CN201952525U - 单晶硅直径测量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了单晶硅直径测量控制系统，包括与核心处理器连接的模数转换芯片、触摸屏、串口、存储器，其中模数转换芯片将从摄像头采集的模拟信号视频转换为数字信号视频，核心处理器处理数字信号视频、将处理过程在触摸屏上显示并将最后的直径数据通过串口发送给单晶硅控制柜，存储器在核心处理器程序执行过程中对代码和数据进行存储，所述核心处理器采用OMAP3530处理器。本实用新型和相比较传统的模拟摄像机、图像采集卡和工控机的单晶直径检测系统，基于OMAP3530的单晶直径检测系统具有成本低，功耗小，体积小和可靠性高等优点，相比较传统的DSP芯片、ARM芯片组合嵌入式系统，OMAP3530单核中集成了ARM和DSP处理芯片，具有更低的功耗和更小的体积和更低的成本。

Description

单晶硅直径测量控制系统

技术领域

本实用新型属于直拉单晶过程中基于嵌入式系统的在线实时测量单晶直径技术领域。

背景技术

目前CCD摄像扫描系统是大直径直拉单晶直径检测的主流技术。CCD摄像系统主要采用变焦镜头的相机、单个高分辨率相机、双CCD相机系统完成引晶和等径过程。单晶硅等径和引晶的比例大约在100∶1，变焦镜头通过调节焦距分别采集等径和引晶时的图像，变焦镜头价格居高不下，导致变焦镜头相机成本过高。单个高分辨率CCD成本也非常高，以sony高分辨率相机为例，500万像素的CCD相机报价达到了1.5万，加上采集和控制系统成本会更高。采用普通镜头的模拟CCD摄像机是目前使用最广泛的。系统中使用两个模拟CCD摄像机，采集和控制系统使用图像采集卡和工控机，高精度的图像采集卡价格昂贵，同样高性能的工控机价格也非常昂贵。另外图像采集卡和工控机体积比较大，功耗高，不利于单晶控制系统的小型化。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种体积小、功耗低、成本低的单晶硅直径测量控制系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：单晶硅直径测量控制系统，其特征在于：包括与核心处理器连接的模数转换芯片、触摸屏、串口、存储器，其中模数转换芯片将从摄像头采集的模拟信号视频转换为数字信号视频，核心处理器处理数字信号视频、将处理过程在触摸屏上显示并将最后的直径数据通过串口发送给单晶硅控制柜，存储器在核心处理器程序执行过程中对代码和数据进行存储，所述核心处理器采用OMAP3530处理器。

优选的，所述模数转换芯片采用TVP5146。

优选的，所述触摸屏采用群创公司的AT070TN83V1。

优选的，所述存储器由FLASH存储器和SDRAM存储器组成。

本实用新型和现有单晶直径图像测量系统相比，有益效果是：相比较传统的模拟摄像机、图像采集卡和工控机的单晶直径检测系统，基于OMAP3530的单晶直径检测系统具有成本低，功耗小，体积小和可靠性高等优点，相比较传统的DSP芯片、ARM芯片组合嵌入式系统，OMAP3530单核中集成了ARM和DSP处理芯片，具有更低的功耗和更小的体积和更低的成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的硬件框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明详细说明。

图1是本发明硬件框图，两路视频通过模数转换芯片TVP5146的转换，使用OMAP3530的ARM核将转换后的数字视频放入外部SDRAM存储器中。OMAP3530的DSP核对数字视频进行ROI感兴趣区域设置，边缘检测，二值化，圆弧拟合和均值滤波处理得到最终的直径数值。ARM核再将原始视频和直径数据显示到LCD触摸屏上，并在LCD触摸屏上实现人机界面，图像保存，曲线绘制等功能，程序固化在FLASH中，直径数据通过串口发送到单晶控制柜，电源接口为系统供电。

下面首先对单晶测量的具体步骤说明如下：

1、采集图像

由于等径和引晶阶段晶体的大小差别很大，引晶时的直径在2-3mm左右，等径时直径在200mm左右，普通工业用模拟摄像头的分辨率为640*480，采用两个不同焦距的镜头分别采集引晶和等径时单晶生长的图像，采集引晶图像的镜头焦距为30mm，采集等径图像的镜头焦距为10mm。

