彩幸君，参皎波，S 亮，嗦众立
(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)
摘要：针对拉铘钉在线检测设备在国内还是空白的现状，利用机器视觉技术、嵌人式技术以及光源技术设计了一种用于拉铘钉多参 数高精度在线检测的系统；系统以嵌人式微处理器S3C2440为核心，用非接触测量方式，利用CMOS图像传感器OV3640对拉铆钉的特 征信息进行采集提取，完成了拉铆钉生产的实时在线高速高精度的检测，检测精度达到0.01mm,检测速度为每分钟1800件以上，解决 了拉锎钉在线自动检测这一行业难题。
关键词：拉铆钉；嵌人式;在线检测；OV3640
Design of Pulling Rivets Precision Multi — parameter Online Testing System
Peng Zhangjun, Liao Xiaobo, Luo Liang, Li Zhongli
(College of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)
Abstract： As online testing equipment for the pulling rivets is blank, using machine vision technology, embedded technology，and light source technology to design high—precision multi—parameters online testing system which is used to puling rivet testing； System based on embedded microprocessor S3C2440, with non—contact measurement，using CMOS image sensor OV3640 to collect features of the pulling rivets and extract information，complete pulling rivet production line of high number of high—precision real-time detection, accuracy of detection is 0. 01mm* rate of detection more than 1800 per minute, solve the problems pulling rivets on-line automatic testing in the industry.
Key words： pulling rivets； ARM； online testing； OV364Q
0引言
目前，随着现代制造技术的不断提高，工业产品极其零部 件的实时在线检测技术与装备也日益显得重要。拉铆钉是结构 件冷连接新工艺的关键部件，拉铆钉的质量和尺寸参数有着更 严格的要求。传统的人工测量难以满足大规模生产的需求，运 用机器视觉非接触精密测量拉铆钉的质量和尺寸参数，是行业 的强烈希望[1]。运用机器视觉非接触检测且与生产线直接连接 的实时在线检测技术与装备，几乎是空白。本文所设计的基于 机器视觉的非接触式拉铆钉实时在线检测系统能够很好地解决 上述问题。
1系统的组成与工作原理
根据拉铆钉的生产要求，需要对拉铆钉的10个几何参数 进行检测，每分钟测量40个以上的拉铆钉[2]，也就是每个拉 铆钉的所有参数都要求在1.5s内完成测量，并且还要做相应 的处理，普通测量方法不能满足要求。本文采取测量和控制分 开处理的设计方案，既能达到快速的要求又能满足精度要求。 系统框图如图1所示。系统包括系统控制管理主机，高速通信 总线，3个智能视觉摄像机，同步信号发生器，执行机构以及 人机交互等。
系统的工作原理是系统控制管理主机通过执行机构控制 拉铆钉逐个到达检测位置，拉铆钉进人视觉区的最佳位置时， 同步信号发生器发出同步信号，系统控制主机检测到该信号 时，向3个智能视觉摄像机发出同步采集信息。智能视觉摄像
收稿日期：2010-06 - 17;修回日期：2010-07 -25。
基金项目：四川省重点科研攻关项目（2009Z01 —004)。
作者简介：彭章君（1986 _)，男，四川峨眉山人，工学硕士，主人从事 嵌人式技术、自动化控制系统等方向的研究。
图1系统框图
机收到同步采集信号后，立即采集当前拉铆钉图像信息，并对 图像信息进行处理和分析，得出当前拉铆钉的各参数信息，并 将各参数信息通过髙速总线接口传送到系统控制管理主机，主 机收集完所有参数后，根据预先设定的各参数检验合格标准， 通过控制机构自动完成对拉铆钉的在线筛选，并统计出检测数 量、不合格数、合格率等检测数据，对不合格产品进行声光报 警。每个拉铆钉所有的信息都保存到SD卡里面，以便管理和 査寻。所有参数信息可以随时打印出来。
