引言
目前,自动分拣系统在国内各行业的应用水平参差不齐,在邮政物流系统当中应用较好,但在其它行业的应用状况并不理想。自动分拣系统获取商品信息主要采用光电开关和条形码识别技术,这两类技术与装备对于实现普通商品的识别与分拣可以有效应付,但对商品的标准化包装要求较高,传统的检测方法存在着信息不准确、传输速度慢、输出结果单一等缺点,对于商品的大小、位置信息都无法准确判断,而且将全部数据处理工作交到了计算机和PLC控制装置,给控制系统增加了负担。此外许多生产线的物流速度极快,采用常规分拣控制技术很难实现这些快速流动商品的动态准确识别。因此对于许多复杂商品,往往需要加入快速图像识别技术才能准确、快速识别物流商品的大小、位置等信息,有效完成自动分拣任务。
1整体方案设计
本设计的目的是运用DSP技术实现对分拣机的上包、回包及落包检测等功能。以回包检测为例,在分拣过程中,货包经上包台进入到环形的分拣轨道,当货包运行到对应的格口时,承载货包的托盘小车交叉带转动,使货包落入分拣格口,这个过程完成了货物的自动分拣。但在实际运行过程中,可能由于某些因素的影响,如交叉带未转动,使货包没有落入对应的格口,而随轨道的运行又转回到上包台,这种情况下,如果系统不知道货包的循环返回,就会导致后面的上包故障。所以我们需要在上包台的前面设置一定的检测机制,当有货包随轨道转回来的时候,能够及时将回包的信息通知系统,以便做出相应处理,分拣机的这个功能就是回包检测。上包与落包的检测任务也是自动识别系统运行的故障,阻止误拣、漏检事故的发生,上包、回包及落包检测功能对于保证整个系统的安全运行有着重要作用。传统的上包、回包及落包检测采用光电开关的方式进行货包信息获取,即在分拣机的轨道两侧,安装有一对透过式红外光电开关,称为主同步光电开关,其位置主要根据分拣机速度、上包机位置及上包速度来确定,一般应放在上包机前方(在分拣机运行方向上)。主同步光电开关用于计数托盘小车,并发出同步脉冲,将得到的信息传给PLC。控制同步上包、数据同步跟踪及落包等。这种用光电开关进行检测的方法,不能得到准确的货包位置,而一般的交叉带式托盘分拣机能够根据货包的大小、位置确定托盘带的启动时间和转速,所以需要改进技术,采样新的方式进行检测。根据要求选择了视频捕捉+DSP平台处理的方法来实现。对应这个方案,确定了系统使用的DSP平台、外围电路和视频采样电路,依次进行硬件设计。对于视频图像的识别,我们采用了DSP(数字信号处理器)嵌入式平台实现,稳定性高,结构简单、成本低,对环境要求低,适于工业生产环境的使用。利用DSP集成电路芯片其运算速度高的优势实现货物信息的快速、动态提取与识别,从而构成以高速DSP为核心的复杂计算和控制的嵌入式自动分拣控制系统。控制器系统构成如图1所示。该系统主要包括CMOS图像传感器、DSP视频信号捕捉处理板、图像监控设备及通讯线路等。基于硬件系统平台,用C语言编写DSP程序,完成系统检测、采样控制、FLASH烧写和USB通讯等功能,通过USB通讯接口,将采样得到的图像传送到上位PC机主控设备进行显示和处理。
2硬件系统设计
图1所示系统中,其硬件系统由主控CPU(DSP)、逻辑控制(FPGA)、视频采样(CMOS图像传感器)、通讯(USB或RS485)、存储器(SDRAM和外接Flash存储卡)等部分构成,包括以下几个功能模块:由DSP电路、FPGA电路、存储器电路、采样电路等模块组成。采用FPGA产生图像传感器所需的点频、行场同步信号以及控制寄存器的控制时序,同时,它还完成对CMOS彩色图像象传感器输出的数字图像信号预处理的工作,包括对接收的R、G、B三种基色的原始数据进行重新组合和适当的比例变换等,以使DSP能进行更加有序的快速处理。另外,DSP对SDRAM和外接Flash存储卡的访问以及SDRAM的刷新等操作也通过FPGA实现。DSP负责对预处理后的原始数据进行颜色校正、JPEG压缩、存储、图像识别,并提供通用的USB或RS485接口,以实现图像及资料的上传。经过颜色校正后的R、G、B数字信号,通过LCD驱动电路实现在LCD显示屏上的显示。
3软件系统设计
