CN103345798B - 一种高速实时检测片状材料的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速实时检测片状材料的系统，包括：嵌入式图像检测系统；所述嵌入式图像检测系统包含至少一个连接至所述质量分析与数据融合系统的图像检测装置，每个所述图像检测装置包括一个FPGA芯片和至少一个DSP芯片，用于获取所述片状材料的检测图像和检测结果。通过本发明的技术方案，可以实现对片状材料的实时高速检测，提高检测效率。

Description

一种高速实时检测片状材料的系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体而言，涉及一种高速实时检测片状材料的系统。

背景技术

大型小张钞票清分机通常采用传感器+计算机的系统架构完成钞票高速实时在线检测功能，以德国捷佳德公司设计生产的BPS2000型钞票小张清分机为例，其处理能力最高达到40张/秒，采用吸气轮进钞，钞票的运行线速度最高达到10米/秒，高速下对钞票印刷质量和机读防伪指标进行检测，代表了大型钞票清分机发展的最高水平。BPS2000型钞票小张清分机的系统如图1所示，主要包括钞票处理系统（CP）、信息管理中心（MIC）、外部压缩空气源（EAS）等功能单元，其中CP钞票处理系统与MIC信息管理系统为BPS2000的核心部分。

但目前的大型清分机检测系统还存在一些缺陷，比如：

首先，基于PC的高速检测方案由PC承担全部算法处理和结果判别任务，一般选用高性能服务器。但即便如此，在处理图像传感器海量数据时也有很大压力，主要有两个原因造成，一是PC内核处理器主频及运算单元数量有限，很难做到真正的并行处理，二是处理软件运行在非实时操作系统中，任务调度及响应时间的实时性很难保证，因此在实时处理大数据量的场合有很大挑战。

其次，每个传感器由单独的服务器进行数据处理，多传感器需要多台服务器，服务器群占用空间大，散热需要特别考虑，成本及维护费用也较高。

因此，需要一种新的技术方案，以期解决以上问题中至少之一。

发明内容

本发明正是针对上述问题中至少之一，提出了一种新的技术方案，可以确保数据传输的实时性并控制系统搭建成本，还可以通过系统结构实现对片状材料的实时高速检测，提高检测效率。

有鉴于此，本发明提出了一种高速实时检测片状材料的系统，包括：嵌入式图像检测系统，所述嵌入式图像检测系统包含至少一个连接至所述质量分析与数据融合系统的图像检测装置，每个所述图像检测装置包括一个FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）芯片和至少一个DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）芯片，用于获取所述片状材料的检测图像和处理结果。通过采用一个FPGA芯片和至少一个DSP芯片的结构组合，从而解决了现有技术中对于大数据量的处理问题。具体地，DSP芯片的个数可以依据实际情况而定，比如可以仅采用一个FPGA芯片和一个DSP芯片，也可以采用一个FPGA芯片和多个DSP芯片；在一个较为具体和优选的方案中，DSP芯片的个数可以为四个。

在上述技术方案中，优选地，还包括：嵌入式机读检测系统，所述嵌入式机读检测系统包含至少一个连接至所述质量分析与数据融合系统的机读检测装置，每个所述机读检测装置包括模拟信号探测部分和数字信号探测部分，且所述模拟信号探测部分包括至少一种模拟信号采集部件、所述数字信号探测部分包括以DSP芯片为核心的嵌入式系统。

在上述技术方案中，优选地，还包括：用户操作系统，所述用户操作系统包括建模子系统，所述建模子系统包括树形建模人机交互界面和模板数据库，其中，所述树形建模人机交互界面根据接收到的用户操作指令，创建、修改或保存相应的检测模板；所述模板数据库用于保存所述检测模板的模板参数。

