-
浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
7
西门子模块6ES7212-1BB23-0XB8产品齐全
随着工业技术的发展和质量检测标准的提高，高速医药流水生产线上传统的质量方法速度慢、质量受人为因素和工作环境的影响卫生条件难以，为满足现代质量控制和流程控制要求，需要研究的检测技术来完成医药产品的质量检测。
机器视觉技术在医疗中的应用非常广泛，现代很多高难度的手术都要在机器视觉的配合下完成，比如皮肤的检测，脑部CT成像，视觉手术等。在医学上机器视觉还被应用在一些医药产品的检测，医学的一些科学研究中，比如葡萄糖药液检测，染色体检测，红细胞检测等[1]。
为了有效解决现代医药生产线上的产品实时检测问题，本文针对葡萄糖药液的质量检测设计了一套检测试验系统。设计目标就是：利用机器视觉技术，使用多台CCD摄像机、光源、工性能的工业计算机来取代人工，实现葡萄糖质量的自动检测。本实验系统的设计为研制、高速的智能葡萄糖自动装置提供了有效的依据[2]。
2 葡萄糖检测流程
药用的生产流程如图1所示，通过高浓度的葡萄糖加适当比例的蒸馏水得到葡萄糖溶液，然后葡萄糖溶液灌装到经过高温和紫外线的容器里面进行封装。封装后的产品在进行质量检测，检测的对象主要是：
（1） 药液里面的悬浮物，如不容性杂质，玻璃纤维等;
（2） 瓶身的缺陷;
（3） 瓶身有未清洗干净的脏污;
传统的检测方法是人工检测，检测车间设在一间立的暗房中，带检测的葡萄糖用人工的方式放在流水线上，流水线的速度由工人控制，当药品传送到检测工人面前时，工人将其从流水线上拿出，在的灯箱下判断产品质量是否合格。
人工检测存在着很大的弊端：
1） 现代生产线的速度越来越高，人工检测很难满足流水线的速度;
2） 现代制造强调实时、在线、非接触检测，确保对制造过程实现控制，提高生产效率和产品的合格率，这是传统手段无法提供的;
3） 现代产品的制造精度大大提高，要求相应的检测方法。
4） 传统的人工无法持续保持一致的检测效果;不同的检测者之间存在差异;无法实现实时的流程控制;
5） 传统检测无法适应现代的质量控制和统计流程控制（SPC）。
3 检测试验系统搭建
对于葡萄糖药液里面的微小的玻璃屑、橡胶屑或其他的一些不溶性颗粒，在静止的情况下一般都沉淀在瓶底或悬浮在药瓶的上端，人工检测需要葡萄糖液体倒置，使其液体发生运动，同时也带动固体杂质的运动，杂质随着药体运动到区域，此时再触发摄像机采集图像可以拍摄清晰的次品图像，也可以通过判断运动目标的方式来判断是否存在杂质。基于这样的检测原理，本实验系统设计了一个高速的旋转平台，旋转平台可以带动瓶做高速的旋转然后剧停，从而带动杂质运动到检测区域。
3.1 平台的硬件结构图
如图2所示，待检测的葡萄糖药瓶被卡在转床上，转床旋转的时候带动药瓶高速旋转，用于机器视觉的LED光源安装在如图所示的光源盒内，CCD摄像机将拍摄到的图像传输到工控机。下面对硬件平台作详细的介绍。
（1） 把手：按照上图所示的方向转动把手可以带动瓶卡上下运动，以便放置药瓶;
（2） 电机：普通的交流电机，带动转床的主轴高速转动;
（3） 上端瓶卡：将葡萄糖瓶卡在底座上，当转动把手时瓶卡作上下运动方便放置药瓶;
（4） 光源盒：光源盒里放置一环形紫外光源，透过瓶底向上照射药体;
（5） CCD摄像机：负责拍摄运动的药体;
（6） 工控机：负责处理CCD摄像机拍摄到的图像序列;
3.2工作过程
（1） 转动把手将上端瓶卡向上提起，放置待检测的葡萄糖药瓶于底座上;
（2） 放下把手，将其卡紧，开启转床，转床的主轴带动瓶卡高速转动，由于摩擦力的作用瓶卡带动药瓶也做高速的转动;
（3） 停止转床，瓶卡停止转动，葡萄糖药瓶停止转动，但药液在惯性的作用下继续转动之后缓慢停止;
（4） 在此过程中连续拍摄7幅图像，在这一序列的运动图像中，对运动目标进行识别;
（5） 当识别到的目标过规定的容许指标时，判断此瓶药液为不合格
3.3 视觉成像系统配置
图像采集部分将完成流水线上的运动图像，图像部分采集图像质量的好坏将直接影响整个检测效率[3]。图像采集部分主要由CCD摄像机完成。CCD摄像机摄取图像信号，由图像采集卡将图像信号采集进来。本套实验装置选用两个方位的摄像机对待检测物体进行检测，一个俯拍位一个侧拍位，对有些待检测物体可以进行多方位的检测。摄像机采用的是Pulnix公司的TM6703[4]，采集卡选用的是Matrox公司的Cornora2[5]。
