CN104121860A - 基于dsp的线阵ccd可吸收缝合线线径在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于DSP的线阵CCD高速在线检测系统，结构件包括光源支架、CCD支架、导向轮和导轨；导向轮和导轨以湿式纺丝机的平台为固定面，线阵CCD包括线阵CCD、外壳，外壳底部设有插杆B，插杆B和固定座B中心插孔紧密配合；线阵CCD的前端安装远心镜头，远心镜头上配装遮光装置；遮光装置由镜头罩圈和遮光片组成；系统电路由光学成像模块、线阵CCD驱动模块、高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块组成；本发明的检测系统与传统测量方法相比，其优点是：在可吸收缝合线生产和缠绕过程中能准确地对线径进行实时监测，并由DSP控制器输出端为喷丝机构和张力控制系统提供检测数据，实现喷丝压力与牵伸张力的闭环控制，生产出均匀性好的缝合线。

Description

基于DSP的线阵CCD可吸收缝合线线径在线检测系统

技术领域

本发明涉及测量仪器、传感器与信号处理、医疗器械领域，特别涉及一种基于DSP的线阵CCD高速在线检测系统，用于对可吸收缝合线线径在线测量。

背景技术

我国医用缝合线每年约有15亿元的市场需求，而国产化率却不到40%。湿法纺丝是可吸收缝合线的主要成形工艺，在缝合线成形和缠绕过程中，线径是否保持均匀影响缝合线的吸收期、抗张强度的关键技术指标，关系到缝合线的品质和质量。

国内传统的方法是采用线径测量仪对成品缝合线线径进行检测，测量精度为0.002mm，测量精度较高，但其属于离线测量，如果检测不合格，则将此批产品作废，使生产效率降低并带来重大的经济损失。因此对可吸收缝合线线径进行在线测量及控制具有重要意义。

目前，工业现场存在大量细丝直径测量问题，常采用的在线测量手段有（1）接触测量法，其优点是测量精度较高，但容易产生形变，对生产过程有影响，并且不能检测被测丝的不圆度和不均匀性。（2）光电二极管阵列测量法，其优点是测量速度快，容易处理，但测量精度低。（3）高精度线阵CCD测量系统，处理器一般采用单片机、ARM，其缺点是：数据处理能力达不到对高速在线测量的要求。

因此，市场需要一种测量精度较高、测量速度快的可吸收缝合线线径在线检测系统，而目前尚未有文献报道相关技术。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对现有技术存在的问题，并结合可吸收缝合线的生产，对缝合线线径在线测量进行研究，设计基于DSP的线阵CCD非接触高速测径系统，力求实现对线径快速监控，以便通过适当的控制算法对喷丝压力及牵伸张力进行实时反馈控制，保证线径的均匀。

   本发明是通过这样的技术方案实现的：基于DSP的线阵CCD可吸收缝合线线径在线检测系统，包括结构件和系统电路，其特征在于，

  所述结构件包括光源支架、CCD支架、导向轮和导轨；导向轮和导轨以湿式纺丝机的平台为固定面，导轨固定在平台中部，两个导向轮分置于导轨两侧，导向轮的轮轴固定在平台上； 

  光源支架为∏型结构，包括水平臂A和其两端的两个垂臂A，水平臂A臂展长度和导轨宽度相配合，两个垂臂A的内侧面套装在导轨外侧，在导轨宽向，两个垂臂A的内侧面和导轨的外侧面滑动配合；两个垂臂A上加工有螺孔A，通过滑动光源支架在导轨上的前后位置来调整其位置，然后再通过紧固螺钉来固定，水平臂A上设有固定座A，固定座A中心设有插孔；固定远心光源筒形外壳底部设有插杆A，插杆A和固定座A中心插孔紧密配合；

  CCD支架 为∏型结构，包括水平臂B和其两端的两个垂臂B，水平臂B臂展长度和导轨宽度相配合，两个垂臂B的内侧面套装在导轨外侧，在导轨宽向，两个垂臂B的内侧面和导轨的外侧面滑动配合；两个垂臂B上加工有螺孔，通过滑动CCD支架在导轨上的前后位置来调整其位置，然后再通过紧固螺钉来固定，水平臂B上设有固定座B，固定座B中心设有插孔；