在上述技术方案中，优选地，所述用户操作系统还包括：基于嵌入式平台的学习与模拟检测子系统，所述学习与模拟检测子系统提供人机交互界面，根据用户操作在所述人机交互界面上显示选定的图像集和/或实现对所述图像集的模拟检测，其中，所述模拟检测的图像是由所述嵌入式平台从网络侧接收到的。

在上述技术方案中，优选地，还包括：质量分析与数据融合系统，所述质量分析与数据融合系统连接并控制所述嵌入式图像检测系统、所述嵌入式机读检测系统和所述用户操作系统。

在上述技术方案中，优选地，所述高速实时检测片状材料的系统中的每个系统内部以及各个系统之间采用总线通信模式，其中，在每个系统内部及各个系统之间，实时传输要求等级大于或等于预设等级的数据传输线路采用基于以太网通信协议的EtherCAT实时数据总线，将其余数据传输线路采用千兆以太网技术实现。

在上述技术方案中，优选地，在每个所述嵌入式图像检测装置中，所述FPGA芯片与每个所述DSP芯片通过RAPIDIO与EMIF两种接口通信；当所述DSP芯片为多个时，多个所述DSP芯片之间通过RAPIDIO接口通信，且每个DSP芯片各自通过千兆以太网与所述质量分析与数据融合系统进行通信，所述FPGA芯片通过千兆以太网和ETHCAT总线与所述质量分析与数据融合系统进行通信。

在上述技术方案中，优选地，所述用户操作系统还包括数据库，所述质量分析与数据融合系统在向所述数据库写入数据时，采用独立线程处理实时写数据库，当遇到写数据库抖动时，采用自适应退让与尝试机制写数据库，消除写数据库抖动对其他动作的影响。

在上述技术方案中，优选地，所述质量分析与数据融合系统在向所述数据库实时写入数据的同时，还消除卡钞复位后或停拣复位后重跑起始冠字号前质量记录写入数据库的重复。

通过以上技术方案，可以确保数据传输的实时性并控制系统搭建成本，还可以通过系统结构实现对片状材料的实时高速检测，提高检测效率。

附图说明

图1示出了相关技术中的一种钞票小张清分机的结构示意图；

图2示出了根据本发明的实施例的高速实时检测片状材料的系统的框图；

图3示出了根据本发明的实施例的检测系统的结构示意图；

图4是图3所示的检测系统中的传感器的分布示意图；

图5是图3所示的检测系统中的嵌入式图像检测系统中的传感器的结构示意图；

图6是图3所示的检测系统中的嵌入式机读检测系统的嵌入式系统的结构示意图；

图7是图3所示的检测系统中的用户操作系统中的建模系统的结构框图；

图8是图3所示的检测系统中的用户操作系统中的模板学习与模拟检测架构的结构示意图；

图9是图3所示的检测系统中的用户操作系统中的实时检测结果显示子系统数据传输示意图；

图10是图3所示的检测系统中的用户操作系统中的模拟检测结果显示子系统数据传输示意图；

图11是图3所示的检测系统中的质量分析与数据融合系统中的实时图像数据的采集与存储功能框图；

图12是图3所示的检测系统中的质量分析与数据融合系统中的检测数据的实时采集、同步、分析和控制系统功能框图；

图13是图3所示的检测系统中的质量分析与数据融合系统中的质量分析数据实时写入数据库多线程框图；

图14示出了根据本发明的实施例的检测系统的另一个结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

图2示出了根据本发明的实施例的高速实时检测片状材料系统框图。

如图2所示，根据本发明的实施例的高速实时检测片状材料的系统200，包括：嵌入式图像检测系统202，所述嵌入式图像检测系统202包含至少一个连接至所述质量分析与数据融合系统208的图像检测装置，每个所述图像检测装置包括一个FPGA芯片和至少一个DSP芯片，用于获取所述片状材料的检测图像。通过采用一个FPGA和至少一个DSP芯片的结构组合，从而解决了现有技术中对于大数据量的处理问题。具体地，DSP芯片的个数可以依据实际情况而定，比如可以仅采用一个FPGA芯片和一个DSP芯片，也可以采用一个FPGA芯片和多个DSP芯片；在一个较为具体和优选的方案中，DSP芯片的个数可以为四个。

