（机械电子工程专业论文）基于dsp嵌入式平台的硬度测量系统研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 在工业生产过程中，材料硬度的测量和分析对于检测和研究材料性能 具有重要的意义。随着现代计算机控制技术和数字图像测量技术的发展， 使用计算机进行自动控制和自动图像分析代替传统的人工操作，使得硬度 测量的自动化程度逐渐提高，速度可以进一步加快。 由于在实际的生产测量过程中对系统有可靠性和便携性方面的要求， 而基于一般p c 机的系统难以得到良好的效果。考虑到这些问题，本文提出 了基于嵌入式d s p 的硬度测量系统方案，本系统有效地解决了p c 平台上 系统的体积大、不稳定、维护成本高等问题。 本文所依据的研究工作包括：系统测量方案的选定、硬件组成和开发 平台的确定、针对压痕图像设计的软件算法以及对算法进行了c 语言和汇 编语言级的优化。最后在d s p 平台上调试并运行程序。 本文首先对基于图像处理的硬度测量技术做了介绍，阐述了d s p 嵌入 式系统的各种特点，分析了本系统的算法的设计及其步骤，主要包括：图 像直方图分析、阈值分割、二值化、标记和小区域去除等，并对其中比较 耗时的标记算法进行了优化处理，最后在d s p 系统上实现算法时用汇编语 言和线性汇编语言对其进行进一步的优化。运行结果表明，本测量系统可 以对材料的硬度进行实时动态的检测，结果具有较高的精确度，可以满足 一般性的应用要求，达到了预期的效果。 关键词：图像处理、d s p 系统、硬度测量、优化 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e a s u r e m e n ta i l da r l ；a l y s i so f 吐l em m e r i a lh a 蜘【n e s sh a v eg r e a tm e a i l i n g 试 i 1 1 s p 硎n ga n dr e s e 锄锄n gm em a t i e r i a lc h a r a c t 砸s t i c si n 缸y w i t l lm e d e v e l o p i m e n to fm e唧嘶 c o n t r o l 锄d d i 西t a lp i c t u r em e 褐u r e m 僦 t e d m o l o g y ，n l e 昀d i t i o n a lm 删o p 嘲t i o nl l a sb e e nr e p l a c e db ya u t o m a t i c m e a s u r 锄e n t ，砒1 d 也e 瓤l t ( 髓a t i o nd e 伊e eo ft h eh a r d l l e s sm e a s u r e m e n tl l 勰 i n c r e a s e do b v i o u s l y d | u et 0t l l er e l i a b i l i t y 觚dp o r t a b i l i t ) ，m u s tb ec 0 n s i d 凹e di nm ep r a c t i c a l m e 嬲u 1 缸& t l l em e 嬲1 l r e m e n ts y s t e i i lo np cp l a t f o n nc a nh a r d l ya c l l i e v es a t i s l c i e d e f f e c t t h e r e f o r e m ep a p e rp r o p o s e sa na l t e m a t i v es c h e m e ，m es t i f m e s s m e a s u 掀n e n ts y s t e mo nd s p 既【1 b e d d e dp l a t f o n n ，a n dm ep r o b l e m s ，s u c h 嬲廿l e 1 0 ws p e e d ，l 鹕ev o l 啪ea n dl l i g l lc o s ti nm a i n t e l l a n c ec a i lb er c s 0 1 v e d e 妇b c t i v e l y 1 1 1 er c s e a r c hw o r ki n v o l v e di i lt h i sp a p e ri n c l u d e s ：s e l 鳅i o no fm es y s t e i l l m e a s u r e m e n tm e t h o d ，c h o o s i n go ft h ed e v e l o p i i 培p l a t f o 眦，d e t e r m i l l eo ft h e h a r e l w a r es c _ h e m e ，a l g o r i t h md e s i g n i n g ，o p t i m i z a t i o no ft l l ep r o g r 锄o nca n d a s s 即小1 y1 e v e l ，粕df i n a l l ym ec o d e sa r en ma i l dd c b u g g e do nd s