1总体设计
脱绒棉种具有2个特征信息，一是颜色信息，即区分“红种”的红棕色和成熟的褐黑色；另一个是破损信息，即是局部破损还是严重破损等。为此，当一束特定光照射在脱绒棉种上，其表面信息所反射回来的光带有成熟与破损等特征信息。因此，设计了一种新的检测系统和方法。其中，线阵彩色CCD采集脱绒棉种颜色信息，完成色度和成熟度判断，线阵黑白CCD采集脱绒棉种完整度（破损、破碎）信息，如图1所示。设计理论和实践依据参考文献[14-29]：①利用色选技术建立的颜色模型可以很好的对成熟度进行判别。②利用机器视觉技术可以对破损、破碎脱绒棉种进行分选识别，并且前人研究中所用到判别方法如圆形度、对称性、轮廓曲率变化等，均与颜色信息无关，故采单色CCD对完整度信息进行分析。③在设计检测光路时，使用彩色CCD接收反射光信息，黑白CCD接收折射光信息，是基于光束经过折射后强度必然比反射后强度要小的原因。所设计的脱绒棉种色选机主要是针对棉种成熟度和完整度进行分选，分选出红棕色“红种”、褐黑色成熟棉种、不完整棉种、完整棉种，即完整“红种”、不完整“红种”、不完整成熟棉种以及完整成熟棉种。脱绒棉种色选机整体包括供料模块、检测系统、分选模块以及执行机构，如图2所示。影响分选率等性能的核心部件是检测系统，因此本文针对检测系统进行了系统分析、完整设计与测试分析，检测系统包括光学子系统、采集子系统和处理子系统，图3为检测系统总体框图。从图2脱绒棉种色选机分选系统和结构布局图可知，色选机分前、后检测单元，分别对脱绒棉种进行两侧检测。脱绒棉种色选机工作过程：待选物料（脱绒棉种）经供料系统喂料到达检测区域，检测系统对物料进行进行特征信息采集，信息处理后将特征信息传输到分选模块判别，执行机构依据分选信息分级物料。
2系统关键模块设计
2.1光学系统设计
脱绒棉种检测中，为获得棉种的全面三维数据，光学系统采用对射式布局，布局如图2所示。光学系统包括光源、背景板、光电接收器以及成像光路结构。2.1.1光源色选机光源选择主要考虑光源稳定性好、分布均匀、发光效率高等要素，大多数色选机上使用日光灯作为照明光源。本设计是采用彩色CCD和黑白CCD作为接收器，考虑日光灯的光谱是由一些波长分离的单色光谱带组成，光谱区不连续、波长能量不均和日光灯光强随着使用时间变化明显等因素，采用高强度LED作为光源。并将LED灯珠并联焊接在专用散热铝型材上，解决LED灯散热问题；使用乳白色亚克力灯罩获得均匀稳定光源。2.1.2背景板色选机检测系统一般都有背景板，经过试验确定背景板分为暗背景和亮背景，分别针对分选系统的正选和反选模式。2.1.3接收器色选机系统常见接收器有传统的光电倍增管、光伏接收器（硅光电池、硒光电池，光电二极管、光电三极管）和CCD图像传感器。本系统从脱绒棉种光谱响应、灵敏度以及传感器精度等方面考虑，选用日本东芝公司的含有5340像素x4行的TCD2566BFG型线阵CCD作为彩色CCD接收器，选用东芝公司的含有2048像素x1行的TCD1209D型线阵CCD作为单色CCD接收器，分别对脱绒棉种进行成熟度（颜色）信息和完整度（破损）信息采集。2.1.4成像光路结构成像的品质直接影响到检测系统的分辨率。光源投射到待测脱绒棉种，反射光通过透镜作用于接收器的CCD靶面，形成清晰的图像信息。设计中使用了标准的定焦镜头，焦距50mm，等效焦距75mm，最小对焦距离450mm，最大光圈1.8，最大放大倍率为1:6.6，滤镜直径为52mm；采用的双CCD同为线阵接收器，有效接收区（靶面）在计算中只取长度参数，长度约28mm。每个CCD接收器对应一组溜槽（32通道，设计宽度为270mm）。根据以上参数确定镜头的放大倍数约为0.1；镜头焦距为50mm，则镜头的工作距离为500mm。依据2个不同的CCD靶面要在同一时刻采集信息，实现镜头溜槽内的棉种反射光束分成两束进入对应的CCD靶面，在成像光路中加入光线分束器的结构。如图4所示。分束器使用的是镜头专用分束器，分束能量比例为1:1，光谱区为可见区（380nm~760nm），单面镀半反膜。分束器厚度为0.5mm，基底材料为K9玻璃。为了尽可能减小因分束器引入的像差，分束器平面度要求为小于等于λ/20，其中λ为中心波长532nm。同时考虑到光束透射玻璃基底时会产生色散，彩色CCD布置于分束器的反射侧，其光路不经过分束器基底玻璃。
2.2采集系统设计
