太阳能电池片几何测量和位置校正技术研究

【摘要】：机器视觉作为太阳能电池片的几何及位置信息测量的一种非接触式检测,由于其对象选择范围广、生产效率高、安全可靠等优势,目前已被工业生产、工程测量、国防军事等领域广泛应用。本文围绕单晶硅太阳能电池片的机器视觉检测,介绍了硬件系统实现的基本功能,系统地分析了各模块的设计依据,综合应用模电、数电、SOPC、机器视觉以及图像处理的知识,对电池片的几何测量和位置校正展开研究。首先,为实现太阳能电池片的几何测量和位置校正,设计了一个基于FPGA的相机系统,系统包括CMOS相机模块、百兆以太网模块、SDRAM模块和FPGA及其周边模块。根据检测精度的要求,对硬件系统各模块的作用进行分析,完成各模块器件的选型。绘制原理图并制作PCB,利用Quartus Ⅱ及NIOS Ⅱ软件进行Verilog HDL和C语言的编写,调试硬件电路,实现电池片图像的上位机显示与存储。其次,针对太阳能电池片的几何测量问题,文中采用张正友平面标定法对相机进行标定,根据相机的内参矩阵计算有效焦距并求出单个像素的实际尺寸,通过对相机和镜头的选择,提出一种降低相机像素且满足精度要求的亚像素边缘提取法对电池片边缘进行提取,利用霍夫变换定位太阳能电池片主栅线并计算偏转角。最后,根据硬件系统拍摄的电池片图像及几何测量主要性能指标的要求分析实验结果,从几何测量精度和图像处理时间两方面考虑,结合嵌入式相机系统PCB的加工工艺,完成器件的布线布局及阻抗匹配。经过理论分析和实际考虑,为了实现工业实时检测太阳能电池片,文中最后分析了太阳能电池片最常见的典型缺陷即掉角缺陷,并设计了相应的检测算法,用掉角的太阳能电池片来验证,对实验结果进行分析。 【关键词】：太阳能电池片 SOPC FPGA 边缘提取 相机标定 亚像素
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 研究背景8
• 1.2 研究的目的和意义8-10
• 1.3 国内外的研究现状10-11
• 1.4 研究内容11-13
• 2 系统基础知识13-29
• 2.1 FPGA工作原理及其开发13-15
• 2.2 CMOS工作原理15-16
• 2.3 FPGA的设计流程16-18
• 2.4 相机标定原理18-20
• 2.5 亚像素细分算法20-21
• 2.6 SDRAM工作原理21-25
• 2.6.1 SDRAM引脚功能21-23
• 2.6.2 SDRAM寄存器功能23-24
• 2.6.3 SDRAM的命令操作24-25
• 2.7 SOPC的开发及设计流程25-28
• 2.7.1 NIOS Ⅱ的嵌入式处理器25-26
• 2.7.2 AVALON总线26-27
• 2.7.3 SOPC设计流程27-28
• 2.8 本章小结28-29
• 3 系统设计方案29-44
• 3.1 系统总体设计方案29-30
• 3.2 硬件电路设计30-41
• 3.2.1 核心板原理图设计30-38
• 3.2.2 功能板原理图设计38-41
• 3.3 图像处理系统设计方案41-43
• 3.3.1 相机的标定41
• 3.3.2 图像处理设计41-42
• 3.3.3 掉角缺陷检测42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 图像控制时序及程序设计44-54
• 4.1 FPGA程序设计44-48
• 4.1.1 QUARTUS Ⅱ程序设计44-47
• 4.1.2 NIOS Ⅱ程序设计47-48
• 4.2 上位机程序设计48-53
• 4.3 本章小结53-54
• 5 实验结果及分析54-62
• 5.1 嵌入式相机系统的PCB电路板54-57
• 5.2 相机标定结果57-58
• 5.3 电池片的几何信息58-59
• 5.4 掉角缺陷检测结果59-61
• 5.5 本章小结61-62
• 6 结论与展望62-64
• 6.1 结论62
• 6.2 展望62-64
• 参考文献64-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文66-67
• 致谢67-69

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