2 系统硬件设计
2.1系统控制主机硬件设计
本文选用嵌人式微处理器S3C2440作为主机的核心处理 器。S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的 高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微 处理器[3]。其内部集成SD卡，串口，主从USB, LCD控制器 等外设接口，最高工作频率可达到533MHZ[4]。这样使得主机 设计就够简洁，方便小巧同时功能齐全。主机电路原理图如图
2所系。
图2系统主机电路原理图
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20
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WAIT2X1
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74HC125
在系统控制管理主机中，高速串口通信总线是一个核心 技术点，智能视觉传感器采集的图像可以不经过处理直接传送 到集群系统控制管理主机，以便査看图像效果。通信总线采用 高速串口通信，由于智能视觉摄像机处理器也是选用的 S3C2440，并且传输距离不远，因此直接采用TTL电平传送， 主机向智能摄像机发送命令数据以广播的方式直接发送，每个 智能摄像机通过判断地址来决定是否为命令。因此主机的串口 发送端直接与每个摄像机的串口接收线相连。主机在接收数据 时，需要分别单独接收每个摄像机的数据，而且每个摄像机传 送时要不受其它相机的影响，因此在硬件电路实现上需要一个 总线缓冲器来实现，电路原理图如图3所示。3个摄像机的串 口数据发送端分别接到74HC125的三路输人端，3个通道对 应的输出端接在一起，连到主机串口数据接收端，输人端的选 通控制信号接到主机S3C2440的3个数字K)上，当需要接收 哪一路数据时就通过对应的IO来选通对应的通道，其他通道
TXDi
将外设频率提高到200MHz，同时结合波特率配置寄存器，使 得S3C2440的串口的速率提高到115200 * 8bps,实现了主机 与智能视觉摄像机的高速串口总线通信。降低了系统的成本， 同时简化了系统软件的设计。
2.2智能视觉摄像机硬件设计
利用普通的摄像机无法满足拉铆钉实时在线检测的要求， 因此专门设计了用于拉铆钉在线检测的智能视觉摄像机。
智能视觉摄像机组成为：高像素的CMOS图像传感器+ ARM9处理器，以及智能软件。本文选用的图像传感器为OV 公司300万像素的CMOS传感器OV3640，像素阵列大小为 2048 * 1536，可输出YUV422、RGB565等多种格式，并可通 过设置其内部寄存器来控制其曝光时间、白平衡、饱和度、增 益、伽马校正等参数[5]。这样就能够充分保证测量精度 0.01mm的要求。在智能视觉摄像机的处理器上选用 ARM920T 内核的 S3C2440 处理器，S3C2440 集成了 camera 接口，可以直接快速驱动和采集CMOS图像传感器OV3640 的图像数据，带有I2C接口，可以方便快速配置图像传感器的 配置寄存器[6]。S3C2440处理器的最高主频可以达到533M， 具有很强的数据处理能力，方便快速实现图像处理算法得到拉 铆钉的参数。S3C2440与OV3440的接口电路如图4所示。 S3C2440的IIC接口与OV3640的SCCB接口相连，以配置 OV3640参数，OV3640需要的3. 3V、1. 8V电源直接从 S3C2440供电芯片上取，2. 8V电源作为模拟电源，将3. 3V 串联一个二极管即得到2.8V电源。OV3640的数据线和控制 线分别于S3C2440的
一般的串口传送速率为115200bps，系统有时需要传送图 像数据以便调试校正摄像机，普通串口传送速率太慢，因此本 文充分利用S3C2440处理器的内部时钟调整设置模块的特点，
2.3视觉传感器与拉铆钉的位置布局设计
为了保证各种型号拉铆钉的参数检测精度速度，采用多摄 像机集群的测量方式。构造了由多个智能视觉传感器组合的集 群与被测对象拉铆钉的特殊位置布局。位置示意图如图5
所示。
在图5中当拉铆钉达到检测位置，由一队可调节滑板
图5视觉传感器与拉铆钉的位置布局设计示意图
(5)支撑，智能同步信号发生器（4)向视觉传感器集群系统 发同步信号。视觉传感器（1)和（2)是安装在带支撑的导轨 精密位移台上，根据检测的拉铆钉型号不同，调节位移台，使 视觉传感器（1)和（2)作上下移动，方便视觉传感器（1) 可以检测不同型号拉铆钉的牙廓工作高度和铆钉下部公称直 径，视觉传感器（2)可以检测不同型号拉铆钉，如图1所示 中部公称直径，牙廓工作高度和牙型角；视觉传感器（3)是 安装在单轴倾斜台上，根据检测的拉铆钉型号不同，调节倾斜 台，使视觉传感器（3)能观测到不同型号的拉铆钉螺帽直径， 螺帽厚度，螺杆上下部长度。其中视觉传感器（3)比视觉传 感器（1)和（2)的焦距要小，这样视觉传感器（3)的视野 更广，有利于观看不同型号拉铆钉的全景。