   线阵CCD 包括线阵CCD、外壳，外壳底部设有插杆B，插杆B和固定座B中心插孔紧密配合；

线阵CCD 的前端安装远心镜头，远心镜头上配装遮光装置（遮光罩）；遮光装置由镜头罩圈和遮光片组成；   

 系统电路由光学成像模块、线阵CCD驱动模块、高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块组成；

   所述光学成像模块由光源、镜头 、光路及线阵CCD工作电路组成；

   所述线阵CCDD驱动模块由CPLD驱动电路（EPM3064A）组成；

    所述高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块由信号调理电路、A/D采样电路、DSP控制器组成； 

    光源照射路线被可吸收缝合线遮挡，光信号发生变化，光信号通过远心镜头、光路输入到线阵CCD ；

CPLD驱动电路有驱动时序控制下为线阵CCD输出驱动指令；

来自线阵CCD的电荷信号进入信号调理电路进行滤波，信号经滤波后，信号调理电路向A/D采样电路输出模拟电压信号；

     A/D采样电路将模拟电压信号转换为数字信号，输入到DSP控制器，由DSP控制器完成二值化处理、数据存储、计算线径、 数据传输处理，由DSP控制器输出端为喷丝机构和张力控制系统提供检测数据。

利用基于DSP的线阵CCD可吸收缝合线线径在线检测系统进行在线检测的步骤包括：

（1）将检测系统固定在湿法纺丝机平台上，让缝合线穿过光源与镜头之间的光路，绕在导向轮上；

（2）接通检测系统的电源，让光源发出的平行光经过被测缝合线后，通过镜头到达线阵CCD的敏感面上，通过遮光装置避免工业现场杂散光的影响；

（3）在CPLD驱动电路的驱动下，线阵CCD输出载有形状信息的电荷信号，经过信号调理后，由数据采集系统完成快速的A/D转换；将转换后的数字信号并行送入DSP，DSP对数据进行存储和算法处理，并将数据传输到上位机；

（4）在上位机界面观察检测到的波形，根据成像公式： 

式中：I为物距，I’为像距，L为CCD最大成像长度，单位：mm； 

在理论像距附近微调CCD与镜头之间的间距，直至在上位机的图像中得到清晰的缝合线轮廓线；

（5）根据灰度曲线中的灰度值范围大小，设定灰度阈值，将每个数据灰度值与确定好的阈值进行比较，若低于阈值，则将此数值变为0，高于阈值的数值变为1，完成数据的二值化处理；

（6）在DSP数据处理中，根据二值化后的零值宽度，计算缝合线的直径；

；

式中：L ₀为CCD像敏感单元的尺寸；

N ₁，N ₂为被测缝合线的边界即所在像元位置；

实现对被测缝合线直径的精确测定，并将测量结果反馈给喷丝机构和张力控制系统；

（7）进行数据过滤，将测量到的缝合线直径与设定的直径范围相比，若明显小于设定的直径范围，则判定为干扰信号，此次测量数据无效。

有益效果是：该测量系统与传统测量方法相比，在可吸收缝合线生产和缠绕过程中能很好地对线径进行实时监测，可以进一步为喷丝机构和张力控制系统提供信号，实现喷丝压力与牵伸张力的闭环控制，生产出均匀性好的缝合线，提高其生产效率与国产化率。

附图说明

图1：在线检测系统电路框图；

图2：在线检测系统构件图；

图3：光学成像模块光路图 ；

图4：线阵CCD驱动时序图 ；

图5：软件程序流程图；

图6：缝合线线径波形图；

图7：光源部分构件图；

图8：CCD部分构件图。

图中：1. 光源支架，2. CCD支架  ，3. 导向轮，4. 导轨，5. 平台 ,6. 远心光源，7. 线阵CCD ，8. 远心镜头，9. 遮光装置，100. 缝合线 。

11. 水平臂A，12. 垂臂A，1201.螺孔A；13.固定座A；

21. 水平臂B，22. 垂臂B，2201.螺孔B；23.固定座B；

31.轮轴；

61. 插杆A；

71.线阵CCD模块，72.外壳，73.插杆B；

91.镜头罩圈，92.遮光片。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

    基于DSP的线阵CCD可吸收缝合线线径在线检测系统，包括结构件和系统电路，结构件包括光源支架1、CCD支架 2、导向轮3和导轨4；导向轮3和导轨4以湿式纺丝机的平台5为固定面，导轨4固定在平台5中部，两个导向轮3分置于导轨4两侧，导向轮3的轮轴31固定在平台5上；

