基于雙路線(xiàn)陣CCD的自動(dòng)電子數(shù)粒機(jī)

隋修武，齊曉光，李大鵬

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387)

0 引言

隨著“后GMP時(shí)代”的來(lái)臨，對(duì)醫(yī)藥包裝機(jī)械的可說(shuō)明性、可追蹤性、在線(xiàn)檢測(cè)、在線(xiàn)清洗、全線(xiàn)監(jiān)控和自動(dòng)化程度等方面的要求愈來(lái)愈高，有效提高制藥企業(yè)瓶包裝產(chǎn)品的包裝質(zhì)量和計(jì)數(shù)精度是至關(guān)重要的［1］，在瓶裝聯(lián)動(dòng)設(shè)備中數(shù)粒機(jī)是整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的關(guān)鍵。

按照工作原理的不同，傳統(tǒng)的機(jī)械數(shù)粒機(jī)的數(shù)粒速度可達(dá)到200粒/min，自動(dòng)化水平較低，通用性較差。目前高端電子數(shù)粒瓶裝機(jī)市場(chǎng)，以光電檢測(cè)技術(shù)數(shù)粒為主，基本被以美國(guó)的DT包裝集團(tuán)、荷蘭CREMER公司、瑞士ROMACO公司三家為主的進(jìn)口產(chǎn)品占有［1，2］，價(jià)格十分昂貴。國(guó)產(chǎn)的設(shè)備在運(yùn)行速度、精度、穩(wěn)定性等方面還有待進(jìn)一步的技術(shù)完善。

采用CCD技術(shù)進(jìn)行電子數(shù)粒，與傳統(tǒng)的紅外光電接收管發(fā)射管作為傳感器相比，具有更高的分辨率。本文設(shè)計(jì)了基于雙路線(xiàn)陣CCD電子數(shù)粒機(jī)，可以在數(shù)粒的同時(shí)檢測(cè)出藥粒的大小，有效剔除殘片，識(shí)別出重疊的藥片，提高藥品包裝質(zhì)量和計(jì)數(shù)精度。

1 電子數(shù)粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)

圖1是藥品灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)與原理。

振動(dòng)給料盤(pán)在控制系統(tǒng)的作用下，按給定的頻率和幅度振動(dòng)，保證藥粒持續(xù)穩(wěn)定的落下，當(dāng)藥粒經(jīng)過(guò)檢測(cè)通道時(shí)，對(duì)光源所發(fā)出的光起到阻擋作用，引起成像系統(tǒng)接收到的光強(qiáng)的變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)所得到的光強(qiáng)變化規(guī)律，確定檢測(cè)通道中通過(guò)的藥片的大小和數(shù)量，進(jìn)行數(shù)粒。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)擋粒機(jī)構(gòu)，將藥粒的下落通道關(guān)閉，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)送瓶機(jī)構(gòu)，將裝滿(mǎn)的藥瓶送走，下一個(gè)空瓶送到位，再打開(kāi)擋粒機(jī)構(gòu)，開(kāi)始下一瓶灌裝。如果檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)灌裝中有殘片，則啟動(dòng)剔除機(jī)構(gòu)，將此瓶剔除。

在圖1中，成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于雙路線(xiàn)陣的CCD的電子數(shù)粒機(jī)的主要組成部分，電子數(shù)粒機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 藥品灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)與原理Fig 1 Basic structure and principle of the medicine pill packaging line

圖2 電子數(shù)粒機(jī)的總體結(jié)構(gòu)Fig 2 The structure of the Electronic Granulation Counter

在成像系統(tǒng)中照明光源采用LED冷光源，由恒壓源供電，使光源發(fā)出穩(wěn)定、均勻的光，光源發(fā)出的光由機(jī)械裝置的狹縫進(jìn)入到檢測(cè)光路，通過(guò)鏡頭到達(dá)線(xiàn)陣CCD的像敏面上，整個(gè)藥片的下落通道均有遮光裝置，可以有效地避免環(huán)境中雜散光的影響。當(dāng)下落通道中有藥片存在時(shí)，在CCD感光器上檢測(cè)到光強(qiáng)的變化，線(xiàn)陣CCD在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下完成光電轉(zhuǎn)換，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓信號(hào)串行輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換后，形成數(shù)字信號(hào)，由高速SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，再由USB接口送入主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中采用Visual C++.net編寫(xiě)了數(shù)據(jù)采集與處理程序，完成數(shù)字濾波、軟件二值化、計(jì)數(shù)等功能。

2 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)光路設(shè)計(jì)

通過(guò)穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)LED線(xiàn)光源作為照明光源，光路設(shè)計(jì)如圖3所示。

在檢測(cè)光路中，成像面上的CCD選用日本東芝公司生產(chǎn)的線(xiàn)性CCD 芯片 TCD1209D［3］，其像素為2048，像元尺寸為14μm×14μm，成像長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2048×0.014=28.7 mm。

