摘要 在軸承表面的質(zhì)量檢驗中，對軸承表面疵病的檢驗十分重要， 因其直接關(guān)系到安裝后軸承的壽命。目前這種檢測仍然采用目視 檢測手段，既費時費力，又容易漏檢，檢測結(jié)果可靠性差。 本論文設(shè)計一套基于c c d 成像、數(shù)字圖像處理、p l c 控制 技術(shù)實現(xiàn)的在線軸承自動檢測系統(tǒng)，內(nèi)容包括圖像的自動采集、 圖像預(yù)處理、圖像特征的提取以及判別，通過圖像處理與分割， 自動判別提取原圖像中感興趣目標(biāo)的信息；通過邊緣檢測，可以 得到疵病的面值大小。這些圖像處理的核心算法采用了 m m ) ( s s e 優(yōu)化的算法，保證實時處理圖像；采用了并行方式連 接3 個c c d 像機和3 塊圖像采集卡，這樣圖像數(shù)據(jù)流通過p c i 總線實時傳輸給p c ，保證實時采集。這些并行處理方法的采用， 可以較好的解決實時性與準(zhǔn)確性要求的矛盾，從而減輕工人的勞 動強度和提高生產(chǎn)效率。 關(guān)鍵詞t 疵病檢測在線檢測圖像處理并行處理實時處理 p l c a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o 衄tt ob e a r i n gq u a l 時d e t e c t i o nt h a tt 1 1 es 叫e n a w si n s p e c t i o n nd i r c c t l yr e l a t et ot h el e n g t l lo fb e a r i n gl i f ew i l i c h i sm o u t e d a tt h ep r c s e n tt i m e ，廿l ei i l e t h o dw h i c hw e1 1 s e di sc h e c k i i ls i g h t nn o to r d yw a s t eal o to f t i m e ，b u ta l s om a k et l l eu i l i s p e c t e d b e 鋤g se 器i l yn e 蕾e c t i nt t l i sp a p c r ，d e s i 盟as y s t e mt o 咖a t i c a l l yo n l i n eb e a f i n g i n s p c c t i o nb a s e do nc c dc 鋤e r a ，d i g i 乜li m a g ep r o c e s s i n g ，a n d c o r l 舡d lt e c l l i l o l o g ) ro fp l c t h es y s t e mi n c l u d e si r n a g ec o l l e c t i o n ， p r o _ p r o c e s s ，i m a g e c h a r a c t e r e x t r a c t i o 地 i t c a n a 咖m 砒i c a l l y d i 虢r e n t ia _ t c 鋤dp i c k - u pa v a i l 如l ei 橢a t i o no ft h e 耐g i n a li m a g e b yi m a g pp m c e s s 血g 趾ds e g m e n t a t i o n ；m a ya u t o m a t i c a l l yd e t e c t 也e a r e as i z eo fn a w sb ye d g ed e t e c 曲n 1 1 1 e s en u c l e a ra l g o r i t h i n so f i r n a g ep r o c e s s i n ga d o p t e d m a tm m x s s eo p t i m i z e d ，e n s u r e r e a l 一t i n l ep r o c e s s 恤s ei m a g e s w 色a l s ou s ep a r a l k lc o n n e c t i o n 鋤o n gt l l r c ec c dc 砌e r 硒a n dt h r e ep i e c e so fi m a g ec o l l e c t i o nc l i p ， t l l e nt h ed a t as t r e 踟打a n s m i tp cb ym ep c ib u s ，e 1 1 s u 陀r e a l 一t i i n e c o l l e c t i o n 1 1 1 e s ea l g o r i n u n so fp a r a l l e lp r o c e s s i n gw e r ea d o p t e d t m sc a nw c l lr e s o l v e st h ep r o b l e mb e t w e e nr e a l - t i l n ep m c e s sa n d 廿l e a c c u m c yo fi i l s p e c t i o n ，s o 也i sc 趾r e d u c e s 山el o a do fw o r k e r 鋤d r a i s 抽gp r o d u c t i v i t y k e yw o r d ： n g wd e t e c t i o nt h eo n - l i n ei n s p e c t i o n i m a g e p r o c e s s i n g p a r 矗l l e lp r o c 鼯s i n g r e a l - t i m e p r o c e s s i n g p l c 2 長春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的碩士學(xué)位論文并行處理技術(shù)在軸承表面疵 病檢測中的應(yīng)用是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取 得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者簽名：毖 一年么月監(jiān)日 長春理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“長春理工大學(xué)碩士、博士學(xué) 位論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意長春理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機 構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 長春理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn) 行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。 作者簽名：鏖4 掃建劍年名月世日 指導(dǎo)導(dǎo)師簽名：主! l 壘盂起。