  光源支架1为∏型结构，包括水平臂A11和其两端的两个垂臂A12，水平臂A11臂展长度和导轨4宽度相配合，两个垂臂A12的内侧面套装在导轨4外侧，在导轨4宽向，两个垂臂A12的内侧面和导轨4的外侧面滑动配合；两个垂臂A12上加工有螺孔A1201，通过滑动光源支架1在导轨4上的前后位置来调整其位置，然后再通过紧固螺钉来固定，水平臂A11上设有固定座A13，固定座A13中心设有插孔；固定远心光源6的筒形外壳底部设有插杆A61，插杆A61和固定座A13中心插孔紧密配合；

  CCD支架 2为∏型结构，包括水平臂B21和其两端的两个垂臂B22，水平臂B21臂展长度和导轨4宽度相配合，两个垂臂B22的内侧面套装在导轨4外侧，在导轨4宽向，两个垂臂B22的内侧面和导轨4的外侧面滑动配合；两个垂臂B22上加工有螺孔B2201，通过滑动CCD支架 2在导轨4上的前后位置来调整其位置，然后再通过紧固螺钉来固定，水平臂B21上设有固定座B23，固定座B2中心设有插孔；

   线阵CCD 7包括线阵CCD模块71、外壳72，外壳72底部设有插杆B73，插杆B73和固定座B23中心插孔紧密配合；

线阵CCD 7的前端安装远心镜头8，远心镜头8上配装遮光装置9（遮光罩）；遮光装置9由镜头罩圈91和遮光片92组成；

    系统电路由光学成像模块、线阵CCD驱动模块、高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块组成；

光学成像模块由光源、镜头 、光路及线阵CCD工作电路组成；

线阵CCD驱动模块由CPLD驱动电路（EPM3064A）的硬件部分及线阵CCD的驱动时序的软件部分组成。

高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块由信号调理电路、A/D采样电路、DSP控制器处理电路，通过数据采集、软件滤波、二值化处理、数据存储、计算线径、 数据传输处理； 

线阵CCD选用日本东芝公司的TCD1209D, 光敏单元数为2048个，像元大小14um，则其最大成像长度为28.63mm。其分辨率高、暗电流小、速度快、灵敏度高，动态范围宽，光谱响应特性好的优点，完全满足对缝合线线径的检测。

1、光学成像模块包括光路的设计、照明光源与镜头的选择。

(1)根据线阵CCD的光谱响应特性确定系统照明光源，采用LED远心照明光源，其黄色光源的波长为468nm，处于CCD峰值响应波长范围内，调整光强适合缝合线生产现场，使线阵CCD最大输出信号接近饱和但不能饱和。

（2）光路采用物方远心光路，物方远心光路的特点是入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴，它不产生测量误差，主要用于光学测量系统中。设计光路时，需要对一些参数进行确定。根据凸透镜成像原理，放大倍数大于1时，在CCD上成像是放大后的细丝，放大倍数越大测量精度就越高，但是过分放大后的细丝像边缘会发生畸变，为后续边缘提取带来困难，应以在CCD敏感面上得到清晰的像为宜。

首先，根据缝合线制作工艺确定CCD水平视场FOV，再根据线阵CCD的成像长度共同确定了系统的放大倍率。

                       

式中：I为物距，I’为像距，L为CCD最大成像长度，单位：mm；

其次，根据缝合线制作现场工作空间限制，设计物距为20 mm，则求出像距I’为： 

                      

再次，根据高斯公式求焦距f为：

                                            

选取焦距为f=18mm的工业相机镜头。

(3) 选用物方远心镜头，使用同轴照明是其必要条件，配以远心照明光源；物方主光线与镜头主轴平行，采用物方远心光路；缝合线前后摆动时，图像的大小基本不会变化。远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。

将待测缝合线置于光源前，沿主光轴距光源20mm为最佳，将CCD敏感面安装在成像物镜的最佳像面位置上。

线阵CCD与镜头间的距离装调好后保持不变，通过合理设计光路及选择光学组件，克服了缝合线运动过程中摆动对测量结果的影响，实现了在线精确测量。

2、线阵CCD驱动模块由CPLD驱动电路（EPM3064A）的硬件部分及线阵CCD的驱动时序的软件部分组成。

（1）TCD 1209D芯片要求特定的驱动时钟脉冲，为此，采用Xilinx公司的CPLD（EPM3064A）设计了驱动模块。线阵CCD驱动脉冲电压范围为4.5V~5.5V，CPLD的信号电压为3.3V，故CPLD产生的驱动时序经过74HC04D反向驱动器提高驱动电压和驱动能力。为了减小外界对CCD输出信号的干扰，设计了放大、滤波电路。TCD1209D的驱动电路由转移脉冲SH、驱动脉冲O1与O2、复位脉冲RS、钳位脉冲CP、同步采样AD脉冲六路脉冲组成。