设计中需要完成的软件任务包括两个部分:用AHDL语言编写的FPGA逻辑程序和用C语言编写的DSP程序。AHDL语言部分的编程工作,主要就是各种功能的逻辑实现,以下主要介绍DSP部分的编程工作。根据设计要求,DSP的软件编程任务需要完成以下工作:(1)启动采样,监控采样过程,在视频采样完成后,将得到的图像数据从RAM0移至RAM1或RAM2的指定位置；(2)通过USB接口与PC机通讯,将视频捕捉到的图像传送到PC机；(3)为了实现bootloader过程,能够烧写目标板上的FLASH芯片。3.1DSP软件设计DSP软件设计流程如图2所示,整个程序可分成3个部分,主程序部分、由外部中断0触发的USB通讯中断程序和外部中断1触发的采样完成中断程序。主程序负责整个DSP系统的初始化和FLASH烧写功能,FLASH的烧写指令由上位PC机通过USB总线发出,在USB中断程序中置相应的标志位,主程序在进入工作状态后的唯一操作就是查询FLASH烧写的标志位,标志一旦置位,则开始FLASH的烧写过程。USB中断程序是整个软件功能实现的核心。因为在设计要求中,启动采样、图像传输、启动FLASH烧写等大部分操作都由上位PC机控制完成,所以这些工作都在USB中断程序中进行。采样中断的触发条件是一场图像的采样完成,中断信号由CPLD产生,进入中断程序后,将采样得到的图像数据从RAM0移置系统内其他可读写的RAM中,为下一场图像的采集和后续的图像处理操作做好准备。3.2USB通讯的软件设计根据软件设计的总体要求,可以看到USB软件部分主要需要完成下面几个任务:(1)进行USB设备自身的初始化,完成USB设备到PC主机的即插即用功能；(2)PC通过USB发送命令启动视频采样；(3)将采样得到视频图像数据传送到PC机；(4)与PC机通讯,将PC机上的boot表数据传送到系统内,完成板上FLASH烧写的任务。3.3Bootloader(自举加载器)的设计当程序编写调试完成后,需要将程序存储在目标板上,使目标板能够脱离仿真环境独立运行。上电后,通过调用DSP片内自建的引导程序,先将程序数据载入到高速RAM中,然后再开始运行。这样就赋予程序存储以极大的自由度,也大大降低了系统成本。Bootloader就是芯片内建的启动加载程序,系统将最终的可执行程序放在速度较慢的片外存储区中,可以是FLASH或串行的EEPROM,通过bootloader程序,在启动时将应用程序从系统数据区载入到程序区(可以是片内RAM,也可以是片外存储区)中执行。这样既保证了系统成本和程序的存储量,又保证了程序的运行速度。在实现bootloader的过程中,包括了程序存储方式和启动模式选择、硬件环境配置、boot表的生成和存储器写入等多个步骤。
4系统工作参数的测算
因为PAL制式的图像每秒传送50场(分奇偶场),所以每场图像的采集需要20ms的时间,整个采集过程共耗时80ms,每秒钟最多可采集12场图像,这个数据是基于采样分辨率412×310。按需要,我们可在传输和处理的时候只对图像的某个区域进行操作,因为在摄像头捕捉的画面中,小车并没有充满整个图像,所以在图像数据转移前可以将无用的边缘数据截去,不进行转移和处理操作,以减少处理时间。在对USB通讯的测试中得到,将一整幅未压缩的图像数据传输到PC机的时间大约为300ms左右,所以每秒钟只能完成两幅图像的传送。这个传输过程仅仅是对USB通讯功能的测试,在真正的应用中,图像处理工作由DSP完成,只需将处理结果传送到上位机即可。一次控制传输或块传输就能完成这个功能,根据工作要求,分拣机在高速运行的时候,每秒通过三节小车,本系统可以通过中断的方式,在每节小车经过的时候,进行一次捕捉,使得小车正好位于捕捉得到图像的中心位置,而且在图像范围内可以看到约1.5节小车长度的分拣轨道,所以即使小车位置稍有偏离(±25%),也不会影响处理结果。所以只要每秒能够处理3场图像就可以了。对于每秒处理3场的要求,可以计算得到,每场图像的处理时间约为253ms(1000÷3)-20-60＝253.3ms而且图像采集的20ms时间,DSP是不进行任何操作的,这一段时间也可以用来进行处理工作,留给每幅图像的处理和结果传输时间为270ms,DSP的处理能力为100MIPS,所以在270ms内,可以执行二千七百万条指令。足够完成图像处理的任务,所以,本系统可以完成设计要求。
5总结
本文所设计的检测装置已在一些行业中进行了试用,由于采用DSP芯片进行设计,可采用标准化、模块化组装,体积小、成本低,安装、维护、检修方便,具有良好的适应工业现场的能力及与系统固有装备相互通讯联网的能力,能较好满足物流中心、配送中心、流通中心、图书物流配送以及制造业自动化生产线自动分拣系统的商品、货物分拣需求,可以作为自动分拣系统的配套装置。这套装置将能够灵活实现与其它物流设备的无缝连接,如自动化仓库、各种存储站、自动集放链、各种运载工具、机器人等,实现对物料信息的自动提取、分配和管理,从而大大降低操作人员人工劳动强度,显著提高劳动生产率,同时降低对物品的损坏、减少物料分类错误造成的经济损失。注:该项目系国家863计划基金支持——面向军工行业的弹药机器人自动装配线关键技术与装置研究(2002AA420063)。
来源:无忧电子开发网