Matrox Corona Ⅱ 是Matrox Graphics Inc., 生产的图像控制器，可采集隔扫描/逐行扫描的分量RGB信号和单/双路黑白模拟视频信号; 3路10bit A/D转换器;24-bit RS-422/LVDS 数字接口;模拟情况下采集率达到30MHz，RS-422数字模式下达到25 MHz，LVDS数字模式下达到40 MHz ;连接2个RGB或6个模拟黑白视频信号; 32-bit/33MHz PCI总线主模式 ;扩展板上实时采集存储 ;可同时支持模拟VGA和立的数字VGA或TV输出[4]。
Pulnix公司的TM6703是1/2寸，648＊484，快门速度为1/60～1/32000 秒，同时带有异步重置功能。当VINIT脉冲发生作用时，重置摄像机的扫描CCD。当在异步模式下和外部VINIT高电平信号的作用下，异步功能将自动被选择，信号读出会被禁止直到有触发。下面是摄像机异步重置的三种模式：
1）控制脉冲宽度的外部VINIT：快门速度有脉冲宽度来控制;
2）快速内部触发模式：当VINIT的下降沿和外部HD是一样的时候，信号抓取没有延时，否则，会有0-1HD的延时;
3）慢速内部触发模式：快门速度可以选择在1/250-1/2000秒，如果VINIT和外部HD的下降沿相同，并且启动了积分充电，在VINIT下降沿摄像机放电。输出延时取决于选择的快门速度。
4 检测试验流程
通过的分析可知，在葡萄糖悬浮物检测的试验中需要一个高速的旋转平台配合使用。整套试验系统的操作流程如图3所示：
系统开机，所有设备初始化，根据葡萄糖悬浮物检测的要求配置摄像机和采集卡的参数。然后，启动旋转平台，旋转平台旋转30秒带动葡萄糖液体作高速的旋转，停止旋转平台，延时10秒后液体缓慢停止，此时相机拍摄序列图像。
5 本文点
（1）本文将机器视觉技术应用在了葡萄糖药液质量检测上，实现了无接触式的检测，在药品上和检测精度上都对传统人工检测有着重大的改进。
（2）本文根据葡萄糖药液杂质的特点设计旋转式装置。
（3）根据葡萄糖药液杂质检测的特点设计了的视觉成像方案。
智能化传感器是一种带嵌入式微处理器的传感器,是嵌入式微处理器,智能理论和传感器相结合而成的传感器测控系统,兼有检测、判断、网络、通信和信息处理等功能,与传统的传感器相比有很多特点:具有思维、判断和信息处理功能,能对测量值进行修正、误差补偿,可提高测量精度;具有知识,可多传感器参数进行测量综合处理;根据需要可进行自诊断和自校准,提高数据的性;对测量数据进行存取使用方便;有数据通信接口,能与微型计算机直接通信,实现远程控制;可在网上传送数据实现监测控制;可实现无线传输。
2 传感器功能分析
传感器测控系统的特点可以定义其基本功能为:
1.复合敏感功能————智能传感器测控系统具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较反映物质运动规律的信息。
2.自补偿和计算功能————只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较的测量结果。
3.自检、自校、自诊断功能————采用智能传感器测控系统,自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。
4.信息存储和传输————传感器测控系统通过测试或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。
3 传感器系统用例分析
用例建模是UML建模的一部分,也是UML里基础的部分。用例建模的主要功能就是用来表达系统的功能性需求或行为。可以确定传感器在整个控制系统中的位置和相互关系如图1所示。
由此,可以定义传感器测控系统的用户。
操作者:操作者建立传感器与系统连接,上电启动传感器与系统,传感器通过通讯网络寻找控制器,由控制器确定自己身份等设定参数。用户也可以通过控制器设定特定传感器的参数。
检测参数:即传感器检测物理量的参数变化,检测参数变化将引起传感器检测数据的变化,传感器测控系统将对数据进行转换、处理、存储,在建立与控制器通讯的基础上,进行。此外,传感器测控系统需要完成底层控制任务,需要接受控制器发送的指令和数据,即在控制器指令下,完成控制器发送数据、指令的接收、存储和执行。
关联传感器:任何一个智能传感器都可能是一个传感器网络（目前常见是通过各种现场总线）相连接,传感器之间可能存在通讯,智能传感器可以对关联传感器发送的数据做出响应,或者对数据进行存储,或者发送控制指令,或者修改自身某设定参数。
控制器:在系统初始化过程中,根据传感器发送请求,分配身份识别ID,设定相关参数;根据传感器发送检测数据,确定控制参数和控制指令,发送给传感器。