實(shí)際設(shè)計(jì)的檢測(cè)通道的空間寬度為400 mm，由于藥器包裝機(jī)的空間結(jié)構(gòu)的限制，物距不能過(guò)大，而由于鏡頭視角的限制，用單個(gè)CCD不能完成整個(gè)視場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，為此，采用雙線(xiàn)性CCD同步掃描的方式。

對(duì) CCD 而言，水平視場(chǎng)為FoV=200 mm，放大率［3，4］

圖3 數(shù)粒機(jī)的檢測(cè)光路(俯視)Fig 3 The detecting light path of the electronic granulation counter

其中，u為物距，即為工作距離w;v為像距，即為鏡頭到CCD的距離。設(shè)計(jì)的像距為21 mm，故工作距離

由此可以計(jì)算出鏡頭焦距

2.2 線(xiàn)陣CCD及其驅(qū)動(dòng)

線(xiàn)性CCD采用日本東芝公司生產(chǎn)的TCD1209D，該芯片性?xún)r(jià)比高，使用方便，除了要提供電源外，芯片正常工作還需要5路驅(qū)動(dòng)信號(hào):時(shí)鐘脈沖Φ1，Φ2(Φ2b)，轉(zhuǎn)移脈沖SH、復(fù)位脈沖RS和鉗位脈沖CP。各驅(qū)動(dòng)脈沖必須嚴(yán)格滿(mǎn)足時(shí)序要求［5］才能保證高速CCD芯片TCD1209D的正常工作，其時(shí)序的相位關(guān)系如圖4所示。

圖4 CCD時(shí)序相位關(guān)系Fig 4 Relation between time sequence and phase of the CCD

采用CPLD為線(xiàn)陣 CCD 提供時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路［5，6］，CPLD選用為Altera公司生產(chǎn)的MAX II系列芯片EPM 3064A，其核心電壓3.3 V，在QUARTUSII環(huán)境下，采用原理圖的方式編程，其驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5。

圖5 基于CPLD的TCD1209D的驅(qū)動(dòng)電路Fig 5 TCD 1209D driving circuit based on CPLD

圖5中，phi模塊為實(shí)現(xiàn)Φ1和Φ2的生成提供初始信號(hào)，此模塊對(duì)晶振80 MHz晶振進(jìn)行2分頻，得到40 MHz的工作頻率clk。sh模塊用來(lái)產(chǎn)生SH信號(hào)，以phi的上升沿作為響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)phi進(jìn)行計(jì)數(shù)，保證1個(gè)SH周期至少包含2088個(gè)Φ1脈沖，并包含至少1個(gè)Φ1周期的高電平。phish模塊的功能是對(duì)phi的“非”進(jìn)行計(jì)數(shù)，維持2087個(gè)phi周期的低電平后，產(chǎn)生維持3個(gè)phi周期的高電平。這個(gè)模塊與phi的“非”進(jìn)行“或”運(yùn)算以后，產(chǎn)生了最終的Φ1和Φ2;rscp模塊為產(chǎn)生RS和CP的模塊，對(duì)clk進(jìn)行占空比為1∶3的4分頻，在Φ1的高電平期間，RS和CP相繼產(chǎn)生高電平，可通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生，當(dāng)SH為高電平的時(shí)候，滿(mǎn)足RS，CP為低電平;sample模塊產(chǎn)生與phi信號(hào)有一個(gè)clk周期的相位差的信號(hào)，利用其上升沿對(duì)輸出OS信號(hào)進(jìn)行采樣。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)采集卡

由于CCD芯片TCD1209D輸出的是高速模擬信號(hào)，需要進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)［7］，而由于藥粒的存在引起光強(qiáng)的變化比較明顯，作為后續(xù)數(shù)據(jù)的軟件二值化處理的基礎(chǔ)，A/D轉(zhuǎn)換精度要求不是很高，為此，選用A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510。TLC5510是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗A/D芯片，能提供的采樣率可達(dá)20 MSPS。

以TLC5510為核心，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡的原理功能框圖如圖6所示。

核心時(shí)序模塊采用ALTERA MAX系列的EPM7128型CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，在CCD的行同步信號(hào)和像同步信號(hào)的控制下，控制信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存于緩存器中，緩存器采用 ALLIANCE公司的 AS7C256—15JC，再由控制時(shí)序模塊控制接口模塊，通過(guò)USB接口總線(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)交換，USB2.0微控制器接口采用CYC68013—100AXC。

圖6 數(shù)據(jù)采集卡的原理功能框圖Fig 6 Principle function block diagram of the DAQ board

3.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 程序結(jié)構(gòu)

采用Visual C++.net進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)，完成數(shù)字濾波、軟件二值化、邊緣提取、計(jì)數(shù)以及參數(shù)輸入與顯示等功能。程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程Fig 7 Flow chart of program