pp l a t f 0 n n 耽ep a p e ri n 肋d u c e sf i r s td s pe i n b e d d e ds y s t e i i li 1 1d e t a i la n de x p a t i a t e s 廿l ec h a r a c t 鲥s t i c so fd s p 1 1 1 e i li t a i l a l y z e sm ep i c t u r ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mo f m ep r o j e c ta n di t ss t 印s ，i l l c l u d i n g ：l l i s t o 孕锄a 1 1 a l y s i s ，b i n a l a b e l i n g ，s m a l l a r e ae l i m i n a t i r 培，c t c a r e r w a r d st 1 1 el d b e l i n ga l g o r i t h mi so p t i m i z e db e c a u s eo f t i m ec o n s u m i n g w 1 1 i l et r a i l s p l a n t i n gt h ec o d ei n 幻d s pe 1 1 拍e d d e ds y s t e m ，i ti s o p t i m i z e df m h e rw i t ha s s e r n b l yl a n g u a g ea n dl i i l e a ra s s e r n b l yl a n g u a g ef o r1 1 i 曲 e m c i e n c y a sar e s u l t ，n l em e 踟r i n ge x p e r i m e i l ts h o w sm a tt 1 1 es y s t e mc a l l m e a s u r et l l em a t 舒a 1s t i 髓e s si nr e a l t i m e ，a l l di t sm e a s u r i n ga c c u r a c yc a nm e e t t h ep r a c t i c 2 l lr e q u i r e m e n t i i 上海大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p i c t u r ep r o c e s s i n g ，d s e s t i f | 陆e s s m e a s u r e m e n t ， o p t i m i z a t i o n i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：殛扯帆丛! 尸 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：殂导师签鱼牲日期：丝互：堑尸 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了课题的背景和意义，通过对国内外的相关领域中研究和应用现 状的调研，提出了基于d s p 嵌入式系统的硬度检测方法。最后对本文的研究内 容和后述章节作了介绍。 1 1 课题研究的背景和意义 在工业生产过程中，材料硬度的测量和分析对于研究和监测材料性能具有 重要的意义。在各种研究手段中，采用硬度计对材料进行测试是最常用的方法。 其缺点是效率低，精度不高，容易受人为因素影响。 随着现代计算机控制技术和数字图像测量技术的发展，使用计算机进行自 动控制和自动图像分析代替传统的人工操作，使硬度测量的自动化程度逐渐提 高，速度进一步加快，这里图像测量技术的发展对硬度测量起着重要的作用。 图像测量技术是近年来在测量领域中形成的新的测量技术，广泛应用于几 何量的尺寸测量、航空遥感测量、精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测、以 及光波干涉图、应力应变场状态分布图等和图像有关的技术领域中。图像测量 技术与图像处理技术是密切相关的，它以图像处理技术为基础。 数字图像处理最大的困难在于，要求在极短的时间内( 毫秒级) 处理大量数 据和复杂的运算判断。一个5 1 2x5 1 2 个像素的图像，对每一个像素进行一次运 算，整幅图像需要o 2 6 m 次运算。而最低层次的图像处理一般要求每秒1 0 8 1 0 1 0 条指令的计算速率，即1 0 0 一1 0 0 0 0 m m s ( 每秒百万条指令) 。通用的计算机都是 采用传统的冯诺依曼( v o nn e u m a r u l ) 结构，它是单指令单数据流( s i s d ) 的计算 机体系结构。该结构对高速率的数据处理必然形成严重的瓶颈效应，大大地限 制了它在图像实时处理中的应用。当然，p c 上的多线程技术能够实现并行处理 以提高速度，然而多线程中死锁等不稳定情况很难避免。 作者所在的课题组长期从事基于p c 的机器视觉【l 】的开发及研究，在图像测 量方面有着一定的经验。考虑到前面提出的实时性、便携性及稳定性的问题， 上海大学硕士学位论文 本文提出了基于嵌入式d s p 系统的硬度测量系统。