基于双CCD的脱绒棉种色选机光电检测系统设计

【摘要】通过对棉种图像精选方案与算法研究，给出一种有别于当前棉种色选的双CCD检测色选法。本方法实现过程是利用线阵彩色CCD和黑白CCD分别作为颜色分选和破损色选检测器件，结合FPGA设计出可再编程的CCD驱动电路，进而对物料实现有效信号采集处理，完成双CCD检测色选判别。实验结果表明：双CCD能够正常地工作，能够满足脱绒棉种色选机要求，光电检测系统能够稳定正常的工作。

【关键词】双CCD；脱绒棉种；线阵CCD；光电检测系统

1.引言

色选机是指利用物料的光学信息将劣物料剔除的集光、电、气、机于一体的高科技设备，广泛应用于农业、食品业、工业、矿业等，可以提高物料的品质，增加附加值，保障食用、使用时的安全性[1][3][4]。在棉种分选方面，传统的分选技术：种子风筛选、几何特征筛选、密度重力选种、介电式分选、颜色分选法、机器视觉分选[1][3][4][7]。虽然这些方法均有各自的优点，但没有同时判断颜色、破损棉种、或者是算法高深、采集静态图片信息等缺点。本文在颜色分选基础上利用双CCD加入破损判别，能够区分脱绒成熟棉种（黑褐色）、未熟棉种（红棕色）、破损棉种和杂质[3][4]。

2.总体结构

基于双CCD的脱绒棉种色选机光电检测系统是色选机的关键部分，其作用主要是对物料（脱绒棉种）进行检测，采集物料特征信息。系统总体框图如图1所示，主要包括光学系统、信号采集系统和信号处理系统。

图1 总体框图

3.功能简介

物料进入光电检测系统之前，要经供料系统相关处理后才能精确地在光电检测系统和分选系统区内。供料系统主要包括进料斗、振动喂料器、滑槽等。在处不详细简绍供料系统具体工作过程，主要简绍光学系统、信号采集系统和信号处理系统相关功能。

（1）光学系统

光学系统主要是有光源、背景板、光电传感器、成像系统等相关部分组成[4]。光学系统主要作用是通过光路设计使CCD能够覆盖每组棉种流的视场区域，使得所有目标图像都能够被CCD捕获。光学系统的光路结构、检测方式、光电传感器种类等，将直接影响色选机的质量与效率[3]。

（2）信号采集系统

信号采集系统采用TCD2566BFG和TCD1209作为光电传感器，对物料进行实时采集。CCD常用驱动方式有EPROM驱动法、IC驱动法、单片机驱动法以及可编程逻辑器件驱动法[5]。本文是基于FPGA设计的可再编程驱动电路，该方法优点是集成度高、速度快、可靠性好。需改变驱动电路的时序、增减功能时，仅需对器件重新编程，无需更改硬件条件[5]。

（3）处理系统

处理系统是以ALTERA公司cyclone III系列EP3C16Q240C8作为驱动实现以及后期处理的主要芯片。主要设计思想是：EP3C16Q240C8生成CCD工作所需的驱动时序，由于FPGA输出电压与CCD驱动电压之间差异，故驱动时序需反相升压器件处理，物料棉种采集信号经放大滤波电路输出，输出信号经A/D转换以后输入FPGA进行后续处理[2][6]。

4.采集处理系统设计

（1）硬件设计

硬件电路设计如下图2所示。利用光学采集系统原理，将TCD2566BFG作为彩色信号采集板A，TCD1209作为黑白信号采集板B。因两个CCD工作电压不同，采用LM2731X典型电路设计10V和12V，利用计算方法可以实现。至于处理板电源是利用LD1085D2M50、LD1085D2M33、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2等电源转换芯片，实现电路所需的5V、3.3V、2.5V、1.2V等工作电压。在解决完电路工作所需电源之后，对于CCD驱动电路、采集信号放大滤波电路、A/D转换电路以及EP3C16Q240C8芯片工作电路均按照技术手册等信息进行设计，在此不再赘述。