山毋月胡 第一章緒論 1 1 軸承表面探傷中的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著世界上精密制造技術(shù)的飛速發(fā)展和產(chǎn)品精度的日益提 高，產(chǎn)品檢測和試驗技術(shù)也獲得了較大的發(fā)展，并呈現(xiàn)出多態(tài)性 和超精密的特性。從納米制造到納米測量，從智能儀器、虛擬儀 器到網(wǎng)絡(luò)儀器，國內(nèi)軸承行業(yè)測試與試驗技術(shù)在多方面逐步與世 界接軌，并不斷開發(fā)出一系列適合國情和國家標(biāo)準(zhǔn)的測試儀器與 試驗設(shè)備。另一方面，中國正在逐步成為世界上的產(chǎn)品制造中心， 國外的先進(jìn)制造技術(shù)和測試技術(shù)日益沖擊著國內(nèi)的軸承行業(yè)。由 于在應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域和國外存在的差距，以及行業(yè)內(nèi)較多的企業(yè)對 產(chǎn)品質(zhì)量和檢測方面認(rèn)識不夠，造成目前國內(nèi)的軸承檢測儀器和 試驗設(shè)備仍然與國外的同類先進(jìn)企業(yè)存在著較大的差距。為彌補 產(chǎn)品檢測和試驗技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)方面存在的不足，同時也為 了滿足軸承行業(yè)控制檢測和技改成本，改變過去高精度檢測儀器 或設(shè)備只能從國外進(jìn)口的局面，就需要我們在各方面都加以改善， 并針對某些領(lǐng)域進(jìn)行專項突破。從總體考慮，一方面要在先進(jìn)技 術(shù)上進(jìn)行突破，另一方面要提高已有產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。兩 個方面齊頭并進(jìn)，相輔相成，這樣才能在趕上世界潮流的同時， 更能滿足國內(nèi)企業(yè)的實際需要。 目前，國內(nèi)外在軸承檢測中大量使用圖像檢測技術(shù)。圖像檢 測是非接觸檢測，它主要是利用光學(xué)技術(shù)對被測物質(zhì)成像，然后 通過一定的處理，實現(xiàn)對物質(zhì)外部特征的檢測。對于圖像檢測技 術(shù)的研究，日本、美國、加拿大、德國等國開始的較早，研究和 應(yīng)用的水平較高。精密光測數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)或基于圖像 的精密測量技術(shù)，在當(dāng)今的數(shù)字信息時代得到了越來越迅速的發(fā) 展和越來越廣泛的應(yīng)用，并顯示了越來越重要的地位。由于光測 具有非接觸，大視場和適合各種運動和靜態(tài)檢測等不可替代的優(yōu) 點，進(jìn)一步推廣應(yīng)用精密光測圖像處理分析技術(shù)對國防建設(shè)和經(jīng) 濟(jì)建設(shè)都有積極的作用。軸承表面疵病檢測一直都是由操作人員 人眼目視辨別檢測，自動化和生產(chǎn)效率較低，人的勞動強度大。 并且長時間工作時，由于疲勞和其它生理方面的原因，會導(dǎo)致人 眼的觀測結(jié)果不穩(wěn)定，進(jìn)而容易造成漏判和誤判，從而為安全生 產(chǎn)留下隱患。為適應(yīng)現(xiàn)代化加工生產(chǎn)需要，提高柔性制造水平， 在現(xiàn)存檢測手段的基礎(chǔ)上，大量引進(jìn)和采用數(shù)字圖像采集及處理 技術(shù)，即計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)，實現(xiàn)信息的獲取、 傳輸、處理、控制等功能，使無損探傷檢測工作實現(xiàn)自動化、 數(shù)字化的實時檢測便成為世界各國都急于迫切解決的問題。針對 于此問題，我們利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對軸承表面缺陷的成像、 處理及自動判別進(jìn)行了深入和系統(tǒng)的研究。 由于該項技術(shù)研究具有較強的通用性和功能擴展等特點，在 其它產(chǎn)品的無損檢測中具有廣泛的推廣價值，可用于各種無損檢 測技術(shù)，對于檢測過程的安全性，提高檢測水平，檢測精度和生 產(chǎn)效率，大幅度地降低人的勞動強度，降低生產(chǎn)成本也具有重大 的實用意義。 1 2 機器視覺技術(shù)的應(yīng)用 機器視覺主要用計算機來模擬人的視覺功能從客觀事物的 圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解和計算，最終用于實際檢 測、測量和控制。一個典型的工業(yè)機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括光源、 光學(xué)系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、 智能判斷決策模塊和機械執(zhí)行模塊，如圖1 1 所示。 圖1 1 圖像處理示意圖 首先采用攝像機獲得被測目標(biāo)的圖像信號，然后通過a d 轉(zhuǎn) 換變成數(shù)字信號傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮 度和顏色等信息，進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，然后再根據(jù) 預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則輸出判斷結(jié)果，去控制驅(qū)動執(zhí)機構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的處 理。 機器視覺是一項綜合技術(shù)，其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機 械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器 技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、人機接口技術(shù) 等。機器視覺強調(diào)實用性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境， 要有合理的性價比、通用的工業(yè)接口、較高的容錯能力和安全性， 并具有較強的通用性和可移植性。它更強調(diào)實時性，要求高速度 和高精度。 機器視覺技術(shù)的誕生和應(yīng)用，極大地解放了人類勞動力，提 高了生產(chǎn)自動化水平，改善了人類生活現(xiàn)狀，具有很好的應(yīng)用前 景。該項技術(shù)目前在我國正處于起步階段，急需廣大科技工作者 的共同努力，來迅速提高我國機器視覺技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水平， 為現(xiàn)代化建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。賦予機器視覺是數(shù)字圖像研究的 重要課題之一，其目的是要通過圖像定位、圖像理解，向機器運 動控制系統(tǒng)反饋目標(biāo)或自身的狀態(tài)與位置信息，使其在復(fù)雜、變 化的環(huán)境中具有自適應(yīng)的能力。 