驱动器:接受传感器测控系统发出的控制指令,实施驱动。
由此可以确定传感器测控系统用例图如图2所示。
每一个用例中,都涉及到用户与传感器系统、传感器系统与周边设备的信息交互,交互是协作中的一个消息集合,这些消息被类元角色通过关联角色交换。当协作在运行时,受类元角色约束的对象通过受关联角色约束的连接交换消息实例。交互作用可对操作的执行、用例或其他行为实体建模。
消息是两个对象之间的单路通信,从发送者到接收者的控制信息流。消息具有用于在对象间传值的参数。消息可以是信号（一种明确的、命名的、对象间的异步通信）或调用（具有返回控制机制的操作的同步调用）。
创建一个新的对象在模型中被表达成一个事件,这个事件由创建对象所引起并由对象所在的类本身所接受。创建事件,作为从层初始状态出发的转换的当前事件。对于新实例是可行的。
消息可以被组织成顺序的控制线程。分离的线程代表并发的几个消息集合。线程间的同步通过不同线程间消息的约束建模。同步结构能够对分叉控制、结合控制和分支控制建模。
消息序列可以用两种图来表示:顺序图（消息的时间顺序）和协作图（交换消息的对象间的关系）。表示系统需求,通常都使用顺序图描述系统信息交互。
顺序图将交互关系表示为一个二维图。纵向是时间轴,时间沿竖线向下延伸。横向轴代表了在协作中各立对象的类元角色。类元角色用生命线表示。当对象存在时,角色用一条虚线表示,当对象的过程处于状态时,生命线是一个双道线。
4 传感器测控系统硬件结构设计
4.1传感器系统的构成
根据上一章对传感器系统的功能和用例分析,可以确定传感器测控系统的模块结构,在rational rose中定义出传感器系统的部件图如图3所示
传感器测控系统模块主要包括:信号调理模块、多通道数据采集模块、A/D转换模块,数据存储模块、数据编码模块、模块、控制决策模块、数据处理模块、驱动模块及状态显示模块等部分。所有的控制逻辑和数据计算全部由主控制器的软件实现。
在传感器测控系统的模块结构中,信号调理模块、A/D转换模块、数据存储模块、数据编码模块、模块、状态显示模块、驱动模块都需要系统硬件提供支撑,因此,可以确定传感器系统硬件体系结构如图4所示。
4.2硬件设计
传感器系统因为需要作为现场数据采集的基本单元,需要具备体积小、低功耗、、;可以实现网上控制,在硬件电路选择上应区别于普通的嵌入式系统。
4.2.1 基础单片机系统设计
微处理单元是传感器测控系统的,主要完成信号数据的采集、处理（如数字滤波、非线性补偿、自诊断）和数据输出调度（包括数据通信和控制量本地输出）等工作。从智能传感器高性、低功耗、和微体积等特点出发,嵌入式微处理器系统是选择。
4.2.2信号调理电路设计
数据采集系统的设计过程中,输入数据采集系统的电信号与ADC的输入范围并不一定匹配,因而,一般不直接送入ADC进行转换,必需对输入的信号进行信号调理,经过信号调理后的模拟信号符合ADC的要求。
4.2.3 A/D转换电路选择
模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。A/D转换器的选择是至关重要的。所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示,并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口。
4.2.4 D/A转换电路选择
D/A转换电路的选择主要考虑转换电路的分辨率、准确度、线性度,分析分辨率与线性误差的关系。根据分辨率的定义,位数越多,分辨率越高。
4.2.5 传感器的通信电路设计
一般的智能传感器都具有双向通信功能,即智能传感器之间,智能传感器与控制器之间都存在,控制器不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。
5 小结
虽然智传感器测控系统的研究和开发己一定的成果,但还远远不能满足生产实践发展的迫切需求,本课题对智能传感器系统进行了设计,在详细分析传感器测控系统的定义和功能需求的基础上,利用UML统一建模语言建立了传感器系统的需求模型,使用用例图对传感器系统的各种用户需求进行描述,使用顺序图详细描述了每个用例的参与者和信息传递过程。以此为基础,对传感器系统的结构进行了描述,使用协作图对系统各个功能模块之间的信息传递和协作关系进行了分析。并且分别对传感器系统中的硬件模块提出了设计思路。
本文作者点:
本文讨论了传感器测控系统的硬件框架,在对传感器系统功能和用例分析的基础上,建立了系统的物理视图。针对系统部件图中描述的硬件结构,对传感器测控系统各主要部件的设计要求作了讨论,