STM32与机器视觉

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电路原理分析:电路中的4.096V的参考电源通过可控精密稳压电源TL431
和电位器VRl调节产生。由电阻Rl=2K, R2=2K、精密电阻VR2=10052, Pt100
来构成测量电桥，根据电桥理论，当Ptl 00的电阻值与VR2的电阻值不相等时，电桥将得到一个mV级压差信号的输出。这个压差信号输入至运放LM324后，
经放大后得到期望大小的输出电压信号，此电压信号与STM32工控板的A/D采
集接口直接相连。因此STM32工控板A/D采集接口得到的实际电压大小为:
v=4.o96*}R}tloo/(Rl+R}tloo)一BVR2/(Rl+RVR2))。

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环模制粒机控制系统的模拟量输出电路主要是对喂料阀变频器的信号以及
蒸汽阀变频器的信号这二大控制量进行输出，而对这二路模拟信号的控制都采用
4^}20mA电流信号来驱动其阀门的开度。STM32对模拟量的输出控制有二种方
式，第一种是采用STM32自带的D/A转换输出接口，这种方式输出的电压稳定、
精度高、漂移小以及编程方便等。第二种是采用PWM波的方式输出模拟电压信
号，由于长期温漂和稳定性等问题，导致这种控制方式输出的模拟电压信号极不
稳定，因此我们采用第一种方法来进行控制。模拟量输出电路将STM32工控板
D/A接口输出的电压转化为4^}20mA的电流量，输送至变频器的阀门驱动机构。
模拟量输出电路设计的原理图如图2-6所示。

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模拟量输出电路采用性能卓越的CMO S运算放大器OPA333, OPA333具有
超低功耗、零漂移、精密运算等一系列的优点。其工作电压为2.7-5. 5V，失调电
压仅为lOuV，实测最低输出为30uV，最高输出可达VCC-30uV。正是由于OPA333
是一个非常优异的单电源至轨运算放大器，从而使得输出的模拟量电流4^}20mA
及其稳定。图中DAC输出经C25电容滤波后输入运算，经过Q1三极管将电流
信号放大，在电阻R7形成电压降，电容C23用作去抖动处理，从而4^}20mA
信号就从AN 1 OUT+和AN 1 OUT-二端之间输出。
电路原理分析:图中三极管Q1的基射级之间的压降为0.7V，所以基级的最
大电压为2V+0. 7V=2.7V，这个电压正好属于OPA333运算放大器的的输出电压
区间。电阻R15用来作为模拟量输出电流的限流电阻，从而使得电流输出端的
最大电流ImaX VCC/(R35+R37)。电阻R37两端的电压由负载电流流过产生压降
得到VR3}=I*R37，又因为运放虚短虚断的原因，VDAC= VR3}=I*R37，当VDAC
在400mV与20000mV之间变化时，那么流过R37的电流就在4^}20mA之间，
此时就可以得到4^}20mA的电流信号输出。

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典型的机器视觉检测器模块的硬件平台主要由工业摄像机与镜头、光源、显
示与存储设备、计算机处理设备等组成。而环模制粒机控制系统中饲料缺陷检测
器的硬件设计主要包括工业摄像机与光学镜头、照明系统、外围框架、工控机平
台等。工业摄像机与镜头主要负责图像的采集，拍摄到清晰可见的饲料颗粒图像。
照明系统是为了突出饲料颗粒图像的形态特征(长短径、凹坑、裂痕)等，提供
均匀的光线，减小由于光线不均匀而造成图像上具有阴影、炫光、强反光等现象。
外围框架的功能是减小外界噪声干扰、光源干扰以及自身内壁反光等问题，保证
采集图像的质量。工控机平台的主要任务是:负责控制摄像机进行饲料颗粒图像
采集，将采集到的饲料颗粒图像保存至系统盘文件夹中，执行饲料缺陷检测算法，
将检测结果通过RS485串口传送至STM32工控板中，并在上位机触摸屏显示界
面中显示检测结果。饲料缺陷检测器的结构框图如图2-7所示。

