论文中文题名: | 基于ZYNQ的超声波轮胎切割表面缺陷检测设计 |
姓名: | |
学号: | 22206035031 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 080903 |
学科名称: | 工学 - 电子科学与技术(可授工学、理学学位) - 微电子学与固体电子学 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2025 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | FPGA及图像处理 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2025-06-17 |
论文答辩日期: | 2025-06-06 |
论文外文题名: | Design of Ultrasonic Tire Cutting Surface Defect Detection Based on ZYNQ |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Defect Detection ; ZYNQ ; HLS ; HOG-SVM |
论文中文摘要: |
随着工业自动化检测技术的快速发展,机器视觉逐渐应用在各类工业缺陷检测。目前,市面上超声波轮胎切割表面缺陷检测还处于空白,机器视觉检测通常在PC机上处理,设备体积庞大、成本高昂,难以在资源受限的边缘环境中部署和高效运行,同时,传统嵌入式移动端图像处理存在性能较差,实时性低的缺点。针对上述问题,本文使用多核异构平台,采用FPGA硬件加速和软硬件协同设计方法,设计了一种基于ZYNQ的缺陷检测系统,旨在通过算法优化与硬件架构协同设计,在资源受限条件下实现高效的图像缺陷检测。本文的主要研究内容如下: 首先,针对超声波轮胎切割表面缺陷的检测需求,定制化搭建ZYNQ硬件平台。该平台包含Xilinx公司的ZYNQ7020为主控芯片、DDR3存储器、电源电路、图像采集和显示电路以及众多外设。通过使用Altium Designer软件绘制原理图和高速PCB设计,并完成实物焊接及调试。本设计的系统方案采用异构多核架构和软硬件协同设计方法,在ZYNQ平台上部署了集图像采集、传输、处理和显示一体的SoC系统,设计并测试多个关键模块,包括图像预处理模块、HOG-SVM缺陷检测模块、VDMA数据传输等。 其次,本文在小样本及二分类的现有条件下,采用HOG特征提取和SVM分类算法进行缺陷检测,使用HLS设计工具,采用定点化技术、循环流水线优化、多加速器并行等算法级别优化策略,完成缺陷检测模块的设计。该硬件加速器通过AXI总线受ARM处理器控制和调度,充分利用了FPGA的硬件可编程和ARM的软件可编程优势。在软件方面,一方面完成各IP模块的驱动和配置,实现裸机环境下整体运行,另一方面实现了检测算法动态调度、NMS算法、多分辨率提取、框图绘制等设计。 最后,通过实验对ZYNQ缺陷检测系统的性能、效果、资源和功耗进行全面分析。实验结果表明,图像硬件处理速度较传统软件处理提升32倍,功耗降低至3.599W以下,FPGA资源占用率控制在70%以内。本文在嵌入式缺陷检测应用场景中提供了可复用的硬件实现方案,具备一定的工程应用价值。 |
论文外文摘要: |
With the rapid development of industrial automation detection technology, machine vision is gradually being applied in various types of industrial defect detection. At present, the detection of surface defects in ultrasonic tire cutting on the market is still blank. Machine vision detection is usually processed on PCs, which have large equipment volumes and high costs, making it difficult to deploy and operate efficiently in resource limited edge environments. At the same time, traditional embedded mobile image processing has the disadvantages of poor performance and low real-time performance. In response to the above issues, this article uses a multi-core heterogeneous platform and adopts FPGA hardware acceleration and software hardware collaborative design methods to design a defect detection system based on ZYNQ. The aim is to achieve efficient image defect detection under resource limited conditions through algorithm optimization and hardware architecture collaborative design. The main research content of this article is as follows: Firstly, a customized ZYNQ control system is established for ultrasonic tire cutting surface defect detection. The system integrates Xilinx’s ZYNQ7020 as the main controller with DDR3 memory, power circuits, image acquisition/display modules, and peripheral interfaces. Schematic design and high-speed PCB layout are implemented using Altium Designer, followed by physical board assembly and debugging. For system implementation, a heterogeneous multi-core architecture with hardware-software co-design is deployed on the ZYNQ platform, creating a complete SoC system integrating image acquisition, transmission, processing, and display. Key modules are designed and validated, including an image preprocessing module with filtering and enhancement functions, the HOG-SVM defect detection module, and VDMA data transmission. Secondly, under the existing conditions of small sample size and binary classification, this article uses HOG feature extraction and SVM classification algorithms for defect detection. The HLS design tool is used, and algorithm level optimization strategies such as fixed-point technology, loop pipeline optimization, and multi accelerator parallelism are adopted to complete the design of the defect detection module.This module operates under ARM processor control via AXI bus, effectively combining hardware-accelerated parallel processing with software-driven complex algorithm logic.Software development encompasses both driver design/configuration for IP modules and implementation of algorithm scheduling, Non-Maximum Suppression (NMS), multi-resolution feature extraction, and bounding box rendering. Finally, comprehensive experiments evaluate the system’s performance, effectiveness, resource utilization, and power consumption. Results demonstrate that while maintaining detection accuracy, the system achieves a 32x improvement in frame rate compared to traditional software solutions, reduces power consumption below 5W, and limits FPGA resource usage under 70%. Its low-power operation and high real-time performance meet the stringent cost-efficiency requirements of industrial automation equipment, providing a reusable hardware implementation framework for edge-side machine vision systems with significant engineering application value. |
参考文献: |
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中图分类号: | TN46 |
开放日期: | 2025-06-17 |