)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以及外設(shè)的控制。具體為，檢測(cè)光電傳感器的信號(hào)，環(huán)境光亮度值，進(jìn)行處理后，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)光源的亮度以及開(kāi)關(guān)方式。②環(huán)境光采集模塊：通過(guò)光敏電阻采集當(dāng)前環(huán)境光的亮度，經(jīng)過(guò)中值平均濾波算法處理后，和PC端需要的光源亮度進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而得到控制光源的發(fā)光亮度。③電壓轉(zhuǎn)換模塊：通過(guò)DCDC電路對(duì)輸入電源電壓進(jìn)行降壓處理，可適應(yīng)7～24V大范圍的輸入電源電壓。④光源驅(qū)動(dòng)模塊：利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)可對(duì)光源亮度進(jìn)行無(wú)極調(diào)光。⑤多路光源及相機(jī)信號(hào)光耦觸發(fā)模塊：a.物品的拍照可有多個(gè)角度多個(gè)相機(jī)拍攝，需要開(kāi)啟不同方向的光源，一個(gè)光源開(kāi)啟對(duì)應(yīng)一個(gè)相機(jī)的拍攝，可進(jìn)行多個(gè)光源和多個(gè)相機(jī)協(xié)同拍照。b.恒流二極管的使用，可適應(yīng)3.3V～24V寬范圍的外部觸發(fā)電壓信號(hào)，完美解決不同器件之間電壓不匹配的問(wèn)題。⑥人機(jī)交互界面及顯示界面：可顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，并可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架

2 控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

控制器采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器為主體[8]，設(shè)計(jì)以下硬件設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。

2.1 環(huán)境光采集模塊設(shè)計(jì)

在光源控制器中加入光敏電阻作為環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)，通過(guò)光敏電阻隨著光亮度變化阻值變化的特性來(lái)感應(yīng)光強(qiáng)度，加入AD采集電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將采集的光強(qiáng)度信號(hào)傳輸給主控模塊進(jìn)行處理。

2.2 多路光源及相機(jī)信號(hào)光耦觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)

在物品四周布四個(gè)光電傳感器，光源和相機(jī)，進(jìn)行多角度拍攝。當(dāng)某一個(gè)光電傳感器被觸發(fā)后，將發(fā)出某一個(gè)相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)該相機(jī)的拍照模式，直至完成四個(gè)方位的拍照。另外，恒流二極管的使用，可適應(yīng)3.3V～24V寬范圍的外部觸發(fā)電壓信號(hào)，完美解決不同器件之間電壓不匹配的問(wèn)題。

2.3 主控模塊設(shè)計(jì)

主控采用STM32微控制器作為數(shù)據(jù)處理中樞[9-10]，通過(guò)串口通信方式和PC端通信，使用脈沖寬度調(diào)制方式進(jìn)行光源控制。使用中值平均濾波算法對(duì)環(huán)境光和PC端所需的光源亮度進(jìn)行處理，得到控制光源的實(shí)際發(fā)光亮度。

2.4 電壓轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計(jì)光源控制器可適應(yīng)7V至24V輸入電壓，通過(guò)DCDC和LDO的聯(lián)用，設(shè)計(jì)如下圖2所示電路對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證光源控制器有一個(gè)穩(wěn)壓的所需電壓輸出。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換模塊

2.5 光源驅(qū)動(dòng)模塊

光源控制器需要長(zhǎng)時(shí)間工作，發(fā)熱大，驅(qū)動(dòng)電路采用低內(nèi)阻的場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輸出，如下圖3所示。光源的亮度調(diào)節(jié)采用脈沖寬度調(diào)制方式控制，占空比和燈的亮度成比例關(guān)系。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)模塊

2.6 人機(jī)交互界面及顯示界面

板載三個(gè)按鍵和一個(gè)四位顯示的數(shù)碼管[11]，既可以實(shí)現(xiàn)光源亮度的手動(dòng)調(diào)節(jié)和工作模式的切換，也可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前通道光源的亮度值。

3 控制器軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的總體流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用Keil公司針對(duì)ARM硬件平臺(tái)推出的RealView MDK對(duì)STM32進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)[12]。

在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件需要協(xié)調(diào)多個(gè)模塊進(jìn)行運(yùn)作，數(shù)據(jù)在多個(gè)模塊之間進(jìn)行傳輸轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，通過(guò)各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)光源自動(dòng)調(diào)節(jié)和多個(gè)相機(jī)協(xié)調(diào)拍照。

圖4 系統(tǒng)總體流程圖

3.2 環(huán)境光檢測(cè)及光電傳感器觸發(fā)程序設(shè)計(jì)

下圖5為環(huán)境光檢測(cè)及光電傳感器觸發(fā)流程。

圖5 環(huán)境光檢測(cè)及光電傳感器觸發(fā)流程

通過(guò)光敏電阻檢測(cè)環(huán)境光輸入到ARM控制板，和電腦端傳輸?shù)乃韫庠戳炼茸鲇?jì)算，得到光源最終亮度；

通過(guò)光電傳感器時(shí)刻檢測(cè)外部觸發(fā)信號(hào)的有無(wú)，并將其觸發(fā)信號(hào)傳輸給ARM控制板，控制光源亮度；同時(shí)也傳輸給PC，用于觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行拍照。

3.3 環(huán)境光處理算法

在本設(shè)計(jì)中，我們使用中值平均濾波算法來(lái)對(duì)環(huán)境光采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，首先對(duì)環(huán)境光進(jìn)行連續(xù)采樣N次，然后把N次采樣的值進(jìn)行冒泡從小到大排序，丟棄極值后，對(duì)剩下值進(jìn)行求平均作為本次采樣的環(huán)境光值。由該環(huán)境光值和電腦端所需的亮度值，我們可得到實(shí)際光源所需的亮度值。根據(jù)此方法，可以兼容不同亮度的環(huán)境光，適用于各種場(chǎng)合。

算法的程序代碼如下：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文研究的新型光源控制器已大規(guī)模應(yīng)用于各類(lèi)產(chǎn)品視覺(jué)缺陷檢測(cè)，如圖6所示為使用本設(shè)計(jì)光源控制器的視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備，極大提升了產(chǎn)品缺陷檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，降低用工成本。一臺(tái)設(shè)備可代替5人，檢測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)97%以上，圖7所示為最終檢測(cè)結(jié)果。此設(shè)備在工廠(chǎng)投入使用后，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備

圖7 檢測(cè)結(jié)果