目前，機器視覺已成功地應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，大幅度地提 高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，保證了生產(chǎn)的速度。例如產(chǎn)品包裝、 印刷質(zhì)量的檢測，飲料行業(yè)的容器質(zhì)量檢測，飲料填充檢測，飲 料瓶封口檢測，木材廠木料檢測，半導(dǎo)體集成塊封裝質(zhì)量檢測， 卷鋼質(zhì)量檢測，關(guān)鍵機械零件的工業(yè)c t 等。在海關(guān)，應(yīng)用x 射 線和機器視覺技術(shù)進(jìn)行不開箱貨物通關(guān)檢驗，大大提高了通關(guān)速 度，節(jié)約了大量的人力和物力。在制藥生產(chǎn)線上，機器視覺技術(shù) 可以對藥品包裝進(jìn)行檢測，以確定是否裝入正確數(shù)量的藥粒。機 器視覺不會有人眼的疲勞，有著比人眼更高的分辨精度和速度， 借助紅外線、紫外線、x 射線、超聲波等高新探測技術(shù)，它在探 測人眼不易看見的物體和高危險場景時，更具有突出的優(yōu)點。 本文利用c c d 像機采集軸承表面圖像，再利用數(shù)字圖像處 理分析技術(shù)完成對軸承表面疵病的自動攝取、分析及判別，并最 終從產(chǎn)品中分離出合格品和次品。系統(tǒng)工作框圖如圖1 2 所示。 被測軸承c c d 像機圖像處理部分結(jié)果 圖1 2 系統(tǒng)工作框圖 1 3 圖像并行處理技術(shù) 圖像處理是信號與信息處理學(xué)科的一個重要組成部分，在4 0 余年的發(fā)展歷史中，隨著計算機、集成電路等技術(shù)的飛速發(fā)展， 圖像處理無論在算法上、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，還是應(yīng)用上以及普及的程 度上都取得了長足的發(fā)展。 現(xiàn)在的圖像處理，已經(jīng)在理論上、應(yīng)用上取得了突出成果， 并步入大發(fā)展的時期，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們對計算機圖像 處理技術(shù)提出了更高的要求，比如癌細(xì)胞識別技術(shù)、模糊圖像復(fù) 原技術(shù)、景象目標(biāo)識別技術(shù)等等，這些技術(shù)要求計算機能夠處理 更多、更復(fù)雜的圖像信息，有的對實時性要求特別高。因此，圖 像并行處理技術(shù)逐漸被人們所重視。 圖像并行處理技術(shù)具有很強的理論性和實踐性，它的發(fā)展在 很大程度上依賴于計算機并行處理技術(shù)的發(fā)展，同時它又是由于 自己的獨特性而發(fā)展起來的一門獨立的技術(shù)。圖像并行處理技術(shù) 的基本概念是并行性概念，而并行處理器結(jié)構(gòu)和并行處理算法則 是實現(xiàn)并行性的基本方法。在圖像并行處理的研究中，從算法到 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換是非常重要的。因此，在一個圖像并行處理系統(tǒng)中， 如何運用并行處理技術(shù)以及采用何種并行處理技術(shù)，使設(shè)計圖像 并行處理系統(tǒng)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 本論文的軟件應(yīng)用原理如圖1 3 所示： 圖像增強 邊緣檢測 圖 圖像去噪 圖 圖像分割 圖 像 圖像編碼 斗像 目標(biāo)表達(dá) 像 處 分 識 圖像解碼目標(biāo)提取 別 理析 圖1 3 軟件應(yīng)用原理圖 1 4 本論文研究的主要內(nèi)容 本論文研究的主要內(nèi)容如下： 1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計： 1 ) 光源設(shè)計：軸承的瑕疵通過c c d 像機采集的圖像過程中， 由于軸承表面的眩光造成的采集圖像質(zhì)量下降，對后續(xù)的圖 像處理增加難度，難以保證檢測精度，為了避免或減小此影 響，提出了兩種解決方案。第一種是無影光源的設(shè)計，在實 驗室進(jìn)行初步實驗，基本符合要求。第二種是比較廣泛的磁 粉探傷技術(shù)，初步論證，系統(tǒng)煩瑣，造價偏高，難以體現(xiàn)整 體系統(tǒng)的性價比高的特點。 2 ) c c d 像機選取，圖像采集卡的選取。 3 ) 并行處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計：為了提高系統(tǒng)的檢測效率，提出 了采用并行處理的系統(tǒng)設(shè)計。從軟硬兩個方面入手，提高效 率，盡量滿足系統(tǒng)的實時性要求。采用3 塊面陣c c d 以及 3 塊圖像采集卡并行連接，采集圖像；后續(xù)的圖象處理軟件 系統(tǒng)核心算法采用m m ：s s e 優(yōu)化算法，加快處理速度。 4 ) 控制系統(tǒng)設(shè)計：采用p l c 控制，實現(xiàn)上料、運送、分選 等操作。通過對p l c 在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，使控制系統(tǒng)的 可靠性和工作效率得到了大大的提高；同時通過外設(shè)端口實 現(xiàn)與p c 計算機的通訊，實現(xiàn)實對處理。 2 圖像的預(yù)處理： 1 ) 噪聲去除； 2 ) 圖像增強：采用直方圖均衡化、圖像平滑、圖像銳化等 方法： 3 ) 圖像二值化。 對于三個c c d 像機采集得到圖像，構(gòu)成了被測軸承的完整 信息。為了達(dá)到實時采集，同時實時處理的要求，我們采用 并行連接方式。由于預(yù)處理的核心算法要多次重復(fù)運行，我 們采用m m ) ( s s e 優(yōu)化算法，加快處理速度。從而才能達(dá)到 實時處理要求，為后續(xù)的目標(biāo)圖象識別作基礎(chǔ)。 3 ，目標(biāo)的識別： 1 ) 圖像分割技術(shù)； 2 ) 圖象識別技術(shù)： 通過對圖像分割，邊緣檢測得到疵病的輪廓，采用門限處理 的方式對目標(biāo)進(jìn)行識別。 第二章系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 2 1 系統(tǒng)的組成原理 軸承表面探傷自動檢測系統(tǒng)是由無影光源、c c d 像機、數(shù) 據(jù)采集卡、工業(yè)控制計算機、p l c 控制系統(tǒng)和電源等部分構(gòu)成。 各部分功能如下：在無影光源的照射下，3 個c c d 像機按照固定 的視場對被測軸承的表面進(jìn)行拍攝，形成目標(biāo)圖像；相應(yīng)的3 個 并行連接的圖像采集卡把圖像數(shù)據(jù)流通過總線傳給工業(yè)控制計算 機；計算機進(jìn)行圖像的預(yù)處理、分析及判別，最后根據(jù)判別結(jié)果 計算機給出報警信號和控制信號。p l c 根據(jù)計算機的通訊信號做 出運動指令。系統(tǒng)對圖像處理和分析的所有算法都在并行處理系 統(tǒng)中實現(xiàn)，為了方便系統(tǒng)更新并降低硬件成本，所有的算法都通 過軟件實現(xiàn)。 