3系统软件设计
整个系统软件包括系统控制管理主机的软件和智能视觉摄 像机的软件。由于选用的是相同的处理器，因此两部分软件的 开发环境是相同的。
3.1系统控制管理主机的软件
系统控制管理主机的软件主要开发的程序有：LCD驱动 程序、SD卡驱动程序、文件系统的移植、执行机构的控制程 序、打印机的驱动程序，高速通信驱动程序、同步信号检测与 传送程序以及参数数据判断预处理程序。
主机程序流程图如图6所示。系统主机开机，首先进行系 统初始化，然后判断是否进人运行状态，运行状态进行拉铆钉 的检测，调试状态进行系统的校正。
3.2智能控制摄像机的软件
智能控制摄像机的软件采用无操作系统的设计，这样能 够快速髙效地实现数据采集处理与传送。软件实现以下 功能：
(1)根据光环境与实际需求，配置好OV3640的配置寄存 器，让其正常工作，以便采集清晰的图像数据。
(2)接收同步信号，驱动并采集OV3640传感器的图像信 息，通过配置S3C2440的camera接口，通过DMA将图像数 据快速传送到内存，以便算法处理。
(3)通过智能算法处理内存里面的图像数据，得出每个拉 铆钉的对应参数并通过髙速通信模块传送到控制管理主机。
程序流程图如图7所示。
图像处理算法是智能摄像机软件的核心，拉铆钉的所有 参数由算法处理图像数据得到。为了达到实时在线检测，并没 有采用复杂的图像处理算法。采用的方式1 是，先将摄像机进行 标定，摄像机和拉铆钉的距离不变，调整摄像机视场使得 OV3640的2048个列像素对应实际的物理尺寸2mm，这样每 个像素对应的物理尺寸就是约0. 009mm,拉钢钉进人视场， 采集一幅图片，然后对图片进行二值化，由于拉铆钉位于相机
图7摄像机程序流程图
和光源中间，因此图像二值化后拉铆钉对应的图像为黑点，其 它的对于图像的白点，统计出二值化图像中每行的最大黑点 数，就得到了拉铆钉的直径，再统计出最小白点数，最大黑点 数减去最大白点询、数据统计、分析预测、故障报警以及报表打印等功能，软
件结构如图4所示。
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图4监控中心软件结构
4测试结果分析
在面积为625平方公里某区域上布置5X5的监测节点， 对该区域地下水的动态水位进行监测和分析，监测井点垂直分 布在纵横方向上，间距都为5公里。设置水位记录周期为1小 时，测量精度能够达到lcm，某一时刻采集到的数据见表1。
表1被监测区域水位数据
2 3 4 5
A -20. 43 一 23. 54 一25. 67 -24. 45 -22. 33
B -21. 46 -39. 89 — 34. 10 — 32. 31 -25. 65
C —22. 83 一34.28 -45. 11 — 39. 90 -28. 24
D -21. 59 -32. 32 -38. 53 -38. 65 -24. 12
E —22. 62 一25.13 -26. 71 — 24.49 -22. 58
将表1数据转化为直观图，如图5所示。经过分析发现， 该区域在C3监测点区域的水位明显低于周围地区，判断该地 区存在地面沉降危险。还可以对历史数据进行分析，观察其在 最近一段时间内该地区的水位动态变化情况，通过建立水位与 时间模型，可以预测未来一段时间内的水位变化趋势，以便控 制地下水的幵发，并采取必要的补救措施，避免地面沉降事故 发生。
图5水位直观图
5结论
系统的监测节点利用太阳能供电，环保无污染，配合使 用具有空闲和掉电两种工作方式的低功耗嵌人式处理器
LPC2148，同时在软件设计上采用定时供电的方法进行数据采 集和传输，大大降低了系统的耗电量；在网络传输方面选择了 覆盖范围广的GPRS网路，省去了复杂的网络建设费用，实现 了多点分布式的无人值守监测。经实验表明，该系统工作稳定 可靠，通过大范围、长时间监测，能够直观了解地下水水位变 化和水源储量分布情况，一旦出现地面沉降隐患，便于及早发 现并采取必要的补救措施，避免地面沉降事故发生。利用数据 库资源，可以建立水位高度与时间模型，对地面沉降机理进行 分析、预测地面沉降趋势，为地质结构分析提供数据支持。
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(上接第262页）
5结论
拉铆钉多参数高精度在线检测系统，解决了拉铆钉生产过 程中要求实时在线检测工件的多种参数，自动质量控制的行业 性难题。系统在工业生产现场能够实现多参数精准、髙速地实 时在线测量，并自动完成对拉铆钉的在线筛选，统计出检测数 量、不合格数、合格率等检测数据。检测精度为0.01mm，检 测速度为每分钟1800件以上。提高了生产工人的工作效率， 降低了劳动强度，也大大降低了生产成本。高速量化了拉铆钉 技术指标，提升了企业竞争力。
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