图2 硬件电路框图

（2）软件设计

该部分是在硬件设计基础上，能够使CCD正常工作的关键部分。设计思想主要是利用TCD2566BFG和TCD1209的工作原理以及工作模式来设计工作时序。TCD2566BFG选择彩色模式下TDI=ON模式工作，工作需要时钟脉冲、、、、，复位脉冲RS、缓冲控制脉冲CP，转移脉冲SH、存储清晰脉冲SCG、开关脉冲SW1、SW2，另需48个虚设单元输出（dummy outputs）信号。TCD1209工作需时钟脉冲、、，复位脉冲RS、缓冲控制脉冲CP，转移脉冲SH，另需40虚设单元输出信号。因此，软件编写时需要注意虚设单元输出信号。

软件编码：TCD1209和TCD2566BFG关键代码

parameter TAGH=16，TAGL=2117，TAGHF=21，TAGLF=2112；

parameter SCGBA=0，SCGEA=30，SHBA=40，SHEA=70，TGFBA=80，TGFEA=5468，SCGBB=5478；

通过Verilog VHDL编程生成模块如图3所示，其中clk_sys系统时钟64MHZ，通过PLL（锁相环）和分频电路生产工作所需时钟信号，其中ad_in[11：0]为TCD1209经滤波放大电路及A/D转换后的采集输入信号，clk_out_0[5：0]为TCD1209工作所需的驱动频率以及A/D转换芯片时钟频率，ad_out[11：0]是经过处理后的棉种采集破损信息；ad_r_in[11：0]、ad_b_in[11：0]、ad_g_in[11：0]为TCD2566BFG经滤波放大电路以及A/D转换后的采集RBG信号，clk_out[11：0]和sw[1：0]为TCD2566BFG工作驱动频率、A/D转换芯片时钟频率及模式选择信号，ad_r_out[11：0]、ad_b_out[11：0]、ad_g_out[11：0]是经处理后棉种采集颜色信息。

图3 软件生成模块

（3）设计与仿真检测

通过Quartus II9.0中SignalTap II Logic Analyzer进行在线仿真，得到图4所示图形。

图4 FPGA在线仿真图

通过图4（b）、（c）所知，TCD2566BFG和TCD1209的时序与实际工作时序图是有所差别的，主要是器件驱动电压问题，导致FPGA输出的时序要经反相升压器才能给CCD提供驱动时钟，为此，FPGA生成时序也有相应处理。通过图4（d）可知CCD在不同物料时输出的差别，这也是我们后期处理的依据。

5.结论

本论文通过双CCD对脱绒棉种色选机光电检测系统进行设计，方案采用TCD2566BFG和TCD1209作为检测器件，EP3C16Q240C8以及反相器TC74ACT240和SN74AHCT14N设计CCD驱动电路，OPA357设计滤波放大电路、AD9224设计A/D转换电路，同时利用光学系统知识构建光学系统，使两CCD能够正常地工作，满足脱绒棉种色选机所需要求，光电检测系统稳定正常工作。

参考文献

[1]Melchor C.Pasikatan，Floyd E.Dowell.Evaluation of a High-Speed Color Sorter for Segregation of Red and White Wheat[J].Applied Engineering in Agriculture，2003，19（1）：71-76.

[2]Ivan Dolezal.Optoelectronic detector for a glass cullet sorter[C].Industrial Electronics Society，IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE，2013，3952-3957.

[3]刘德瑞.基于CCD的高速色选机光机系统研究[D].天津大学，2007.

[4]李江波.脱绒棉种色选机检测系统设计与实现[D].石河子大学，2008.

[5]张智辉，田地，杨义先.线阵CCD驱动电路设计的几种方法[J].仪表技术与传感器，2004（6）：32-33，52.

[6]杜鸿运，董志国，辛爱芹，王世璞.CCD色选机分选控制系统[J].仪器仪表用户，2011，18（5）：36-38.

[7]陈兵旗，高振江，宋同珍等.棉种图像精选方案与算法研究[J].农业机械学报，2010，41（1）：167-171.

基金项目：国家科技支撑计划项目（项目编号：2012BAF07B04）；广西研究生教育创新计划资助项目（项目编号：YCSZ2012075）。