原理圖如下圖2 1 所示： a - 被測軸承 1 、2 、3 c c d 像機 圖2 1 軸承表面探傷自動檢測系統(tǒng)的原理圖 2 2 系統(tǒng)的工作過程 被測軸承在傳送帶上行進(jìn)，逐個進(jìn)入檢測區(qū)域，在無影燈照 6 射下。在檢測區(qū)域中有三臺高靈敏度c c d 像機，采集被測軸承 表面的圖像，像機生成的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)流通過圖像采集卡傳入工 業(yè)控制計算機，送給檢測軟件進(jìn)行實時的圖像處理及分析，以判 別被檢測軸承表面疵病的情況。根據(jù)探傷情況，由p c 計算機發(fā) 出報警信號并通知p l c ，自動地完成對產(chǎn)品的挑選分離，將不合 格軸承剔除。 ( 1 ) 圖像采集部分解決問題： 1 ) 光源問題。理想的光源能給后續(xù)的圖像處理帶來巨大的 便利，為了得到滿足需求的光源，設(shè)計了無影光源，這樣的情況 下軸承表面就不會產(chǎn)生強烈的眩光，因而對后續(xù)的圖像處理帶來 便利。 2 ) p l c 控制的傳送機構(gòu)把被測軸承送到檢測區(qū)域。這樣就 保證了被測軸承通過光學(xué)系統(tǒng)成像在面陣c c d 上，充分利用c c d 的像元數(shù)目。在面陣c c d 上得到理想的圖像，才能保證系統(tǒng)的 分辨率，進(jìn)而最終保證系統(tǒng)的測量精度。 3 ) 3 臺高靈敏c c d 像機與對應(yīng)的3 塊圖像采集卡采用并 行連接，這樣同時采集到的圖像數(shù)據(jù)流經(jīng)過采集卡同時通過數(shù)據(jù) 總線傳送給工業(yè)控制計算機。保證了實時采集圖像。 4 ) 視場的問題：軸承軸面一周3 6 0 度，這樣3 個像機采 用均布式，每個像機的視場保證采集到1 2 0 度以上的軸面圖像， 這樣就不會產(chǎn)生遺漏，每個像機的檢測邊緣有重合的部分就同時 檢測，任何一個檢測到的疵病，都判斷此軸承為不合格產(chǎn)品。 ( 2 ) 圖像并行處理部分： 1 ) c c d 像機和采集卡的并行連接：主要解決兩方面的問題： 一方面是系統(tǒng)和像機的同步式的問題；另一方面是則是計算機的 數(shù)據(jù)傳輸能力問題。我們系統(tǒng)使用系統(tǒng)同步方式。目前計算機總 線實際數(shù)據(jù)傳輸能力可以達(dá)到1 5 m b 3 2 b s ，因此，在3 2 位p c i 總線環(huán)境里，可同時傳送4 路8 b i t 的數(shù)字視頻灰度圖像。我們采 用3 路c c d 像機同時采集。 采用系統(tǒng)同步方式的3 路視頻同時采集，系統(tǒng)將產(chǎn)生統(tǒng)一的 掃描同步時序，分別送到各個攝像機以同步各個像機的掃描。圖 2 2 給出了系統(tǒng)同步的3 路黑白視頻同時采集的硬件框圖。 圖2 2 采用系統(tǒng)同步方式的3 路黑白視頻同時采集的硬件框圖 2 ) 采集到的圖像，經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)的處理及分析以及 判別，最后通知p l c 自動地完成對產(chǎn)品的挑選分離。該處理過 程采用的并行處理，示意圖如圖2 3 所示： 部件 執(zhí)行 分析 取值 指令在流水線各部件流過的時間關(guān)系 圖2 。3 流水線工作方式 3 ) 圖像處理的核心算法，運算量大，采用m m ) ( s s e 技術(shù) 優(yōu)化算法。得到不錯的加速比。d c b u g 版的測試結(jié)果如表2 1 所 示。 8 表2 1d e b u g 版的運行1 0 0 次算法的測試結(jié)果( 時間單位為s ) 算法c 實現(xiàn) m m x f s s e 加速比 s o b e l1 2 4 5 61 5 7 4 8 7 77 9 0 9 1 8 6 3 32 3 6 3 7 3 21 1 3 9 6 52 0 7 4 0 8 5 9 十字中值濾波 二值化2 6 0 0 9 3 9o 4 5 1 5 7 65 7 5 9 6 9 3 求反2 4 9 3 1 2 4o 3 8 3 1 8 26 5 0 6 3 7 相減 3 5 6 6 9 1 6o 4 0 7 8 4 1 8 7 4 5 8 4 9 上述數(shù)據(jù)主要是對核心算法的運算時間測試得到的。通常將 一幅7 0 0 5 7 6 像素的2 5 6 級灰度圖像與文件讀入內(nèi)存數(shù)組所需時 間約為o 0 0 5 5 o 0 0 6 5 s ，將數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)寫成文件格式所需的時間 0 0 2 4 7 o 0 3 1 3 s 。 ( 3 ) 控制系統(tǒng)設(shè)計：采用p l c 控制，實現(xiàn)上料、運送、分選等 操作。 1 ) 系統(tǒng)控制方式設(shè)為兩種，可用開關(guān)來選擇：手動和自動。 2 ) 軟件設(shè)計中解決幾個問題：掉電保護(hù)、動作互鎖、故障處 理、急停處理。 通過對p l c 在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，使控制系統(tǒng)的可靠性和 工作效率得到了大大的提高：同時通過外設(shè)端口實現(xiàn)與工業(yè)控制 計算機的通訊，實現(xiàn)實時處理。 第三章圖像采集系統(tǒng)設(shè)計 3 1 無影光源的設(shè)計 采用環(huán)形光管，光管發(fā)出的光透過毛玻璃后照射在被測物件 的表面，這樣不會形成強烈的眩光，為后續(xù)的圖像處理降低了難 度。 3 2c c d 像機選取 3 2 1c c d 的光電轉(zhuǎn)換原理 ( 1 ) 電荷的存儲 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd c v i c e ) 電荷耦合器件是一種新型半 導(dǎo)體集成電器件。電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號， 而不同于其它大多數(shù)器件以電流或電壓為信號。因此，c c d 工 作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。 c c d 有兩種基本類型：一是電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體 之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敗＿@類器件稱為表面溝道c c d ( 簡 稱s c c d ) ；二是電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)， 并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定的方向傳輸，這類器件簡稱為體溝道活埋溝 道器件( 簡稱b c c d ) 。我們主要以s c c d 闡述c c d 的基本工 作原理。 構(gòu)成c c d 的基本單元是m o s ( 今屬氧化物半導(dǎo)體) 結(jié) 構(gòu)。 