在线图像铁谱仪的硬件系统设计

导体;数字信号处理器;复杂可编程逻辑器件在线铁谱检测采用的方法多种多样,包括电学、光学、磁学、X射线、超声波方法等[1]。但是,由于各方面的局限性,均难以解决磨粒在线探测中遇到的多方面问题。其中光学检测方法最为直接,主要采用遮光面积百分比数据分析来进行诊断,而最能反映磨损状况的特征大磨粒图像数据分析一直未能实现在线处理[2,3]。随着半导体技术和图像处理技术的发展,可以在原有在线铁谱仪基础上实现铁谱图像数据的在线获取及分析。

本文通过研究在线图像铁谱仪系统设计,阐述了如何将互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、数字信号处理器(DSP)技术、复杂可编程逻辑器件(CPLD)技术应用到在线铁谱分析中,实现铁谱图像的在线采集、处理等功能。

1　在线图像铁谱仪系统结构

在线图像铁谱仪主要由电磁铁装置、CMOS图像传感器、油路控制装置、微处理器、输入及输出等部分组成,其中电磁铁装置和图像传感器是在线图像铁谱仪的核心部件[3]。该仪器结构如图1所示。其基本工作原理如下:润滑油在油路控制装置的作用下可以高速或低速流动;电磁铁产生一个可控的高强度、高梯度磁场;通过光纤图像变换器将图像传递到CMOS图像传感器进行采样;由单片机、DSP以及CPLD构成的微处理器部分实现仪器工作控制以及图像处理;图像数据可分别按遮光面积百分比或图像信号来进行处理,当发现磨粒指标异常,仪器将发出声光报警[4]。

在线图像铁谱仪是在原有在线铁谱仪的基础上重新设计了探头和微处理器部分,将原来采用光电池检测方式改为采用CMOS图像传感器检测方式来采集铁谱数据[5]。本文以下部分将主要从在线图像铁谱仪微处理器部分的设计来分析如何实现铁谱图像在线检测。

2　总体硬件系统结构

在线图像铁谱仪微处理器部分主要由单片机主控单元、DSP图像处理单元和图像采集单元3个部分组成,其硬件系统框图如图2所示。其中:单片机负责整个系统的时序控制、人机接口等功能, DSP负责图像处理、故障诊断工作,图像采集单元主要完成CMOS图像传感器的控制任务。

2.1　MCU主控单元

如在本系统中仅用DSP来完成如图像处理、时序控制、人机接口、液压装置控制等所有功能,将会由于其处理能力不足,无法完成仪器功能。故本文采用单片机加DSP组成的双CPU方案来实现仪器所需功能。在这种主从式硬件系统中,一般单片机作为主机,而DSP作为从机,主机可以控制从机的复位、运行和挂起,从机在主机的控制下完成所分担的一部分工作。

由于在本系统中需要在两个处理器之间传递铁谱图像数据,使用串行通信和并行通信不能满足要求,使用直接存储器存取(DMA)通信较为复杂,使用双端口存储器成为一种合理的解决方案。双端口存储器与普通存储器不同之处在于它有两组独立的数据总线和地址总线,两组总线可以同时访问不同存储器单元。由于双端口存储器的特殊结构使得双机可以方便快速地进行数据交换,从而大大提高了单片机与DSP芯片的并行处理能力[6]。