2、ROI设置

在采集到的图像上进行ROI区域设置，在外部SDRAM中设置x和y方向上的门限，使得ROI区域尽量只包含光圈图像ROI区域的设置可以减小DSP的工作量。

3、边缘检测

采用Canny边缘检测的方法，Canny边缘检测有很多参数可以调节，单晶图像的噪声很大，Canny边缘检测算法能有效地抑制噪声，针对单晶图像采用如下步骤：

step1：将单晶图像的ROI区域和高斯算子进行卷积，平滑图象，减弱噪声，设单晶图像像素点(x，y)的灰度值为f(x，y)，高斯平滑的模板大小为

$H(x,y)=1/16\left[\begin{array}{ccc}1& 2& 1\\ 2& 4& 2\\ 1& 2& 1\end{array}\right]$

高斯卷积的结果为

G(x，y)＝f(x，y)*H(x，y)

step2：单晶图像中的光圈边缘指向不同的方向，使用4个一阶偏导的有限差分检测水平、垂直以及对角线方向的边缘。原始图像与每个算子所作的卷积都存储起来，

step3：在光圈图像的边缘中局部梯度最大的点为边缘点，利用梯度方向抑制非极大值。在每一点上，邻域的中心像素M与沿着梯度线的两个像素相比。如果M的梯度值不比沿梯度线的两个相邻像素梯度值大，则令M＝0。

step4：用双阈值算法检测和连接边缘。设定两个阈值τ1和τ2，且2τ1≈τ2，从而可以得到两个阈值边缘图象N1[i，j]和N2[i，j]。由于N2[i，j]使用高阈值得到，因而含有很少的假边缘，但有间断。在N2[i，j]中把边缘连接成轮廓，当到达轮廓的端点时，就在N1[i，j]的8邻点位置寻找可以连接到轮廓上的边缘，不断地在N1[i，j]中收集边缘，直到将N2[i，j]连接起来为止。

4、二值化

由于单晶图像中的光圈部分亮度最高，通过经验值选择二值化的阈值使得光圈图像的灰度值为255，其余部分均为0。

5、畸变校正

根据摄像机光轴与单晶液面之间的夹角，对图像做椭圆至圆的畸变校正。设已知夹角为θ，对每个像素点的横坐标x进行畸变校正，校正后的坐标x′＝x/cosθ。

6、圆弧拟合

圆弧拟合是求得单晶直径的关键算法，圆弧拟合的效果直接影响到直径的准确度，按照下面的步骤拟合圆弧：

step1：首先粗略估计圆的中心和直径大小，设圆的圆心坐标为(x₀，y₀)，直径为R。在经过Canny边缘检测、二值化畸变校正后的光圈图像上任取三点(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)，则通过下面的方程式可以粗略计算出圆心位置和直径大小

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2=R^2\\ {(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2=R^2\\ {(x_3-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2=R^2\end{array}\right.$

考虑到能够对缺陷圆的进行检测圆，通过选择多组像素点，计算多个直径距离来获得平均值尺，在求平均值前，把获得到的多个直径数值中的几个最大值和最小值排除掉。

Step2：利用遗传算法逼近光圈的最佳圆，设圆的函数方程(x-x₀)²+(y-y₀)²＝R²，则偏差函数d＝F(x，y)＝(x-x₀)²+(y-y₀)²-R²，对于圆上的点，有F(x，y)＝0，对于圆外的点，F(x，y)＞0，对于圆内的点，有F(x，y)＜0。设边缘点的集合为{(x_i，y_i)}，其中i＝1，2，3...N，N为边缘点的个数，任一边缘点的偏差d_i＝F(x_i，y_i)＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²-R²，代表边缘点到最佳圆的距离。所有边缘上的点距离最佳圆的偏差之和记为S，则S是遗传算法需要优化的目标函数。

$S=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|d_i\right|=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|F(x_i,y_i)\right|=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-R^2|$