3.2.2 軟件濾波

在藥片包裝現(xiàn)場(chǎng)，存在來(lái)自環(huán)境的光強(qiáng)干擾、電磁干擾等各種干擾，為了濾掉這些干擾信號(hào)，除了在電路中設(shè)計(jì)了濾波電路外，在軟件中采用數(shù)字濾波的方式。

采用滑動(dòng)平均濾波法，考慮到CCD的水平分辨率為0.1 mm，而有效藥片的寬度均在幾個(gè)毫米以上，故將濾波長(zhǎng)度取為16，即連續(xù)取16個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并去掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)，再把隊(duì)列中的16個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得了好的濾波結(jié)果。這種方法對(duì)于周期性干擾(如日光燈的干擾等)有良好的抑制作用，平滑度高，速度快。

3.2.3 灰度的二值化

常用的二值化方法有硬件電路二值化和軟件二值化［8］，硬件電路二值化的閾值調(diào)整需要通過(guò)調(diào)整可調(diào)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)［9］，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)不同的藥片，由于其透光度不同，需采用不同的二值化閾值，對(duì)于一般用戶(hù)而言，調(diào)節(jié)電路參數(shù)比較復(fù)雜，需要很多的電路調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，而采用軟件二值化的方法，可以很方便地在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行參數(shù)修改，不需要專(zhuān)業(yè)的知識(shí)。

3.2.4 藥粒識(shí)別

二值化后，即可根據(jù)灰度值的突變進(jìn)行圖像的邊緣提取［10］，進(jìn)行藥片識(shí)別與計(jì)數(shù)。

藥粒從h=10cm高處落下，落至CCD處時(shí)的速度用公式

計(jì)算出時(shí)間 t=0.143 s，藥粒下落速度 v=1.4 m/s。

計(jì)算藥片在CCD線(xiàn)掃描周期間落下的距離

式中 f為線(xiàn)掃描頻率，因?yàn)镃CD像素點(diǎn)掃描頻率為10 MHz，一共 2048 個(gè)像素點(diǎn)［9］，f=10/2048 MHz。

計(jì)算得到 Δh=0.289 mm，由此可確定一個(gè)藥粒經(jīng)過(guò)CCD時(shí)被橫向掃描的次數(shù)。例如:如果一個(gè)直徑為10 mm的藥粒落下，它可被掃描到的次數(shù)最多可達(dá)34次。藥片的下落通道水平方向長(zhǎng)度400 mm，由于采用了雙CCD，每個(gè)CCD的水平掃描長(zhǎng)度200mm，CCD含2048個(gè)像素單元，所以，得到的橫向分辨力可達(dá)200/2048=0.1 mm。這樣高的分辨率可以很好地檢測(cè)到碎藥粒，以便驅(qū)動(dòng)剔除裝置將之剔除;同時(shí)，可分辨出藥粒下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)CCD掃描線(xiàn)時(shí)的形狀變化，從而能夠識(shí)別2個(gè)或多個(gè)藥粒重疊的情況，從而計(jì)數(shù)更加準(zhǔn)確，精度更高。

4 實(shí)驗(yàn)

在某醫(yī)藥機(jī)械廠用直徑10 mm的藥粒作為被測(cè)樣品，對(duì)電子數(shù)粒機(jī)進(jìn)行了整機(jī)實(shí)驗(yàn)，圖8給出了雙CCD中的第一個(gè)CCD采集到的未經(jīng)二值化處理的數(shù)據(jù)波形。

根據(jù)藥粒的透明程度，此種藥片的二值化的閾值可以設(shè)置為50，則經(jīng)過(guò)二值化處理后即可得到方波脈沖信號(hào)，從圖中可以看出:這組數(shù)據(jù)中連續(xù)的一串低電平將會(huì)出現(xiàn)在512－614之間，藥粒的寬度近似為9.96mm，在實(shí)驗(yàn)中將整個(gè)藥片的下落通道分為16個(gè)子通道，該藥粒處于的子通道號(hào)為3。

圖8 藥粒落下波形Fig 8 Waveform of the pill falling

將數(shù)粒機(jī)進(jìn)行了1 h的計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)數(shù)速度可達(dá)8000粒/min，可以有效地識(shí)別0.3 mm的殘片，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)論

采用雙路線(xiàn)陣CCD芯片TCD1209D作為敏感元件設(shè)計(jì)的電子數(shù)粒機(jī)配以高速的A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510，進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)粒，對(duì)藥粒的水平分辨率為0.1 mm，垂直分辨率為0.3 mm，采用軟件二值化方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)透光性不同的藥粒的識(shí)別，與傳統(tǒng)的機(jī)械式數(shù)粒機(jī)和光電管式數(shù)粒機(jī)相比，具有更高的分辨率，能夠識(shí)別殘片和重疊藥片，具有更高的計(jì)數(shù)精度，必將擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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