（2）在QuartusⅡ9.0环境下，采用VHDL硬件描述语言实现总体编程。根据CCD时序要求确定技术指标：CPLD的时钟为50MHz，经过分频后，得到基准时钟，再对基准时钟进行计数与分频，首先产生脉冲SH，其控制累积电荷的转移，对于动态测量，为保证测量精度，仅靠硬件及软件设计中采取细分是不够的，必须缩短CCD积分时间，它的周期作为行扫描周期。再次产生驱动脉冲O1与O2、复位脉冲RS与钳位脉冲CP，同时引入脉冲AD，AD与RS频率同步，利用AD作为输出信号的同步采集控制信号，频率为1MHz。则整个系统的频率与CCD的输出实现同步，频率确定为1MHz。 

同步采样脉冲AD实现与高速A/D数据采集模块的通讯，完成同步数据采集，保证采样的可靠性。

3、高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块

   包括由信号调理电路、A/D采样电路、DSP控制器组成的硬件部分及数据采集、软件滤波、二值化处理、数据存储、线径计算、 数据传输组成的软件部分。

     由于动态测量中，测量系统要求数据采集速度快，实时性好，选用八位高阻抗并行的TLC5510作为CCD输出信号的A/D转换器，最高转换速率能达到20MSPs，我们选用1MSPS。可以将线阵CCD的输出信号同步采集，TLC5510内部带有采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计；

 为了实现同步采集，将脉冲AD作为TLC5510的时钟信号，利用其下降沿对线阵CCD输出信号进行采样，采样频率为1MHz。TLC5510将CCD的输出信号转换成并行的8bit二进制数字信号，并传送给DSP的I/O口，完成CCD输出信号的A/D转换，以便后续进行数据处理。

DSP利用其外部中断对I/O的状态进行读取，脉冲AD为外部中断产生的条件信号，实现了数据的同步采集。将转移脉冲SH分别作为TLC5510使能信号以及DSP数据采集的终止信号。在每个扫描周期内，当SH为高电平时，CCD处于电荷转移过程，TLC5510为A/D转换做准备，DSP终止数据采集进行数据处理，当SH由高变低时，CCD开始输出信号，每一个AD脉冲的下降沿将采集CCD输出像元信号进行A/D转换， DSP进行同步的数据采集与存储。

数据处理采用TI公司的TMS320C5509型DSP信号处理器，16位定点的数字信号处理器，具有144MHz的时钟，80MHz 的I/O的反转速率，进行快速数据处理与完成闭环控制。

DSP进行数据存储采用一维数组，深度为2088（有效像素2048，哑元40），与CCD像元数匹配。DSP处理数据时采用软件二值化方法将数组中数据逐一进行二值分割。由于阈值受光照强度、缝合线的透光程度影响，针对特定材料的缝合线通过实验测试，确定采用不同的阈值。由于经A/D转换器TLC5510转换后的为 8位的二进制数据，那么数组中初步存储每个数据都可以表示为一个0到255的数值。

然后将每个数值与确定好的阈值进行比较，若低于阈值，则将此数值变为0，同时计数变量加1，完成数据的二值化处理。一行周期结束后，将最终的变量值减去CCD哑元的数目后为被测物所占用的有效像元数目。 

缝合线线径尺寸计算：图形中两侧为线阵CCD哑元所在位置，表现为低电平；中间部分为CCD敏感面上有效像元所在位置，其中N ₁，N ₂为被测缝合线的边界即所在像元位置。图形边缘越陡，说明缝合线的边界越清晰，成像光学系统调整的越佳，测量系统精度越高，在波形幅度的一半处能准确反映缝合线线径尺寸信息，设置阈值，有了边界信息就可以对被测缝合线进行计算。

式中：L ₀为CCD像敏感单元的尺寸，L ₀=14μm。

显然，根据d’和就可以计算出缝合线的实际线径d。

                         

DSP将计算后的线径值通过USB接口传输给上位机，上位机界面采用Visual C++进行数据的图形显示。

由于本实施例中，线阵CCD1209D的扫描速率为1MHz，其行扫描周期中共有2088个有效单元，则其行扫描周期为

为与湿式纺丝机的丝轮配合，导向轮3的半径为25mm，转速为160r/min，则缝合线走线速度为：

则一个线阵CCD行扫周期内缝合线的测量长度间隔为

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (2)