优化参数为x₀，y₀，R，点的个数越多，优化的参数精度越高，通过遗传算法使得目标函数S的值越小，则半径值越准确。

7、均值滤波

由于晶体转动的晶线引起测量的误差，需要将得到的直径测量结果进行均值滤波，设计了等间隔均值滤波算法，具体的方法是根据晶体的提拉速度，以小于晶体时间的间隔保存最新的直径测量值，在测量值中去掉最大的和最小的值，其它值求和后取平均值即是最后的直径数值。

下面结合图1硬件框图对本发明的硬件设计进行详细说明：

1、核心处理器

核心处理器选用TI推出的OMAP3530，它是低功耗高性能的多核处理器，具有超过1200 Dhrystone MIPS的性能，集成ARM Cortex-A8、DSP(TMS320C64x+TM 430MHz)、POWERVR SG^TM 2D/3D图形加速引擎，以及丰富的外设资源。可以实现人脸识别监控系统、便携式设备、高端工业设备、医疗设备、2D/3D游戏机产品，以及其他适合用OMAP3530处理器实现的产品。

2、图像采集电路

从摄像头采集的模拟信号通过编码芯片TVP5146转化为BT.656格式，同步信号发送到OMAP3530的VP口。TVP5146是一款超低功耗的解码芯片，可以对PAL/NTSC/SECAM各制式自动识别、切换、置对应寄存器位。作为视频输入口时，视频数据的行/场同步又包含在BT.656数字视频数据流中。OMAP3530对TVP5150内部寄存器的访问通过I2C总线实现，

3、电源电路

本系统需要12V，5V，3.3V，1.8V的电源，12V电源给摄像机供电，5V给外部接口电路供电，3.3V为OMAP3530芯片及其外围接口供电，系统采用12V外部输入电源，TPS54620和TPS54286PWP降压芯片芯来完成降压电路。由于OMAP3530对外可以输出1.8V电源，为了保证个模块之间不互相干扰，对系统+3.3V经过LC滤波后产生本地十3.3V电压。

4、触摸屏电路

选用群创公司的AT070TN83V1的10寸LCD，触摸屏与OMAP接口板连接的信号包含LCD_D0-LCD_D23，PCLK，DE，VS，HS，X+，X-，Y+，Y-，NDISABLE，BKLIGHT，RESET，I2C。LCD芯片采用两片74ALVC164245DGG芯片与OMAP处理器相连接；触摸屏控制芯片使用单片TSC2046EIPW芯片，此芯片通过X+/X-/Y+/Y-四个信号实现触摸功能，并通过一个GPIO信号与处理器相连接。

5、串口电路

串口电路RS232通过标准的3.81mm的接口向单晶硅提供必要的RX/TX/GND信号。内部通过一个232芯片SP3203ECY-L连接至OMAP3530，UART1_TX，UART1_RTS，UART1_CTS和UART1_RX信号分别接到OMAP上，RS232_UART1_TX和RS232_UART1_RX至外部RS232接口。

6、存储电路

OMAP3530程序执行过程中，代码和数据存储在FLASH和SDRAM中，SDRAM的大小是256MByte，FLASH的大小也是256MByte。

Claims (4)

1.单晶硅直径测量控制系统，其特征在于：包括与核心处理器连接的模数转换芯片、触摸屏、串口、存储器，其中模数转换芯片将从摄像头采集的模拟信号视频转换为数字信号视频，核心处理器处理数字信号视频、将处理过程在触摸屏上显示并将最后的直径数据通过串口发送给单晶硅控制柜，存储器在核心处理器程序执行过程中对代码和数据进行存储，所述核心处理器采用OMAP3530处理器。

2.根据权利要求1所述的单晶硅直径测量控制系统，其特征在于：所述模数转换芯片采用TVP5146。

3.根据权利要求1所述的单晶硅直径测量控制系统，其特征在于：所述触摸屏采用群创公司的AT070TN83V1。

4.根据权利要求1所述的单晶硅直径测量控制系统，其特征在于：所述存储器由FLASH存储器和SDRAM存储器组成。