本系统既克服了p c 平台上 的体积大，速度慢，维护成本高等问题，又对今后的相关领域的研究和开发提 供了一个新的思路。 1 2 嵌入式系统介绍 嵌入式系统一般指非桌面系统，是以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要 求的专用计算机系统。随着嵌入式系统的不断发展，其概念也在不断延伸和扩 展，有人将嵌入式系统定义为：基于微处理器的，用以实现一项或多项任务， 并且不能像个人电脑( p c ) 那样被最终用户所编程的系统【2 】。 嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器或微处理器、存储器 及外设器件和比) 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求 实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序与硬件的交互 作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处理 器的类型已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有数十个系列。随着人们对嵌入式 产品功能和性能要求的不断提高，以8 0 5 1 和z 8 0 为代表的8 位控制器在运算速 度、支持的外设种类、寻址空间及对操作系统支持等方面已很难满足高端嵌入 式系统的需求。从9 0 年代后期开始，随着网络时代的来临和无线通讯技术的发 展，许多嵌入式设备需要更智能化和更强的计算能力，如：采集、处理和传输 音频或视频数据；运行图形用户界面：支持无线通讯和以太网通讯协议等。以 a i m ，p o w e r p c ，m i p s ，d s p 等为代表的高性能嵌入式处理器，具有良好的可扩 展性和丰富的软件支持，逐渐成为业界发展的主流，其发展势头己经赶上并超 越了p c 处理器。这种高性能处理器用来满足以下几个方面的要求：更复杂的 控制算法、网络通讯以及更成熟的人机界面。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【2 】 1 嵌入式系统通常是面向特定应用领域，与通用型系统的最大不同就是嵌 2 上海大学硕士学位论文 入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，和网络的结 合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中体现较高的 竞争力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较低的生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具有自主开发的能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开 发。 由于嵌入式有低功耗、体积小、集成度高等特点，把嵌入式系统引用于本 课题的硬度测量系统中去可以满足它便携性和稳定性的要求。 1 3d s p 系统介绍 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已 经逐渐发展成为一门关键的技术学科。d s p ( d i 酉t a ls i 盟a lp r o c e s s o r ) 芯片，即数 字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊 计算结构的微处理器，其处理速度己高达2 0 0 0 m i p s ，比最快的m c u 还快1 0 5 0 倍。目前，在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的发展日新月异，d s p 的功 能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。在当今的数字化时代 背景下，d s p 己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉 上海大学硕士学位论文 为信息社会革命的旗手。同时d s p 已成为集成电路中发展最快的电子产品，并 成为电子产品更新换代的决定因素。在国外，d s p 芯片已经被广泛地应用于当 今技术革命的各个领域；在我国，d s p 技术也正以极快的速度被应用在通信、 电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电 器、电力系统等许多领域中，而且新的应用领域在不断地被发掘。因此基于d s p 技术的开发应用正成为数字时代的应用技术潮流。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 是一款专门用于音视频处理的d s p ，广泛应用于 视频流压缩，图像处理及语音处理等方面，正是因为它独特的内部结构，决定 了它有极高的性能。