如圖3 1 ( a ) 所示： 1 0 u 驢u m 譚帝霄 p 型半導(dǎo)體 ( a ) 耗盡區(qū) ( b ) 反型層 ( e ) ( a ) 柵極電壓為零； 柵極電壓小于域值電壓；( c ) 柵極電壓大于域值電壓： 圖3 1 單格c c d 柵極電壓變化對耗盡區(qū)的影響 在柵極g 施加正偏壓u g 之前，p 型半導(dǎo)體中空穴( 多數(shù) 載流子) 的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓u g ( 此時u g 小于 p 型半導(dǎo)體的閾值電壓u k ) 后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖 3 2 1 ( b ) 所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體體內(nèi)延 伸。當(dāng)u p u t h 時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢( 常稱為表面 勢，用m s 表示) 變的如此之高，以至于將半導(dǎo)體之內(nèi)的電子( 少 數(shù)載流子) 吸引到表面，形成層極薄的( 約1 0 。2 聊) 但電荷 濃度很高的反型層，如圖3 1 ( c ) 所示。反型層電荷的存在表明 了m o s 結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。然而，當(dāng)柵極電壓由零突變到高 于閾值電壓時，輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建 立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延 伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如 果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，表面勢下降， 氧化層上的電壓增加。當(dāng)提供足夠的少數(shù)載流子時，表面勢可降 到半導(dǎo)體材料費米能級中f 的兩倍。 表面勢o s 隨反型層電荷濃度q 州v 、柵極電壓u g 的變化 表示在圖3 2 和圖3 3 中。 圖3 2 中的曲線表示的是在摻雜為1 0 “c m 。的情況下，對于 氧化層的不同厚度在不存在反型層時，表面勢中s 與柵極電壓 u g 的關(guān)系曲線。 圖3 _ 3 為柵極電壓不變的情況下，表面勢o s 與反型層電荷 密度的關(guān)系曲線。 圖3 2 表面勢o s 與柵極電壓u o 的關(guān)系曲線 q n 枷r ，m ：) 圖3 3 表面勢o s 與反型層電荷密度q i n v 的關(guān)系曲線 曲線的直線性越好，說明表面勢巾s 與反型層電荷濃度 q i n v 有著良好的反比例線性關(guān)系。這種線性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體 物理中的“勢阱概念描述。電子所以被加有柵極電壓u g 的m o s 結(jié)構(gòu)吸引的氧化層與半導(dǎo)體的交界面處，是因為那里的勢能最低。 在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓u o 的關(guān)系恰 如o s 與u g 的線性關(guān)系。m 0 s 電容存儲信號電荷的容量： q = c o u g a ( 3 1 ) ( 2 ) 電荷耦合 能夠產(chǎn)生耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)表面態(tài) 密度等因素決定。理論計算和實踐證實，為了不使電極間隙下方 界面處出現(xiàn)阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘，間隙的長度應(yīng)小于3 m 。這 大致是同樣條件下半導(dǎo)體表面深耗盡區(qū)寬度的尺寸。當(dāng)然如果氧 化層厚度、表面態(tài)密度不同，結(jié)果也會不同。但絕大多數(shù)c c d ， l m 的間隙是足夠小的。以電子為信號電荷的c c d 稱為n 型 溝道c c d 。而以空穴為信號電荷的c c d 稱為p 型溝道c c d 。 由于電子的遷移率( 單位場強下的運動速度) 遠(yuǎn)大于空穴的遷移 率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作頻率高得多。 ( 3 ) c c d 的電極結(jié)構(gòu) c c d 電極的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)包括轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、 信號輸入結(jié)構(gòu)和信號檢測結(jié)構(gòu)。但它們都必須滿足使電荷定向轉(zhuǎn) 移和相臨勢阱耦合的基本要求。常用的c c d 電極結(jié)構(gòu)如下：三 相c c d 有三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)、三相電阻海結(jié)構(gòu)、三相交疊硅 柵結(jié)構(gòu)等；二相c c d 有二相硅鋁交疊柵結(jié)構(gòu)、階梯狀氧化物結(jié) 構(gòu)、注入勢壘二相結(jié)構(gòu)等；四相c c d 有兩層金屬中間淀積絕緣 物結(jié)構(gòu)、多晶硅- 金屬交疊柵結(jié)構(gòu)、兩層鋁電極用陽極氧化鋁絕緣 等。 ( 4 ) 電荷的注入 在c c d 中。電荷注入的方法很多，歸納起來可分為光注入 和電注入兩類。 光注入當(dāng)光照射到c c d 硅片上時，在柵極附近的半 導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù) 載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正 面照射式與背面照射式。c c d 攝像器件的光敏單元為光注入方 式。光注入電荷 q p = ，7 9 n e o a t c ( 3 - 2 ) 式中：卵為材料的量子效率；q 為電子電荷量；n e 0 為入 射光的光子流速率；a 為光敏單元的受光面積；t c 為光注入時 間。 電注入所謂電注入就是c c d 通過輸入對信號電壓 或電流進(jìn)行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注 入的方法很多，但常用的電注入方法主要有兩種，即電流注入法 和電壓注入法。 ( 5 ) 電荷的檢測( 輸出方式) 在c c d 中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。c c d 的重要特性之一是信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電 容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房?以盡可能地減小時鐘脈沖容性地饋入輸入電路的程度。