优选地，所述系统200还包括：嵌入式机读检测系统204，所述嵌入式机读检测系统204包含至少一个连接至所述质量分析与数据融合系统208的机读检测装置，每个所述机读检测装置包括模拟信号探测部分和数字信号探测部分，且所述模拟信号探测部分包括至少一种模拟信号采集部件、所述数字信号探测部分包括以DSP芯片为核心的嵌入式系统，该DSP芯片具有至少16位的数据处理能力，且时钟频率大于等于100MHz。该系统还具有10位以上精度的A/D转换能力，且采样率在12MSPS以上。

优选地，所述系统200还包括：用户操作系统206，所述用户操作系统206包括建模子系统，所述建模子系统包括树形建模人机交互界面和模板数据库，其中，所述树形建模人机交互界面根据接收到的用户操作指令，创建、修改或保存相应的检测模板；所述模板数据库用于保存所述检测模板的模板参数。

优选地，所述用户操作系统206还包括：基于嵌入式平台的学习与模拟检测子系统，所述学习与模拟检测子系统提供人机交互界面，根据用户操作在所述人机交互界面上显示选定的图像集和/或实现对所述图像集的模拟检测，其中，所述模拟检测的图像是由所述嵌入式平台从网络侧接收到的。

优选地，所述系统200还包括：质量分析与数据融合系统208，所述质量分析与数据融合系统208连接并控制所述嵌入式图像检测系统202、所述嵌入式机读检测系统204和所述用户操作系统206。

优选地，所述高速实时检测片状材料的系统200中的每个系统内部以及各个系统之间采用总线通信模式，其中，在每个系统内部及各个系统之间，实时传输要求等级大于或等于预设等级的数据传输线路采用基于以太网通信协议的EtherCAT实时数据总线，将其余数据传输线路采用千兆以太网技术实现。

优选地，在每个所述图像检测装置中，所述FPGA芯片与每个DSP芯片通过RAPIDIO与EMIF两种接口通信；当DSP芯片的个数为多个时，多个DSP芯片之间通过RAPIDIO接口通信，且每个DSP芯片各自通过千兆以太网与所述质量分析与数据融合系统208进行通信、所述FPGA芯片通过千兆以太网和ETHCAT总线与所述质量分析与数据融合系统208进行通信。

优选地，所述用户操作系统206还包括数据库，所述质量分析与数据融合系统208在向所述数据库写入数据时，采用独立线程处理实时写数据库，当遇到写数据库抖动时，采用自适应退让与尝试机制写数据库，消除写数据库抖动对其他动作的影响。

优选地，所述质量分析与数据融合系统在向所述数据库实时写入数据的同时，还消除卡钞复位后或停拣复位后重跑起始冠字号前质量记录写入数据库的重复。

下面结合图3至图14，对本发明的技术方案进行详细说明。

1.系统概述

该系统由嵌入式图像检测系统、嵌入式机读检测系统、建模、学习与模拟检测及检测结果显示等用户操作系统以及质量分析与数据融合系统4个子系统组成，系统框图如图3所示。当然，该系统可以包括上述4个子系统中的任意一个或多个，可以根据实际情况进行选择。

其中图像传感器包括正面彩色图像传感器、背面彩色图像传感器和红外透视图像传感器；机读传感器包括厚度传感器、正面荧光传感器、背面荧光传感器、硬磁信号传感器、软磁信号传感器专用定制传感器等；数据融合及分析系统和学习、模拟检测、建模系统的硬件包括3台主机单元（工作站）：分析控制主机、图像监视主机和建模主机。此外，还包括整机的一个中心数据库系统，负责建模信息、钞票质量检测信息和运行状况信息等数据的存储，是数据交换中心。