采集系统主要是对待测物料进行分选特征信息采集，采集系统主要对2个CCD进行工作驱动和采集数据输。因为不同特性的CCD工作方式和工作所需的具体时序不一样，因此实现CCD工作的驱动方法有很多种。目前常用主要驱动方法有EPROM驱动方法、单片机驱动方法、专用IC驱动方法及可编程逻辑器件设计法等。其中EPROM（erasableprogrammablereadonlymemory）驱动方法利用事先存放在EPROM中的驱动时序对CCD进行驱动，该方法是无需对硬件电路进行太大的变化、调试简便，但是存储数据不能在系统修改，复杂时序实现难度大；单片机驱动方法利用指令延时或定时器中断生成驱动时序，该方法是实现所需软硬件条件简单、调节时序方便，但是驱动频率较高则无能为力，并且资源浪费较大；专用IC驱动方法利用专业IC控制几路脉冲驱动时序，该方法是集成度高、功能强，但是适合特定应用场合过于保守、灵活性不好且成本高；可编程逻辑器件设计法利用时序发生原理，利用相关软件对进行程序编译并下载到可编程芯片完成时序实现，该方法是集成度高、速度快、可靠性好、设计灵活并易于修改。考虑以上CCD驱动方法的实现原理和各种的优缺点，采用基于现场可编程门阵列（Field-ProgrammableGateArray，FPGA）对双线阵CCD进行驱动设计。考虑基于FPGA双线阵CCD采集系统实现，采集系统对两CCD进行驱动时序编译，使CCD工作对脱绒棉种特征信息进行接收输出，输出有效信号经放大滤波以后，再经A/D模数转换，经采集到的特征信息传输入FPGA，为后续相关处理做准备。考虑资源使用等现实情况，选用ALTERA公司CycloneIII系列EP3C16Q240C8作为采集系统处理芯片。同时考虑FPGA和CCD实际特性，在FPGA和CCD之间加入升压反相器，实现CCD工作时序要求。其中彩色CCD与FPGA之间选用TC74ACT240、黑白CCD与FPGA之间选型SN74AHCT14N，分别作为升压反相器完成CCD工作时序要求。CCD数据输出部分将选用TI公司的250MHz高速轨到轨的运算放大器OPA357及其配套电路对采集信号进行放大滤波处理，A/D转换部分将选用AD公司的12位40MSPS高性能模数转换器AD9224及其配套电路对采集信号进行模数转换，使FPGA处理部分能够获得3路反映脱绒棉种成熟度的12位R、G、B特征信号，和1路反映脱绒棉种完整度的12位WB特征信号。采集系统实现框图如图5所示。
2.3处理系统设计
由于CCD每次行扫描时均有虚设单元输出，例如TCD2566BFG行扫前有38单位虚设输出，行扫后12单位虚设输出，在软件编程中需考虑在内。为此，CCD数据输出时可以将虚设单元输出视为干扰信号，故将经A/D转换后特征信息数字信号经滤除操作，对采集到的特征信息进行简单预处理。经预处理后的信号传输至分选模块，为分选处理提供特征信息。考虑脱绒棉种色选机结构布局，以及CCD采集速度较快，为此在检测系统与分选模块之间应用LVDS技术对脱绒棉种采集数据进行传输。其中LVDS传输部分选用DS90CR481/DS90CR482作为LVDS发送和接收端芯片。处理系统除了对特征采集信息进行预处理和数据传输处理外，对脱绒棉种进行前期数据采集试验，主要是对脱绒棉种特征信息（完整度、成熟度）进行初步确定工作。其中LVDS数据传输软件实现过程如图8所示，其中DS_OPT、BAL、DESKEW为LVDS传输端和接收端控制信号；FPGA与ARM之间完成采集数据输出，完成系统前期实验采样工作，实现过程如图9所示，其中R、B、G和WB为物料信息采集数据4路信号。
3试验验证
系统测试试验内容主要包括：设计的光学成像系统、光源、CCD驱动程序、A/D转换芯片和LVDS传输等是否正常。系统测试试验流程：按照脱绒棉种色选机布局图对其进行系统搭建，在选择的光源下，利用毛玻璃查看成像光路是否正确，调节成像光路结构，使在毛玻璃上出现最亮线条，表示在CCD接收器靶面上可以出现清晰的图像，对光路结构完成粗调整。将CCD按照布局要求进行安装，利用FPGA在线仿真对其CCD采集板进行光路细调整，光路调整后，利用选择的光源进行光源调试，并对检测系统进行采集数据测试。在应用FPGA在线仿真前，先对CCD和A/D转换芯片是否正常工作进行测试。图10为FPGA输出给CCD驱动时序在线仿真图，通过在线仿真图可知，时序符合CCD工作要求，其中部分时序与两CCD驱动时序在技术手册上有所差异，主要原因是驱动时序幅值与FPGA输出幅值有差异，与升压反相器作用有关。图11为对13齿不规则校准器件进行CCD数据采集的仿真图，反映CCD能够正常工作，并且A/D转换芯片能够正常工作，在线仿真图能够完全反映现实情况。图12和图13为对13齿校准器件进行数据采集后，LVDS数据传输前后在线仿真图，该图反映LVDS传输芯片能够正常工作。仿真测试和实际测试试验验证基于双CCD的脱绒棉种色选机检测系统能够满足设计要求，也验证了检测系统设计的正确性。
4结束语
给出了一种基于双CCD脱绒棉种的检测系统设计过程和测试分析方法。分别从检测系统总体、光学子系统、采集子系统、处理子系统和测试试验进行设计叙述，表明所设计检测系统可以解决当前色选或机器视觉技术单一使用时脱绒棉种分选效果不佳问题，设计和调试能够满足系统结构和技术要求，满足脱绒棉种分选机功能的要求。
作者：余淑华 刘艳丽 王世璞 杜鸿运 单位：天津市光学精密机械研究所