图1 1 所示为c 6 0 0 0 型d s p 的内部结构【2 】框图，从图中可 以看出t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 d s p 具有以下特点【2 】： l 、改进型的哈佛( h a 砷结构，采用了多总线结构，取指令和执行指令同 时进行，从而缓解了程序和数据争抢总线及存贮器控制和管理问题，提高了系 统的并行度。 2 、多处理器并行结构，将信号处理问题分解成多个彼此独立的可处理的任 务，多个处理器并行对上述各任务分别进行处理。 a d m 博 d a l a r a m 3 2 b 矗a d d r e 8 5 8 - 1 g 3 2 一b i id a t a 5 1 2 k “i s r a m c 6 0 0 0c p u r e p 日胁mf e t c hc o n t m l i n 8 l r u c “o nd i s d a t c h r e q j s i e r 嚣 l n s t n j c 西o nd e c - 一e c o n t r 吲 d a bd “h1o a bd a f h2 i o g i c lar e 口1 5 t e r 行i el br e 百5 l e r 伺e 1 碗；= l i 工i 卜1 工iz e m u l d t i o n il 11 s 1 i m l i d l1 l 2 is 2 l m 2 i d 2i n t e r r u c t s e b o r h o 为走 d o r t 图卜1t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 结构图 围 p l lc f z k g e n e t or 为此，在本课题中将d s p 技术运用于硬度测量中去，既满足了处理速度的 要求，又大幅度降低了成本，也是应用上的创新。 4 一一一一一一一一 涨蛳一讲一m一 上海 学砸士学位论文 1 4 国内外研究动态 在图像处理方面的研究，日本，德国，美国等国家开始的较早，提出了许 多运用的模型。主要的模型采用c c d + 嵌入式系统州。由于c c d 的众多优点 所以c c d 被用来采集图像信号，然后通过嵌入式系统( 比如d s p ) 来实现图 像信号的处理，从而组成了一套机器视觉系统。 机器视觉主要应用于电子行业、半导体、医疗、制药行业、智能交通及生 物识别等领域。 n l 公司的视觉开发模块是专为开发机器视觉和科学成像应用的工程师及 科学家而设计。v i s i o n b u i l d c r 是一个交互式的开发环境，开发人员无需编程， 即能快速完成视觉应用系统的模型建立嘲；蹦a q s i o n 是一套包含各种图像处 理函数的功能库，它将4 0 0 多种函数集成到l 曲v i e w 和m e a s l l r 锄e n t s 如d l o ，l a b w j n d o w “c ，v i s u a i c + + 及v i s u a lb a s i c 丌发环境中，为图像处理提供 了完整的开发功能。图1 2 是通过c c d 摄像头该系统开发的检测单片机引脚的 系统。 工二= = 二= 口z i i e a 目# 鲫日日螈犯z = l “ 一 幽 一 i 墓纛；1 图l 也芯片引脚检测 国内的银晨智能识别有限公司在人像识别【5 1 方面拥有领先的水平。 图i 一3 是其开发的嵌入式人脸识别的两种产品，主要是用于安防领域。其 拇大学颈l 学位沧立 作用是智能地识别进出人员的身份，从而方便安全的实现了门禁作用 暖 1 i l ( 麓 封1 42 d 显微影像测量仪 上海大学硕士学位论文 基于机器视觉的二维平面轮廓测量原理【6 】为：首先由平行光源产生一束平行 光，投射在被测表面上，该表面轮廓经平行光照射后，在c c d 的成像区，得到 平面轮廓的图像。对此图像进行了边缘检测，将边缘提取出来，利用曲线拟合 求出被测表面轮廓，通过测量前的标定，就可以测量二维几何尺寸。针对复杂 形状板状冲扭零件的几何尺寸进行检测的c c d 二维视觉检测系统【4 】，其结构框 见图1 5 。 图1 5c c d 二维视觉检测系统结构框图 但是总的来讲目前国内利用c c d 进行工业实时在线检测的系统不多，而且 较多采用线阵c c d ，精度不高，对某些要求高精度的系统则采用几个线阵c c d 拼接的技术，也有通过多台低分辨率面阵c c d 拼接来达到高精度要求的。 总的来讲，国内外已经在图像处理领域取得了一定的成果。 在硬度测量领域里，虽然已经有比较成熟的产品，但是它们无法同时满足 小型化和自动化这两个特点。 传统的硬度检测装置分为：固定式硬度测量仪和便携式硬度计两种。 图1 6 是北京易博泰克科技有限公司生产的两种产品。 7 海大学碗学位论空 图l - 6b r 蹦2 0 0 固定式硬度测量仪和m o d e l l 3 4 便携式硬度计 这两种产品无法同时满足小型化和自动化的要求。本文所设计的基于嵌入 式硬度测量系统就是针对这一问题将d s p 嵌入式系统和图像处理技术结合起 来运用于硬度的测量是本文一大特点。 1 5 本文的主要工作 随着数字信号处理技术和视频图像处理技术的发展越来越多的通用d s p 芯片被应用于视频日像的处理工作中。借助高速的a d 转换器和高速的d s p 进 行视频图像的采集、处理一体化也成为可能。图像测量系统的主要工作是从 c c d 摄像头输出的模拟视频信号中提取图像，通过数字化后送入处理器做相应 的处理和分析，通过一定的计算规则，最终得到需要的结果。