基于FPGA的CCD扫描缺陷检测实时数据处理技术的研究

论文摘要

在诸多行业的材料及材料制成品中,表面缺陷是影响产品质量的重要因素之一。研究具有显微图像实时记录、处理和显示功能的材料表面缺陷检测技术,对材料的分选和材料质量的检查及评价具有重要的意义。本文以聚合物薄膜材料为被测对象,研究了适用于材料表面缺陷检测的基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的缺陷数据实时处理技术,可实时提供缺陷显微图像信息,完成了对现有材料缺陷检测装置的数字化改造与性能扩展。本文利用FPGA并行结构、运算速度快的特点实现了材料缺陷的实时检测。搭建了以FPGA为核心的缺陷数据处理系统的硬件电路;重点针对聚合物薄膜材料缺陷信号的数据特征,设计了基于FPGA的缺陷图像预处理方案:首先对通过CCD获得的聚合物薄膜材料的缺陷信号进行处理,利用动态阈值定位缺陷区域,将高于阈值的数据即图像背景信息舍弃,保留低于阈值的数据,即完整保留缺陷显微图像的有用信息;然后按照预先设计的封装格式封装缺陷数据;最后通过USB2.0接口将封装数据传输至上位机进行缺陷显微图像重建。此方案大大减少了上传数据量,缓解了上位机的压力,提高了整个缺陷检测装置的检测速度。本文对标准模板和聚合物薄膜材料进行了实验验证。实验结果表明,应用了基于FPGA的缺陷数据实时处理技术的CCD扫描缺陷检测装置可对70μm～1000μm范围内的缺陷进行有效检测,实时重建的缺陷显微图像与实际缺陷在形状和灰度上都有很好的一致性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外研究现状及课题背景
• 1.2 本文主要内容
• 第2章 缺陷数据处理系统硬件方案设计
• 2.1 缺陷检测装置的组成及工作原理
• 2.1.1 光源及照明方式
• 2.1.2 光学系统
• 2.1.3 CCD 器件
• 2.2 缺陷数据处理系统硬件设计
• 2.2.1 信号采集模块
• 2.2.2 FPGA 模块
• 2.2.3 USB 接口模块
• 2.3 本章小结
• 第3章 缺陷数据处理系统软件设计
• 3.1 缺陷参数检测算法
• 3.1.1 检测原理
• 3.1.2 缺陷横向尺寸和位置确定
• 3.1.3 缺陷纵向尺寸和位置确定
• 3.1.4 缺陷图形的重建
• 3.2 基于FPGA 的缺陷图像预处理方案设计
• 3.2.1 缺陷图像数据封装格式设计
• 3.2.2 基于 FPGA 的数据处理结构
• 3.3 缺陷数据处理算法的实现与仿真
• 3.3.1 FPGA 及其开发工具
• 3.3.2 时钟管理单元
• 3.3.3 时钟计数单元
• 3.3.4 A/D 控制单元
• 3.3.5 基于动态阈值的缺陷提取单元
• 3.3.6 缺陷数据提取与封装单元
• 3.3.7 数据缓冲单元
• 3.3.8 接口单元
• 3.3.9 总体性能仿真结果
• 3.4 USB 软件及PC 机应用程序设计
• 3.4.1 USB 固件编程
• 3.4.2 驱动程序设计
• 3.4.3 应用程序设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 实验验证与分析
• 4.1 对标准模板实验验证与分析
• 4.2 对聚合物薄膜材料实验验证与分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