基于STM32的視覺檢測光源控制器

何建方 席濤 黃果 李萍

1. 韶關東陽光自動化設備有限公司 廣東 韶關 512721；2. 海南軟件職業技術學院 海南 瓊海 571400

引言

工業生產過程中，需要對生產產品進行檢測，若人為去檢測，必然會導致檢測效率低、檢測時間長、檢測準確性跟人的經驗有很大的關聯度[1-3]。隨著智能制造的發展，視覺檢測開始應用于工業生產中的產品檢測，可進行產品的外觀檢測、缺陷檢測等，可以實現生產全機械化，減少人力資源成本[4-6]。

視覺檢測主要流程為攝像機對檢測物品進行拍照，對照片進行處理，得到檢測結果，其照片質量優為關鍵，照片的質量很大程度決定于拍照光源的控制，通常采用光源控制器來對光源進行調整[7]。本文根據生產現場的實際需求，設計了一種可以匹配多種外部觸發信號電壓輸入、可以控制多個相機和多個光源、可以結合當前環境光來自適應達到所需的光源亮度的光源控制器，匹配多種光源輸入適用于多個應用場景，可以控制多個相機和多個光源可得到物品多個角度的結果，提高檢測精確度，自適應環境光，在不同的環境光種都能保證檢測圖片質量，提高整個檢測過程的可靠性。

1 光源控制器整體設計

本文為適應實際生產需求，研究了一種新型的光源控制器，通過核心控制器芯片來接收PC端發來的命令，經過處理后通過驅動電路發送到光源端實現調光。總體設計框架如圖1所示，光源控制器的設計分為六大模塊：①主控模塊：采用ARM內核處理器，負責和上位機進行數據交互，以及外設的控制。具體為，檢測光電傳感器的信號，環境光亮度值，進行處理后，通過脈沖寬度調制技術調節光源的亮度以及開關方式。②環境光采集模塊：通過光敏電阻采集當前環境光的亮度，經過中值平均濾波算法處理后，和PC端需要的光源亮度進行比對，進而得到控制光源的發光亮度。③電壓轉換模塊：通過DCDC電路對輸入電源電壓進行降壓處理，可適應7～24V大范圍的輸入電源電壓。④光源驅動模塊：利用脈沖寬度調制技術可對光源亮度進行無極調光。⑤多路光源及相機信號光耦觸發模塊：a.物品的拍照可有多個角度多個相機拍攝，需要開啟不同方向的光源，一個光源開啟對應一個相機的拍攝，可進行多個光源和多個相機協同拍照。b.恒流二極管的使用，可適應3.3V～24V寬范圍的外部觸發電壓信號，完美解決不同器件之間電壓不匹配的問題。⑥人機交互界面及顯示界面：可顯示當前工作狀態，并可進行手動調節。

圖1 總體設計框架

2 控制器硬件平臺設計

控制器采用Cortex-M3內核的STM32微控制器為主體[8]，設計以下硬件設施來實現所設計的功能。

2.1 環境光采集模塊設計

在光源控制器中加入光敏電阻作為環境光強檢測，通過光敏電阻隨著光亮度變化阻值變化的特性來感應光強度，加入AD采集電路將模擬信號轉換為數字信號，將采集的光強度信號傳輸給主控模塊進行處理。

2.2 多路光源及相機信號光耦觸發模塊設計

在物品四周布四個光電傳感器，光源和相機，進行多角度拍攝。當某一個光電傳感器被觸發后，將發出某一個相機的觸發信號，觸發該相機的拍照模式，直至完成四個方位的拍照。另外，恒流二極管的使用，可適應3.3V～24V寬范圍的外部觸發電壓信號，完美解決不同器件之間電壓不匹配的問題。

2.3 主控模塊設計

主控采用STM32微控制器作為數據處理中樞[9-10]，通過串口通信方式和PC端通信，使用脈沖寬度調制方式進行光源控制。使用中值平均濾波算法對環境光和PC端所需的光源亮度進行處理，得到控制光源的實際發光亮度。

2.4 電壓轉換模塊

本設計光源控制器可適應7V至24V輸入電壓，通過DCDC和LDO的聯用，設計如下圖2所示電路對電壓進行轉換，保證光源控制器有一個穩壓的所需電壓輸出。

圖2 電壓轉換模塊

2.5 光源驅動模塊

光源控制器需要長時間工作，發熱大，驅動電路采用低內阻的場效應管來實現器件的長時間穩定輸出，如下圖3所示。光源的亮度調節采用脈沖寬度調制方式控制，占空比和燈的亮度成比例關系。

圖3 光源驅動模塊

2.6 人機交互界面及顯示界面

板載三個按鍵和一個四位顯示的數碼管[11]，既可以實現光源亮度的手動調節和工作模式的切換，也可以實時顯示當前通道光源的亮度值。

3 控制器軟件實現

3.1 系統的總體流程設計

本設計中使用Keil公司針對ARM硬件平臺推出的RealView MDK對STM32進行軟件開發[12]。

在整個系統的軟件設計過程中，軟件需要協調多個模塊進行運作，數據在多個模塊之間進行傳輸轉換，整個系統的流程圖如圖4所示，通過各個模塊的驅動函數調用，最終實現多個光源自動調節和多個相機協調拍照。

圖4 系統總體流程圖

3.2 環境光檢測及光電傳感器觸發程序設計

下圖5為環境光檢測及光電傳感器觸發流程。

圖5 環境光檢測及光電傳感器觸發流程

通過光敏電阻檢測環境光輸入到ARM控制板，和電腦端傳輸的所需光源亮度做計算，得到光源最終亮度；

通過光電傳感器時刻檢測外部觸發信號的有無，并將其觸發信號傳輸給ARM控制板，控制光源亮度；同時也傳輸給PC，用于觸發相機進行拍照。

3.3 環境光處理算法

在本設計中，我們使用中值平均濾波算法來對環境光采集到的信號進行處理，首先對環境光進行連續采樣N次，然后把N次采樣的值進行冒泡從小到大排序，丟棄極值后，對剩下值進行求平均作為本次采樣的環境光值。由該環境光值和電腦端所需的亮度值，我們可得到實際光源所需的亮度值。根據此方法，可以兼容不同亮度的環境光，適用于各種場合。

算法的程序代碼如下：

4 實驗結果

本文研究的新型光源控制器已大規模應用于各類產品視覺缺陷檢測，如圖6所示為使用本設計光源控制器的視覺檢測設備，極大提升了產品缺陷檢測效率和準確度，降低用工成本。一臺設備可代替5人，檢測準確度達97%以上，圖7所示為最終檢測結果。此設備在工廠投入使用后，創造了很好的經濟效益。

圖6 視覺檢測設備

圖7 檢測結果