本发明应用于高速多点检测设备，在检测过程中对传感器数据的融合有很高的实时性要求，同时为了检测数据的可回溯性，又需要对大量实时性要求不高的检测数据进行可靠的存储。为此检测系统采用了双总线通信模式，对于实时性要求很高的质量信息和控制信息通过基于以太网通信协议的EtherCAT实时数据总线来传输；而对于大量的非实时数据传输采用千兆以太网技术来实现。

根据整机结构特点，各检测传感器单元分布如图4所示。

2.嵌入式图像检测系统

嵌入式图像检测系统是本发明与已有技术最大的不同，系统采用高性能嵌入式平台实现图像采集、处理及传输，从而实现高精度图像检测能力。

由于检测算法运算量非常庞大，加上海量图像数据，考虑到单芯片可能无法胜任检测算法实时实现，系统采用了多芯片并行处理机制。本套检测系统采用当今最为高效的FPGA+DSP系统架构，通过合理规划检测算法，充分发挥FPGA大数据量底层算法上的优势以及DSP复杂算法和流程控制方面的优势。

该套系统包括四颗DSP和一颗FPGA，FPGA与四颗DSP通过RAPIDIO与EMIF两种接口通信；DSP之间通过RAPIDIO接口通信。FPGA和DSP每个器件都有独立的网口与外部计算机进行通信；另外，FPGA还有ETHCAT与外部计算机相连，拓扑结构如图5所示。

FPGA和DSP作为当今处理能力很强的嵌入式器件，有各自的优点和不足，本系统通过合理规划上述检测算法，充分发挥了FPGA大数据量底层算法上的优势以及DSP复杂算法和流程控制方面的优势。这样使二者能够优势互补、扬长避短，具有高度的灵活性。FPGA完成图像采集准备工作、图像转换、定位核定位、号码图定位与输出、图像处理的模板比较部分和图像处理中间结果输出等并行度高的、相对固定的图像预处理算法；DSP实现与实时EthCAT主站通信与交互、实时图像采集、图像后期处理算法和上传原始图像和图像处理中间结果等功能。检测系统既结合了硬件流水并行处理优势，也结合了PC灵活的人机交互特性，最终实现了检测算法的嵌入式移植，也最终实现了高精度检测能力。

嵌入式图像检测系统工作前首先由建模软件生成检测模板、判废阈值等相关参数，然后通过上位机软件利用千兆网下载到嵌入式系统中，完成系统初始化工作，最后由帧同步信号触发开启检测流程。

嵌入式图像检测系统检测内容如表1所示。

表1

3.嵌入式机读检测系统

机读传感器目前包括硬磁传感器、软磁传感器、正面荧光、背面荧光传感器等，都具备定量检测功能，其主要功能如下表2所示。

表2

机读传感器开发原理与图像传感器类似，采用模块化设计，即所有机读传感器均包括两部分，即模拟信号探测部分和数字部分，其中数字部分采用统一的嵌入式系统设计方案，采用以DSP为核心的嵌入式系统，关键设计指标描述如下：

（1）具有16位的数据处理能力，10位以上精度的A/D转换能力。

（2）核心处理器芯片的机器时钟频率大于等于100MHz。

（3）A/D转换通道数大于等于12。

嵌入式机读检测系统的框图如图6所示，右侧方框内为检测机读防伪特征的其他部分，不同的检测需求有所不同，主要包括激光器控制，光电接收器，磁头，模拟信号调理电路等。左侧小方框内的光电触发信号代表嵌入式系统所接收的设备机电信号，采用光纤接口，使嵌入式系统可以方便地接入到多种类型的设备当中。