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工业摄像机是饲料缺陷检测器中一个尤其重要的部件，摄像机的本质是将光
信号转化为有序的电信号。由于环模制粒机控制系统的工作现场环境相当恶劣，
因此选择合适的工业摄像机是饲料缺陷检测器硬件设计中的重点环节，不仅要保
证摄像机的正常工作，而且要满足价格适中、采集图像分辨率高、图像质量高等
要求。根据感光芯片的类型来划分，常用的摄像机可以分为ccD摄像机和CMO S
摄像机[52-53]
CCD摄像机:CCD是一种半导体成像器件，它是电荷祸合器件的缩写。其
成像原理是根据光强计算像素点上的电荷经过外移、滤波、放大处理后，形成视
频信号进行输出。它具有灵敏度高、抗强光、畸变小等优点。
CMO S摄像机:CMO S本质是将晶体管放置在硅片上的技术。其成像原理
是利用CMO S上带正电和带负电的晶体管的互补效应所产生的电流来记录和解
读成像信号。由于CMO S摄像机的结构简单，相比于CCD摄像机来说其生产成
本相对较低，因此目前CMO S相机占据了大量的市场份额。
CMO S摄像机与CCD摄像机的优缺点如下表2-1所示。

只看该作者 · 2018-11-20 13:27

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虽然从上表可以看出相同分辨率的ccD工业摄像机相比于CMO S工业摄像
机具有更好的成像效果，但是由于我们需要对饲料颗粒的形态特征进行缺陷分
析，因此所选取的工业摄像机必定是属于高分辨率的，而高分辨率的CCD工业
摄像机成本太高。因此综合各方面因素权衡考虑，选用深圳市迈德威视科技有限
公司的型号为MV UB300的CMO S彩色工业摄像机，其实物图如图2-8所示，
性能参数如图2-9所示。

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众多机器视觉图像采集模块在设计过程中常常选择可见光作为光源，常见的
可见光光源分别有:白炽灯、卤素灯、荧光灯、LED灯等。可见光光源的最大
优点是容易获得，但是它们的最大缺点是光能的稳定性差。白炽灯又称为钨丝灯，
是最早出现也是最常见的光源，通过灯丝通电加热到白炽状态来产生光。但它具
有发热量大，价格低廉，发光效率低、通用性强、显色性好等特点。卤素灯也叫
做石英灯泡，是白炽灯的一个变种，其发光原理与白炽灯相似，均属于热辐射光
源。它与白炽灯的最大差别在于其更久的使用寿命。荧光灯即低压汞灯，属于低
气压弧光放电光源，其发光原理是对低气压的汞蒸气通电后使其释放紫外线，从
而使得荧光粉发出可见光。它具有使用寿命长、显色效果差、发热少、光效高等
特点。LED灯又叫做发光二极管，是一种可以将电能转化为可见光的半导体，
广泛运用于手机、台灯、家电等日常生活领域。它具有体积小、发热少、响应快、
功耗低、光照稳定、寿命长、无毒环保等特点。表2-2为各种光源的对比。综合
以上各种光源的特性以及系统的设计目标来考虑，我们采用LED白色灯来作为
我们的光源。

只看该作者 · 2018-11-20 13:29

对于机器视觉图像采集模块来说，在选定LED白光的情况下，针对不同的
对象特征(长短径、凹坑、裂痕)，光源位置的安放以及光源形状的选择也是异
常关键的，一个适合特定需要的图像采集的光照方式能够帮助我们采集到清晰的
图像，反之也会使得图像模糊难以辨认。因此，选取符合设计需求的光照方式必
须慎重考虑。
照明系统中常用的光源照射方式有很多种，并没有通用的照明系统设备。每
一个照明系统均需要根据被测对象、检测要求和现场环境来综合考虑选取正确的
光照方式。