目前 c c d 的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置 柵放大器輸出。 ( 6 ) c c d 的特性參數(shù) 轉(zhuǎn)移效率玎和轉(zhuǎn)移損失率占 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征c c d 性能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移 后到達(dá)下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為轉(zhuǎn)移效 率。鍘如在酆時，注入到某電極下的電荷為q ( o ) ；在時問t 時，大多數(shù)電荷在電場的作用下向下一個電極移動，但是總有一 小部分電荷由于某種原因駐留在該電極下。若被留下來的電荷為 o ( t ) ，則轉(zhuǎn)移效率為 野= 罵鏟小器 ， q ( 0 )9 ( 0 ) 如果轉(zhuǎn)移損失率定義為 s ：墼 ( 3 4 ) g ( o ) 則轉(zhuǎn)移效率與轉(zhuǎn)移損失率的關(guān)系為 卵= 1 一s( 3 - 5 ) 理想情況下叩應(yīng)等于l ，但實際上電荷在轉(zhuǎn)移過程中是有 損失的，所以叩總是小于l 的( 常為o 9 9 9 9 以上) 一個電荷 為q ( o ) 的電荷包，經(jīng)過n 次轉(zhuǎn)移后，剩余的電荷量為 q ( 行) 2q ( o ) 叩” ( 3 6 ) 這樣，經(jīng)過n 次轉(zhuǎn)移前后電荷電量之間的關(guān)系為 1 4 她：。一* q ( 0 ) ( 3 - 7 ) 如果玎= o 9 9 ，經(jīng)過2 4 次轉(zhuǎn)移后罷舞= 7 8 ，而經(jīng)過1 9 2 次轉(zhuǎn)移后，警掣= 1 4 。由此可見，提高轉(zhuǎn)移效率，7 是電荷耦 掣【d ) 合器件能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。 影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素是界面態(tài)對電荷的俘獲。因 此，常采用“胖零”工作模式，即讓“零”信號也有一定的電荷。 圖3 4 給出了兩種不同頻率下的電荷轉(zhuǎn)移損失率與“胖零”電荷 之間的關(guān)系。圖中c 代表轉(zhuǎn)移電極的有效電容。q ( 1 ) 代表“1 ” 信號電荷，q ( 0 ) 代表“0 ”信號電荷。從圖中可以看出，增加 “0 ”信號電荷，可以減少每次轉(zhuǎn)移電荷的損失。 t t ) 0 1 o 0 8 口0 6 0 0 4 d 0 2 0 0 】 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 l 圖3 4 兩種不同頻率下的電荷轉(zhuǎn)移損失率與“胖零”電荷之間的關(guān)系 工作頻率f a ) 決定工作頻率下限因素 為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對注入信號的干擾，注入 電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間t 必須小于少數(shù) 載流子的平均壽命f ，即 在正常工作條件下，對于三相c c d ? 。l f = 十 3 3 1 故， 可見，工作頻率的下限與少數(shù)載流予的壽命有關(guān)。 b ) 工作頻率的上限 當(dāng)工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電 極所需的時間t 大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移的時間，那么，信號電 荷跟不上驅(qū)動脈沖的變化，將會使轉(zhuǎn)移效率大大下降。因此。要 求f s ，即 j 1 ，玄 ( 3 9 ) 這就是電荷的自身轉(zhuǎn)移時間對驅(qū)動脈沖頻率上限的限制。由 于電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率、電極長度、襯底雜質(zhì)濃度和 溫度等因素有關(guān)，因此，對于相同的設(shè)計結(jié)構(gòu)，n 型溝道c c d 比 p 型溝道c c d 的工作頻率要高。圖3 5 給出了p 溝道c c d 在不同襯底電荷情況下工作頻率與轉(zhuǎn)移損失率s 的關(guān)系曲線。 8 “)p 淘道 ll o2 04 0 6 08 01 0 0 2 0 03 0 0f ( k h z ) 圖3 5 驅(qū)動脈沖頻率與轉(zhuǎn)移損失率占的關(guān)系曲線 圖3 6 為三相多晶硅n 溝道s c c d 實測驅(qū)動頻率f 與損 失率占之間的關(guān)系曲線。有曲線可以看出，表面溝道c c d 的 驅(qū)動脈沖頻率的上限為1 0 m h z 后，c c d 的轉(zhuǎn)移損失率將急劇增 加。 1 6 f ( m h z ) 圖3 6 驅(qū)動脈沖頻率f 與損失率之間的關(guān)系曲線 ( 7 ) 電荷耦合攝像器件 電荷耦合攝像器件實際上就是用于攝像c c d ，又簡稱為 i c c d 它的功能是把二維光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S視頻信號輸出。 i c c d 有線型和面型兩大類。二者都需要光學(xué)成像系統(tǒng)將景 物圖像成像在c c d 的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上 的圖像照度信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子密度信號存儲于像敏單元 ( m o s 電容) 中。然后，再轉(zhuǎn)移到c c d 的移位寄存器( 轉(zhuǎn)移電 極下的勢阱) 中，在驅(qū)動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視 頻信號。但是對于線性器件，它不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l 信號輸出，而只能真接接收一維光信息。因此，為了得到整個二 維圖像的視頻信號，就必須采用掃描的方法實現(xiàn)。對于面型攝像 器件，則不需要采取掃描的方法，可直接成像。 3 2 2 像機的型號和性能參數(shù) 敏通是1 9 7 9 年成立于臺灣的全球著名c c d 攝像機、數(shù)字?jǐn)z 像視頻處理設(shè)備的專業(yè)制造商。生產(chǎn)和管理在1 9 9 7 年和1 9 9 8 分 別通過了i s 0 9 0 0 1 和i s o - 1 4 0 0 1 認(rèn)證。絕大多數(shù)產(chǎn)品通過c e ， u l c s a ，f c c 產(chǎn)品認(rèn)證。 