1.基于DSP的线阵CCD可吸收缝合线线径在线检测系统，包括结构件和系统电路，其特征在于，

    所述结构件包括光源支架、CCD支架、导向轮和导轨；导向轮和导轨以湿式纺丝机的平台为固定面，导轨固定在平台中部，两个导向轮分置于导轨两侧，导向轮的轮轴固定在平台上； 

  光源支架为∏型结构，包括水平臂A和其两端的两个垂臂A，水平臂A臂展长度和导轨宽度相配合，两个垂臂A的内侧面套装在导轨外侧，在导轨宽向，两个垂臂A的内侧面和导轨的外侧面滑动配合；两个垂臂A上加工有螺孔A，通过滑动光源支架在导轨上的前后位置来调整其位置，然后再通过紧固螺钉来固定，水平臂A上设有固定座A，固定座A中心设有插孔；固定远心光源筒形外壳底部设有插杆A，插杆A和固定座A中心插孔紧密配合；

  CCD支架 为∏型结构，包括水平臂B和其两端的两个垂臂B，水平臂B臂展长度和导轨宽度相配合，两个垂臂B的内侧面套装在导轨外侧，在导轨宽向，两个垂臂B的内侧面和导轨的外侧面滑动配合；两个垂臂B上加工有螺孔，通过滑动CCD支架在导轨上的前后位置来调整其位置，然后再通过紧固螺钉来固定，水平臂B上设有固定座B，固定座B中心设有插孔；

   线阵CCD 包括线阵CCD、外壳，外壳底部设有插杆B，插杆B和固定座B中心插孔紧密配合；

线阵CCD 的前端安装远心镜头，远心镜头上配装遮光装置（遮光罩）；遮光装置由镜头罩圈和遮光片组成；  

 系统电路由光学成像模块、线阵CCD驱动模块、高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块组成；

   所述光学成像模块由光源、镜头 、光路及线阵CCD工作电路组成；

   所述线阵CCDD驱动模块由CPLD驱动电路（EPM3064A）组成；

    所述高速A/D数据采集和DSP数字信号处理模块由信号调理电路、A/D采样电路、DSP控制器组成； 

    光源照射路线被可吸收缝合线遮挡，光信号发生变化，光信号通过远心镜头、光路输入到线阵CCD ；

CPLD驱动电路有驱动时序控制下为线阵CCD输出驱动指令；

来自线阵CCD的电荷信号进入信号调理电路进行滤波，信号经滤波后，信号调理电路向A/D采样电路输出模拟电压信号；

     A/D采样电路将模拟电压信号转换为数字信号，输入到DSP控制器，由DSP控制器完成二值化处理、数据存储、计算线径、数据传输处理，由DSP控制器输出端为喷丝机构和张力控制系统提供检测数据。

2.利用权利要求1所述的基于DSP的线阵CCD可吸收缝合线线径在线检测系统进行在线检测的步骤包括：

（1）将检测系统固定在湿法纺丝机平台上，让缝合线穿过光源与镜头之间的光路，绕在导向轮上；

（2）接通检测系统的电源，让光源发出的平行光经过被测缝合线后，通过镜头到达线阵CCD的敏感面上，通过遮光装置避免工业现场杂散光的影响；

（3）在CPLD驱动电路的驱动下，线阵CCD输出载有形状信息的电荷信号，经过信号调理后，由数据采集系统完成快速的A/D转换；将转换后的数字信号并行送入DSP，DSP对数据进行存储和算法处理，并将数据传输到上位机；

（4）在上位机界面观察检测到的波形，根据成像公式： 

式中：I为物距，I’为像距，L为CCD最大成像长度，单位：mm； 

在理论像距附近微调CCD与镜头之间的间距，直至在上位机的图像中得到清晰的缝合线轮廓线；

（5）根据灰度曲线中的灰度值范围大小，设定灰度阈值，将每个数据灰度值与确定好的阈值进行比较，若低于阈值，则将此数值变为0，高于阈值的数值变为1，完成数据的二值化处理；

（6）在DSP数据处理中，根据二值化后的零值宽度，计算缝合线的直径；

；

式中：L ₀为CCD像敏感单元的尺寸；

N ₁，N ₂为被测缝合线的边界即所在像元位置；

实现对被测缝合线直径的精确测定，并将测量结果反馈给喷丝机构和张力控制系统；

（7）进行数据过滤，将测量到的缝合线直径与设定的直径范围相比，若明显小于设定的直径范围，则判定为干扰信号，此次测量数据无效。