只看该作者 · 2018-11-20 13:29

通常情况下，光照方式的设计要尽量使得图像的亮度均匀，减小不必
要的干扰，突出被测物体的特征，并有效区分出目标特征和背景。只有满足上述
条件的光照方式才是合格的，并可以给后续图像处理提供有利的条件。常见的光
照方式主要包括:前向照明和背向照明等[[58]。前向照明是将光源和工业摄像机
放置于被测物体的前方，如图2-11 }a)所示。前向照明由一个或多个光源形成，
可以用透镜或反射镜对光进行汇聚或发散处理，其优点是光度大、灵活、适用于
多种应用场景，缺点是有阴影和反光。它主要运用于采集低速运动或静止的物体
表面的缺陷、瑕疵点及其他细节的特征。前向照明又分为高角度照明方式与低角
度照明方式两种，通过光照方向与相机方向的夹角。来区分，当。比较小时，则
为高角度照明方式，反之，则为低角度照明方式。高角度照明方式适用于凸显被
测物的边缘轮廓的情况。低角度照明方式适用于凸显被测物的表面纹理的情况。
背向照明是将光源放置于被测物体以及工业摄像机的后方，如图2-11 (b)所示。
背向照明可以观察透明物体的内部或形成不透明物体的阴影，其优点是特别突出
边缘，缺点是无法观察表面细节。它主要运用于采集透明物体的瑕疵点、缺陷。

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中值滤波是一种基于排序统计理论的非线性滤波技术，能够有效的抑制非线
性信号。它的基本原理是图像中该点邻域内各点值的中值来代替该点的值，从而
使得邻域内的像素值更接近于真实值，达到消除孤立噪声点的目的[[65]。这个原理
使得中值滤波可以消除邻域内那些与典型值差别很大的值，这对于处理斑点噪声
和椒盐噪声是非常有用的。在一定的条件下，中值滤波不仅保护了图像的边缘信
息，而且克服了线性滤波器无法解决的图像细节模糊问题，并在滤除脉冲干扰和
图像扫描噪声方面优势明显。中值滤波相比于均值滤波而言，不仅在消除噪声方
面还是在保护边缘方面都更胜一筹，唯一的劣势是处理花费的时间是均值滤波的
五倍以上[66]

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环模制粒机控制系统的主要功能如下:
1、采集环模制粒机的制粒主电机电流值与调质器出口的温度值，与其对应
的设定值进行比较，根据预设的控制算法输出对应的控制量(喂料量与蒸汽添加
量)，从而实现环模制粒机的智能控制。
2、当环模制粒机处于稳定工作状态下，此时每隔一段时间对其所生产的饲
料颗粒进行样本采样，采集并保存饲料颗粒图像，并对其进行图像预处理、缺陷
特征识别与提取，最终将识别结果通过串口传输给 STM32控制器中。
3 , STM32控制器根据识别结果与产品要求进行比对，若产品要求达标则说
明此时环模制粒机处于优良控制状态下;若产品要求不达标，则判断到底是设备
机械故障还是工艺设定值故障，根据具体的故障来进行相应的调节，从而始终保
证环模制粒机处于一种优质的工作状态下。
根据以上所述的环模制粒机控制系统的功能状况，我们可以总结出环模制粒
机控制系统的软件设计主要由三大部分组成，分别是控制器STM32的软件设计、
饲料缺陷检测器的软件设计以及上位机触摸屏的软件设计。其中控制器STM32
的软件设计是在Keil软件开发平台下使用C语言对各个应用程序进行软件开发，
采用模块化设计的思想，从而提高软件程序的可读性、可维护性、可移植性，极
大的方便了操作人员的后期处理与维护工作。控制器STM32的软件设计主要包
括uC/OS-II实时操作系统的移植以及在uC/OS-II上运行的应用任务，分别有主
程序生产流程控制算法任务、模拟量采取任务、模拟量输出任务、Modbus通信
任务、Uart通信任务等。饲料缺陷检测器的软件设计是在Visual Studio 2010集
成开发环境、OpenCV开源视觉库下开发的1V}'C界面，具有操作简单，实用性
强，缺陷特征识别率高，易于移植与维护等优点。由于上一章节重点介绍了图像
预处理技术，因此本章的饲料缺陷检测器的软件设计主要围绕边界干扰滤除、长
短径检测、单粒提取、凹坑以及裂痕检测。上位机触摸屏的软件设计采用EB8000
组态开发平台对其进行触摸屏软件开发，具有开发效率高以及开发难度低等特
点。触摸屏界面主要由4大部分组成:1、登陆界面;2、选择界面;3、生产流
程监控界面;4、饲料缺陷检测显示界面。环模制粒机控制系统软件设计的整体
架构图如图4-1所示。

只看该作者 · 2018-11-20 13:32