型號：m 1 8 0 2 c b 功能描述：內(nèi)同步外同步( v b s ) ，自動增益控制，視頻驅(qū)動 影像傳感器：1 2 英寸 c c d 總像素：7 9 5 ( 水平) x5 9 6 ( 垂直) ( c c i r 制式) 8 1 l ( 水平) x 5 0 8 ( 垂直) ( e i a 制式) 掃描系統(tǒng)：6 2 5 線，5 0 場秒( c c m 制式) 5 2 5 線，6 0 場秒( e i a 制 1 7 式、 同步系統(tǒng)：內(nèi)同步復(fù)合外同步 最低照度：o 0 2l u x l - 2 ，5 6 0 0 0 k ) 水平清晰度：6 0 0 線 增益控制模式：自動增益控制( o n o f f 可切換) 信噪比：優(yōu)于4 8 d b 自動光圈：視頻驅(qū)動 伽瑪修正：o 4 5 工作環(huán)境溫度：- 2 0 到+ 5 0 工作環(huán)境濕度：8 5 r j 以下 電源：直流1 2 伏士1 伏 3 3 數(shù)字圖像采集卡選取 d h c g 4 0 0 彩色黑白圖像采集卡。d h c g 4 0 0 基于高性能的 p c i 總線，使其能實時傳送數(shù)字視頻信號到顯示存儲器或系統(tǒng)存 儲器。輸入的彩色視頻信號經(jīng)數(shù)字解碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比例縮 放、裁剪、色空變換等處理，通過p c i 總線傳到v g a 卡實時顯 示或傳到計算機內(nèi)存實時存儲。數(shù)據(jù)的傳送過程是由圖像卡控制 的，無需c p u 參與，瞬間傳輸速度可達(dá)1 3 2 m b s 。 標(biāo)準(zhǔn)p a l 、n t s c 彩色黑白視頻輸入。 輸入方式( 軟件選擇及切換) ：六路c v b s 輸入；三路y ，c 輸入；六選一模擬視頻輸出。 圖像分辨率最高：p a l ：7 6 8 + 5 7 6 + 2 4 b i t ：n t s c ： 6 4 0 + 4 8 0 牛2 4 b i t 。 支持y i 4 2 2 、r g b 8 8 8 8 、r g b 8 8 8 、r g b 5 6 5 、r g b 5 5 5 及 y 8 模式。 圖像數(shù)據(jù)數(shù)值范圍，亮度：0 2 5 5 或1 6 2 3 5 可選；色度：0 2 5 5 或1 6 2 4 0 可選。 亮度、對比度、色調(diào)、色飽和度軟件可調(diào)。 可按單場( 奇場或偶場) 、單幀、連續(xù)場、連續(xù)幀、間隔幾 場或幾幀等多種方式。 通過填寫屏蔽( m a s k ) 模板，可實時顯示和存儲仔意形狀 的輸入圖像。 硬件完成輸入圖像的比例縮放( s c a l e ) 、裁剪( c l i p ) 和 色度空間變換( c o l o rs p a c ec o n v e r t l 0 咐) ，故輸入圖像的大 小、位置可靈活設(shè)置，并可支持1 八j v 4 2 2 ，r g b 3 2 ，r g b 2 4 ，r g b l 5 ， r g b l 6 ，y 8 等多種圖像格式的顯示和存儲。 在計算機上顯示采集的圖像，實現(xiàn)圖像和圖形同屏顯示的工 作方式。 可穩(wěn)定地接收錄像機的視頻信號。 n 路( o 心i ( 7 ) 視頻可編程定時輪流輸出。 可編程固定視頻輸出。 視頻輸入輸出0 5 v 4 0 0 線。 電源功耗5 v 5 w ，1 2 v o 。5 w 。 支持w i n 9 ) 【、w i n n t 、w i i l 2 0 0 0 、w i n x p 等操作系統(tǒng)，支持 多種開發(fā)環(huán)境。 如圖3 7 所示，應(yīng)用數(shù)字圖像采集卡的工作原理框圖： 圖3 7 工作原理框圖 p c i 總線 視頻圖像經(jīng)多路切換器、解碼器、a m 變換器，將數(shù)字化的 圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器。經(jīng)裁剪、比例壓縮、及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 后，由內(nèi)部控制圖形覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)位置由軟件 確定，可以是顯存，也可以是計算機內(nèi)存。 3 4 圖像數(shù)據(jù)采集部分 把圖像輸入計算機主要有兩種方式，一種是計算機直接與視 頻信源接口；另一種是圖像信息存入圖像信息存儲體，然后由計 算機與存儲體進(jìn)行交換數(shù)據(jù)。 微機與視頻信源( 如電視攝像機、c c d 像機等) 直接接口， 存在的主要問題是視頻信源以視頻速度工作，它比微機快。若數(shù) 字化后，如果每行5 1 2 個采樣點，則要求微機在6 4 腳內(nèi)讀入 5 1 2 個數(shù)，這是不可能做到的。 1 9 一個解決的辦法是逐場按列取樣。采耳j 這種方法硬件簡單， 可以使用低速a d 轉(zhuǎn)換器。輸入一幅圖像的時間將超過2 0 s ， 也就意味著占用主機的時間將超過2 0 s 。輸入時間長帶來的缺點 是圖像信號的內(nèi)容以及信號源的掃描參數(shù)在整個輸入時間內(nèi)不能 發(fā)生任何變化。顯然，它不適合圖像通訊和圖像分析等實時性要 求很高的場合。 因此，為了滿足實時性的需要，我們必須采取另外的一種方 法來完成視頻信號到微機的傳輸，也就是我們通常所說的采用圖 像數(shù)據(jù)采集卡。圖像數(shù)據(jù)采集卡集信號放大、濾波、a 仍轉(zhuǎn)換、 d a 轉(zhuǎn)換、i o 接口和幀存儲體( 圖像數(shù)據(jù)暫存的存儲體) 于一 體。它將輸入的視頻信號高速轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)送 入幀存儲體中進(jìn)行存儲。一幅圖像采集結(jié)束后，計算機直接從幀 存儲體中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖像數(shù)據(jù)采集卡與計算機的接 口按照存儲方式和掃描速度分為3 類：第一類是重復(fù)掃描，間隔 采樣的方法，其數(shù)據(jù)采樣的速率為幾十k h z ；第二類方法是由 d m a 控制器把由a d 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送到外部存儲器，待所有的 數(shù)據(jù)存儲完后再由計算機取走，其速度可達(dá)幾百 z ；第三類是 采用幀存儲方式，由硬件電路以很快的速度將c c d 傳來的視頻 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存儲在幀存儲體中，待一幀數(shù)據(jù)采集結(jié)束 后由計算機取走，其數(shù)據(jù)存儲速度由存儲器的速度周期決定，最 高可達(dá)幾十m h z 。目前，實時的圖像數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，一般采取 具有幀存儲方式的數(shù)據(jù)采集卡。 圖像數(shù)據(jù)采集卡通常都具有兩種工作模式：主動模式和從屬 模式。由軟件控制電子開關(guān)，實現(xiàn)兩種模式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)工作于主 動模式時，對圖像信號數(shù)字化、存儲、輸入均由主機控制。當(dāng)工 作于從屬模式時，存儲體的工作受控于信號源的同步信號，因而 不占用主機時間。