4.用户操作系统

用户操作系统实现建模、学习与模拟检测及检测结果显示等功能。

建模系统软件的设计目标是通过建立方便易用的人机交互界面，为用户提供一整套面向检测程序参数模板的管理解决方案，具体实现对检测模板的建立、修改、管理以及保存上传等功能，其主要功能包括选取正背透样张图建立模板、在界面上对各种检测参数进行编辑修改、本地保存模板参数文件、生成供检测算法使用的建模参数文件等。建模软件分为树形建模界面和模板数据库两部分，其中树形建模部分面向用户向其提供创建，修改以及保存检测模板参数人机交互页面，模板数据库用于保存所需各类模板参数。总体结构框架如图7所示。

为评估建模参数的检测效果，需要一套学习与离线检测系统，为使模拟检测结果与实时运行结果系统严格一致，研制了一套基于嵌入式平台的学习与模拟检测系统，实现对选定图像集的学习与模拟检测功能，该系统包括嵌入式平台、学习与模拟检测前端系统，基于嵌入式平台的学习与模拟检测算法实现系统、后端离线显示系统等。用户只需在PC端对学习与模拟检测系统软件进行操作，就可以实现模板学习和图像模拟检测功能。该系统结构框图如图8所示。模拟检测与实时检测流程唯一区别在于图像源的输入，模拟检测通过网络从PC发送到嵌入式系统，获取到图像后系统检测流程与实时检测流程则完全一致。

检测结果显示包括实时检测结果显示与模拟检测结果显示两种方式。实时检测结果显示子系统通过网络上传的图像数据，实时显示钞票抽样的正面、背面及透视图像及相应的检测结果，系统使用流程及数据流向如图9所示。模拟检测结果显示子系统主要是读取查看样张学习后的高低模板图和检测结果序列图，其使用流程与数据流向如图10所示。

5.质量分析与数据融合系统

检测质量分析与数据融合系统（简称CACS），作为整机的神经中枢，主要功能包括图像和质量数据的实时采集、分析、分仓、存储和显示，核心功能包括：中枢连通和控制；海量图像数据的实时采集、同步、存储和显示；各检测通道检测数据的实时采集、同步、分析、控制和存储；产品分仓的精准控制；不定长挑号等。

实时图像数据的采集与存储系统，采用多线程技术和分层框架进行设计和开发，提出弱约束同步模型，提高同步效率，满足海量图像的实时采集、同步、存储和转发。该系统功能框图如图11所示。

检测数据的实时采集、同步、分析和控制系统采用多线程技术和分层框，外联千兆以太网和EtherCAT总线，采用多种同步技术，将两种总线有机集合，实现全部检测通道检测数据的实时采集、同步、分析、控制和存储，实现产品分仓的精准控制、不定长挑号、质量数据的实时存放和实时显示。该系统功能框图如图12所示。

质量分析数据的数据库实时写入功能设计采用了独立线程处理实时写数据库，当遇到写数据库抖动时，采用自适应退让与尝试机制写数据库，消除写数据库抖动对其他动作的影响。

需要说明的是：对于写数据库抖动，应该理解的是：对于前端传送过来需要写入的数据的流量在单位时间内是（基本）恒定的，即速度恒定为V_IN，在理想情况下，将这些数据写入数据库的流量在单位时间内也应该是恒定的，即速度恒定为V_OUT。但由于前端或后端访问、CPU占用等问题，往往导致写入数据库的速度并不会一直保持恒定，即实际速度为V₁，则当V₁偏离（即不等于）V_OUT时，即发生了写数据库抖动。可以将如作为写数据库的抖动率，则当该抖动率大于或等于预设的抖动率阈值（即抖动过量）时，和/或当抖动过量发生的频率大于或等于预设的抖动频率时，则可以采取上述措施，以消除写数据库抖动对其他动作的影响。

实时写数据库的同时，必须消除数据记录的重复写入，因此必须消除卡钞复位后停拣复位后重跑起始冠字号前质量记录写入数据库的重复。质量分析数据实时写入数据库功能通过图13所示的多线程实现。

