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应用于窄间隙埋弧焊的图像采集及预处理系统研究

作　者: 方迪生
导　师: 闵庆凯；王滨；张文明
学　校: 沈阳大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 窄间隙埋弧焊焊缝自动跟踪图像采集卡图像预处理
分类号: TG445
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

窄间隙埋弧焊施焊的过程中要求电弧始终保持对中,所以为了满足这个要求,引入焊缝自动跟踪系统。目前的焊缝自动跟踪系统有很多种,分别基于不同的传感器,但是视觉传感器较其他传感器有明显的优势,所以开发基于视觉传感器的焊缝跟踪系统很有必要。图像采集系统是基于视觉传感器焊缝跟踪系统的重要组成,它的功能是接收相机输入的图像数据,进行缓冲和预处理,最后有效的输出到计算机中。而计算机做进一步的图像处理,反馈出电弧对中信号给机械控制部分,从而实现焊缝自动跟踪。可以说图像采集的精确性、清晰度和速度等是焊缝自动跟踪的关键。图像采集系统主要由两个大部分组成,分别为光路结构和图像采集卡。光源和视觉传感器以一定角度、距离安装构成光路结构。图像采集卡根据实际应用情况选择了完整开发设计。整个系统的设计重点在于图像采集卡,由于本图像采集卡专用于窄间隙埋弧焊,所以设计中主要以窄间隙埋弧焊焊缝及焊接过程特点为依据。图像采集卡以FPGA为逻辑控制和图像预处理算法实现的核心器件,不仅使整个设计具有很高的灵活性,而且使电路高效简洁。在与相机的连接问题上,采用市场上广泛应用的camera link作为图像采集卡的输入接口,提高了采集卡的通用性、数据传输速率和抗干扰能力。采用PCI总线作为图像采集卡的输出接口,实现图像采集卡与计算机之间的数据传输,达到数据传输的高速度和高精度。第一部分为图像采集系统的光路结构设计,详细论述了光源的选择方案和实际安装,以及它和视觉传感器实现焊缝图像采集的原理。第二部分为图像采集卡的设计,也是本课题的工作重点,包括图像采集卡的硬件电路设计和软件编程设计。最后介绍了图像采集卡在计算机上的测试情况,而且根据焊缝图像特征,对图像预处理方法做了相关研究。对于焊接过程中的弧光、飞溅、烟尘等的影响,分别使用了图像增强、平滑滤波和二值化等预处理方法,最终得到了焊缝特征明显、数据量小的焊缝图像。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-15
  1.1 焊缝图像采集研究的背景和意义  11-12
  1.2 焊缝图像采集的国内研究现状  12-13
  1.3 焊缝图像采集的组成  13
  1.4 本课题的主要内容  13-15
2 焊缝图像采集的光路结构设计  15-19
  2.1 应用于焊缝信息采集的各类传感器简介  15-16
  2.2 焊缝图像采集光学结构原理  16-17
  2.3 焊缝图像采集光学结构的实现  17-19
3 焊缝图像采集卡设计方案  19-23
  3.1 图像采集简介及主要参数  19
  3.2 图像采集卡输入接口方案  19
  3.3 图像采集卡输出接口方案  19-20
  3.4 图像采集卡数据缓冲方案  20
  3.5 图像采集卡核心控制方案  20-21
  3.6 图像采集卡的工作原理  21
  3.7 图像采集卡设计方案的可行性  21-23
4 焊缝图像采集卡的硬件设计  23-45
  4.1 图像采集卡控制芯片的最小系统设计  23-27
    4.1.1 FPGA 的程序存储器设计  23-24
    4.1.2 FPGA 的电源设计  24-25
    4.1.3 FPGA 的时钟设计  25-26
    4.1.4 FPGA 的配置接口设计  26-27
  4.2 图像采集卡输出接口设计  27-34
    4.2.1 PCI 总线简介  27-28
    4.2.2 PCI 总线信号及其控制方法  28-30
    4.2.3 PCI 总线控制芯片PC19054 简介  30
    4.2.4 PCI 总线控制芯片PC19054 接口电路  30-32
    4.2.5 PCI 总线控制芯片PC19054 配置电路  32-34
  4.3 图像采集卡输入接口设计  34-39
    4.3.1 camera link 标准简介  34-36
    4.3.2 camera Link 接口电路  36-39
  4.4 图像采集卡数据缓冲设计  39-40
    4.4.1 SDRAM 器件选型  39
    4.4.2 SDRAM 接口电路  39-40
  4.6 图像采集卡的PCB 设计  40-45
    4.6.1 PCB 板的电源和地线  40-41
    4.6.2 PCB 板的层数与布局  41-43
    4.6.3 PCB 板的布线  43-45
5 焊缝图像采集卡的软件程序  45-59
  5.1 图象采集卡的SDRAM 控制器程序设计  45-50
    5.1.1 SDRAM 的主要控制信号和命令  46-47
    5.1.2 SDRAM 的操作原理  47-48
    5.1.3 SDRAM 控制器的主程序  48-50
  5.2 图象采集卡的PCI 总线程序设计  50-51
    5.2.1 PCI 总线仲裁逻辑  50-51
    5.2.2 数据传输信号控制  51
  5.3 图象采集卡的串行通信程序设计  51-54
    5.3.1 波特率发生器  52-53
    5.3.2 串行通信接收器  53-54
    5.3.3 串行通信发送器  54
    5.3.4 内核控制模块  54
  5.4 图象采集卡的相机触发程序设计  54-56
  5.5 图象采集卡的数据流管理程序设计  56
  5.6 图像采集卡的程序仿真测试  56-58
    5.6.1 FPGA 程序的开发工具简介  56-57
    5.6.2 FPGA 程序的仿真测试  57-58
  5.7 焊缝图像预处理程序  58-59
6 焊缝图像采集卡测试及图像预处理算法研究  59-67
  6.1 焊缝图像采集卡的测试  59-60
  6.2 焊缝图像预处理算法研究  60-64
    6.2.1 图像增强  60-62
    6.2.2 平滑滤波  62
    6.2.3 二值化  62-63
    6.2.4 加窗处理  63-64
  6.3 焊缝图像预处理的FPGA 实现  64-67
结论  67-69
参考文献  69-73
在校期间发表论文  73-75
致谢  75-76

应用于窄间隙埋弧焊的图像采集及预处理系统研究

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