這樣，主機處理前一幅圖像時，信源可寫入幀 存的后續(xù)圖像。這在實時處理系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，不僅可以快 速獲取數(shù)據(jù)，而且可以對所獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理，以 滿足實時性要求。 數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信號處理中的重要環(huán)節(jié)。針對不同任務(wù)，數(shù) 據(jù)采集要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)也不同。對于瞬態(tài)信號、雷達(dá)信號，圖 像處理都要求幾m b s 甚至幾十或幾百m b s 的速度。因而大 多不采用基于i s a 總線的技術(shù)，而是采用基于p c i 的總線技 術(shù)。基于i s a 總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，其最大的缺點就是傳輸 速度太低，不能實現(xiàn)實時傳輸。而基于p c i 總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采 集卡，采用高速的同步總線，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的快速訪問， 2 0 3 3 m h z 3 2 位的p c i 總線可以實現(xiàn)1 3 2 m b s 的數(shù)據(jù)傳輸率，目 前已經(jīng)有了6 6 m h d 6 4 位的p c i 總線，傳輸速率更快。而且p c l 總線是獨立于處理器的同步總線，不需要c p u 的介入便可進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸。此外，還支持突發(fā)傳遞、即插即用功能。 數(shù)據(jù)采集卡一般由一個p c i 總線控制器，。一塊采集控制芯 片，高速a d 轉(zhuǎn)換模塊，高速d a 轉(zhuǎn)換模塊以及高速r a m 構(gòu) 成。 2 1 第四章控制系統(tǒng)設(shè)計 4 1 可編程控制器p l c 概述 可編程控制器p l c 是以自動控制技術(shù)、微計算機技術(shù)和通 信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置。 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán) 境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲 執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令， 并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種機械和生產(chǎn)過程。 可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成 一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。 由于p l c 優(yōu)越的性能，其問世后發(fā)展極為迅速?，F(xiàn)在，p l c 不僅能進(jìn)行邏輯控制，在模擬量的閉環(huán)控制、數(shù)字量的智能控制、 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、通信聯(lián)網(wǎng)及集散控制等方面都得到廣泛的應(yīng)用。 這些功能使p l c 具有輸出和接受高速脈沖的功能，配合相應(yīng)的 傳感器及伺服裝置，p l c 可以實現(xiàn)數(shù)字量的智能控制；p l c 配 合可編程終端設(shè)備，可以實現(xiàn)實時顯示采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及分析 結(jié)果，為分析、系統(tǒng)研究提供依據(jù)；利用p l c 的自檢信號可實 現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控；p l c 具有較強的通信功能，可與計算機或其它智能 裝置進(jìn)行通信和聯(lián)網(wǎng)，從而能方便地實現(xiàn)集散控制。 ( 1 ) p l c 優(yōu)越的性能表現(xiàn)在以下幾個方面。 靈活性和通用性； 抗干擾能力強、可靠性高： 編程語言易學(xué)、簡單： p l c 與外部設(shè)備的連接簡單、使用方便； p l c 的功能強、功能的擴展能力強； p l c 控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試周期短： p l c 體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化。 ( 2 ) p l c 的基本組成原理 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，p l c 可分為整體式和組合式兩類。 整體式的p l c 是將中央處理單元( c p u ) 、存儲器、輸入 單元、輸出單元、電源、通信端口、i o 擴展端口等組裝在一個 箱體內(nèi)構(gòu)成主機。另外還有獨立的i ，o 擴展單元與主機配合使 用。整體式p l c 的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。而組合式p l c 是將c p u 單元、輸入單元、輸出單元、智能單元、通信單元等分別做 成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊可以插在底板上，模塊之間可以 通過底板上的總線相互聯(lián)系。c p u 與各擴展模塊之間若通過電纜 相連，距離一般不超過l o m 。 中央處理單元( c p u ) c p u 是p l c 的核心部件，指揮p l c 按照預(yù)先編好的程序 完成各種任務(wù)和功能。并且有以下幾點作用： a ) 接收、存儲由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并可通 過顯示器顯示出程序的內(nèi)容和存儲地址； b ) 檢查、校對用戶程序： c ) 接收、調(diào)用現(xiàn)場信息； d ) 執(zhí)行用戶程序； e ) 故障診斷。 存儲器 存儲器可分為以下三種。 a ) 系統(tǒng)程序存儲器； b ) 用戶程序存儲器： c ) 工作數(shù)據(jù)存儲器。 輸入輸出單元 輸入輸出單元是p l c 與外部設(shè)備相互聯(lián)系的窗口。輸入單 元接收現(xiàn)場設(shè)備向p l c 提供的信號，這些信號經(jīng)過輸入電路的 濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理，變成c p u 能夠接受和處理 的信號。輸出單元將經(jīng)過c