6.系统工作流程

参照图14所示的检测系统的结构，则执行检测的流程包括：

（1）系统初始化；

（2）设置图像和机读检测参数，通过样张学习获得图像检测模板；

（3）CACS下载检测参数到各传感器检测单元，检测准备就绪；

（4）启动走钞，PD信号触发各传感器检测单元开始检测，并将结果发送至CACS；

（5）CACS综合判别钞票质量，并控制分仓，同时将结果存储至数据库；

（6）显示系统将检测结果通过人机界面实时显示，操作人员根据检测结果进行参数调整，并利用模拟检测子系统验证参数调整是否恰当；

（7）停机后将已调整的参数下载到传感器单元，使用新的参数开始进行检测。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，本发明存在以下优点：

1.相比PC机方案高速嵌入式平台计算能力强，实时性好，可靠性和稳定性高，大幅节省空间，成本较低，便于安装，易于维护。

2.高速嵌入式平台应用于传感器检测单元，可以直接获得检测结果，便于中央控制系统进行信息整合。

3.实现了全部人民币二三线防伪信号的高速定量检测。

4.完备的总线拓扑结构，实现了海量图像数据实时存储功能。

5.首次实现了不定长挑号功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速实时检测片状材料的系统，其特征在于，包括：嵌入式图像检测系统；

所述嵌入式图像检测系统包含至少一个连接至质量分析与数据融合系统的图像检测装置，每个所述图像检测装置包括一个FPGA芯片和至少一个DSP芯片，用于获取所述片状材料的检测图像和检测结果；

嵌入式机读检测系统，所述嵌入式机读检测系统包含至少一个连接至所述质量分析与数据融合系统的机读检测装置，每个所述机读检测装置包括模拟信号探测部分和数字信号探测部分，且所述模拟信号探测部分包括至少一种模拟信号采集部件、所述数字信号探测部分包括以DSP芯片为核心的嵌入式系统；

用户操作系统，所述用户操作系统包括建模子系统，所述建模子系统包括树形建模人机交互界面和模板数据库，其中，

所述树形建模人机交互界面根据接收到的用户操作指令，创建、修改或保存相应的检测模板；

所述模板数据库用于保存所述检测模板的模板参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用户操作系统还包括：

基于嵌入式平台的学习与模拟检测子系统，所述学习与模拟检测子系统提供人机交互界面，根据用户操作在所述人机交互界面上显示选定的图像集和/或实现对所述图像集的模拟检测，其中，所述模拟检测的图像是由所述嵌入式平台从网络侧接收到的。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：

质量分析与数据融合系统，所述质量分析与数据融合系统连接并控制所述嵌入式图像检测系统、所述嵌入式机读检测系统和所述用户操作系统。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高速实时检测片状材料的系统中的每个系统内部以及各个系统之间采用总线通信模式，其中，在每个系统内部及各个系统之间，实时传输要求等级大于或等于预设等级的数据传输线路采用基于以太网通信协议的EtherCAT实时数据总线，将其余数据传输线路采用千兆以太网技术实现。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在每个所述图像检测装置中：

所述FPGA芯片与每个所述DSP芯片通过RAPIDIO与EMIF两种接口通信；

当所述DSP芯片为多个时，多个所述DSP芯片之间通过RAPIDIO接口通信，且每个DSP芯片各自通过千兆以太网与所述质量分析与数据融合系统进行通信，所述FPGA芯片通过千兆以太网和ETHCAT总线与所述质量分析与数据融合系统进行通信。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述用户操作系统还包括数据库，所述质量分析与数据融合系统在向所述数据库写入数据时，采用独立线程处理实时写数据库，当遇到写数据库抖动时，采用自适应退让与尝试机制写数据库，消除写数据库抖动对其他动作的影响。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述质量分析与数据融合系统在向所述数据库实时写入数据的同时，还消除卡钞复位后或停拣复位后重跑起始冠字号前质量记录写入数据库的重复。