数字化有多种方 法，如使用专用图像采集芯片，或采用通用的高速视频a d 转换器结合专用的 同步信号提取芯片等。在数字化之后，图像数据会以十六进制的形式保存在存 储空间中，以各进一步的处理和分析。得到的图像数据经过d s p 芯片的高速处 理，可以在极短的时间内得到结果，从而实现动态的、实时的测量。 本系统实现的是一个基于定点d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的图像测量系统， 具体的系统组成会在后面章节加以介绍。在摄像机采集到图像并数字化以后， 根据不同地点和场合的需要，对存储空间的图像数据做不同的处理，以得到最 满意的结果。主要的图像处理有二值化，标记去除小区域等等，处理后的数 据还是存放在d s p 的存储空间里，也可以载入到p c 机上保存。同时，处理后 上海大学硕士学位论文 的结果会通过彩色监视器显示出来。可以看到，本系统的研究过程中，图像处 理的算法及其在d s p 平台上的软件设计是主要的问题。 本文分为六章： 第1 章为绪论，以课题研究的背景和图像测量系统的发展为出发点，介绍 了课题的设计思想。 第2 章介绍了基于图像技术中硬度测量的关键技术。 第3 章阐述了d s p 与其关键技术。 第4 章介绍了算法 第5 章d s p 系统中算法的实现 第6 章结论 9 上海大学硕士学位论文 第二章基于图像处理中硬度测量的技术 本章主要介绍了本课题中所涉及到的硬度测量的理论基础，其中包括硬度 测量原理和图像测量技术的相关基础知识，并在此基础上初步设计了系统的软 硬件方案。本章为后文的进一步阐述作了铺垫。 2 1 硬度测量原理 2 1 1 布氏硬度 布氏硬度【7 1 的测量是用一定直径d ( 一般为1 咖1 ) 的淬火钢球或硬质合金球 为压头。施以一定的载荷f ( 一般3 0 0 0 k 曲将其压入材料表而经规定保持时间“s ) 后卸除载荷材料表而将残留压痕测量压痕平均直径d ( h 吼) 。载荷f 与其压痕球 形表面积之比即为布氏硬度值。其计算式为： h b ：旦丝：旦丝 ( 2 1 ) 么加l l 、 式中，f 是载荷单位( n ) ，a 痕球形表面积，d 为钢球直径单位( n u n ) ，h 为压痕深 度，单位( 删n ) 。 因为 = 导一吾厨 ( 2 - 2 ) 其中d 为压痕平均直径单位( m m ) 。 故 册：q ：三坠 ( 2 3 ) 7 国( d 一d 2 一d 2 ) 从式2 3 可以看出，参数d ( 压痕平均直径) 的测量是关键部分，于是我们采 用c c d 工业摄像机对压痕进行图像采集，将采集到的压痕图像输入计算机，对 其进行图像处理以获得较为理想的压痕轮廓图像：然后进行直径测量，从而可利 用式2 3 计算出布氏硬度。该方法主要包括三个步骤：压痕图像处理、压痕直径 测量、布氏硬度计算。 l o 上海大学硕士学位论文 2 1 2 努氏硬度 努氏硬度用试验是一种显微硬度试验，其原理与后文介绍的显微维氏硬度 试验基本相同，它采用菱形锥体金刚石压头，在检测力作用下压入试样表面， 保持规定的时间后卸除试验力，测量长对角线的长度，计算压痕投影面积，试验 力除以压痕投影面积的商就是努氏硬度值。 努氏硬度值计算公式如下： 欣= 半= 半 式中h k 一努氏硬度值： 卜试验力，n ；a 压痕投影面 积，m m 2 ；d 压痕长对角线长度，m m 。 努氏硬度压头及压痕如图2 1 所示。 图2 1 努氏硬度压头及其压痕 努氏硬度的表示方法为：符号h k 之前为硬度值，h k 之后为试验力。例 如：6 4 0 h k o 1 - 式验力为o 9 8 0 7 n ，保持1 0 1 5 s ，测得的努氏硬度值为6 4 0 。 2 1 3 洛氏硬度 洛氏硬度口1 测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力f 的作 用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验 力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接 读出洛氏硬度的数值。 上海大学硕士学位论文 日尺：k 一生( 2 5 ) o 0 0 2 k 常数，金刚石压头取值l o o ，球形压头取值1 3 0 。 洛氏硬度测量条件：洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据 被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如2 1 表。 表2 1 常用洛氏硬度的试验条件和应用范围 总试验力f n硬度范 硬度符压头类型应用举例 ( k g f )围 愕 h i 认 1 2 0 。金刚石圆锥5 8 8 4 ( 6 0 ) 2 。8 8 嚣霍龛翕暮碳化物、浅层表 巾1 5 8 8 衄淬火 2 。尝奎：篆簇钢，铝合金、铜 j h r b 9 8 0 7 ( 1 0 0 ) 钢球 h r c 1 2 0 。金刚石圆锥1 4 7 l ( 1 5 。) | 2 。7 。箍瓷器、调质钢、深层表面 洛氏硬度特点： 优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大。 缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度。 洛氏硬度测量范围：可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材 料( 如上表所示) 2 1 4 维氏硬度 维氏硬度【7 1 试验的压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，因此，维 氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一 点比布氏硬度计优越。 维氏硬度测试如图2 1 。试验载荷是事先设定好的一个已知值。压痕对角线 的平均长度d 通过测得压痕的对角线长度d 1 ，d 2 来求得。根据上海材料试验 机厂h x 1 0 0 0 显微硬度计使用手册维氏显微硬度计算公式2 6 ： 日y ：兰型丝! ! ；鱼：丝：o 1 8 9 0 姜 d 2d 2 ( 2 6 ) d = ( d l + d 2 ) 2 1 2 上海大学硕士学位论文 j ， i 1 3 6 。 图2 - 2 维氏硬度测试 式中：p 为载荷( k g f ) ，d 为压痕对角线的平均长度( 1 1 1 m ) ，d = ( d l + d 2 ) 2 维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属 材料，从很软的材料( 几个维氏硬度单位) 到很硬的材料( 3 0 0 0 个维氏硬度单 位) 都可测量。 维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度 均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广 的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。 在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试 验结果会得到相近的硬度值。例如，当硬度值为4 0 0 以下时，h v h b ，如图 2 3 所示。 l z 二 l l 、 x - 。 j j ，旷一 z 一“ 尸。 。 一 2 斯_ l 移o瓤鼬 舷劫i l l 黝l l 抟 图2 3hv 与hb 硬度值的吻合图 维氏硬度试验的试验力可以小到1 0 9 f ，压痕非常小，特别适合测试薄小材 料。 由于维氏硬度是常用硬度试验方法中精度最高的而且又与试验力的大小无 关，本套系统中选用维氏硬度检测是合适的。 v鼢鼬蚴婚m蛳辩蛳m删铒瓤嚣黼瓢戤瓤基 上海大学硕士学位论文 2 2 图像测量原理 2 2 1 色彩模型 因为本论文是基于图像测量，而其中有牵涉到彩色模型的转化问题，所以 有必要介绍一下有关彩色模型的知识。 人们所看到的景物，可以认为是由很多有限大小的点组成的。这些点称之 为像素。 数字图像都是由像裂1 0 】组成，通常我们所说的分辨率就是指每英寸像素点 数，点数越多，分辨率越高，图像就越清晰。 在表示颜色的方法中，常用的是r g b 彩色系统。它是俄国科学家罗蒙洛索 夫于1 7 5 6 年首先提出来的，他认为肉眼的细胞是由红、绿、蓝三种感光细胞组 成的。细胞将光信号转化为神经脉冲的感光化学特性可区分为三种形式，即细 胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿和蓝。这三种颜色被称为人类视 觉的三基色。当一束光射入肉眼时，三种细胞就产生不同反应。不同颜色的光 对三种细胞的刺激量是不同的，这样就产生了不同的颜色。肉眼感觉到的各种 颜色就是不同波长的光刺激三基色细胞的结果。 在彩色显示时，采用彩色合成技术。比如在彩色显示器上显示彩色图像时， 首先将彩色分成不同亮度的三基色分量，用亮度值( 0 2 5 5 ) 表示，然后使用这三 个亮度值去点亮临近的三个荧光点，这三个荧光点分别可以发出红、绿、蓝光， 由于荧光点靠得足够近，它们发出的光合成和再现了原始彩色光。 除了r g b 外，还有一种表示方法，电视信号中使用的就是一种类似 于的颜色表示方法。y 表示亮度，u 和v 表示色差信号。这种方法主要 有两个优点：1 ，y 包含了灰度图的所有信息，只用y 分量就可以完全表示出一 幅灰度图。2 、人眼对于亮度信号非常敏感，而对色差信号敏感程度就相对较弱。 也就是说，图像的主要信息包含在y 分量中。与r g b 可以相互转换， 公式【l l 】为： 1 4 上海大学硕士学位论文 o 5 8 7 一o 2 8 9 一o 5 1 5 圈= 壶爿习 2 2 2图像测量系统模型 ( 2 7 a ) ( 2 - 7 b ) 所以只要取 要进行图像测量，首先需要组成一个图像测型8 】系统，根据工业中的使用 情况来看，比较普遍的系统组成如图2 - 4 所示。 图2 - 4图像测量系统模型 在图像测量系统中，输入的是图像，输出的是从图像中提取出来的信息。 被测物体的光学影像，首先需要经过扫描，通过光学系统在光电变换装置( 简称 传感器) 的光电面上成像，然后变成时序图像信号。 在信号处理装置中，要对图像信号进行必要的预处理，包括直方图均衡化 和滤波等过程。 经过上述各种处理后的信号，在接下去的判断识别装置可用来判断被测物 体的有无，产生报警信号等。 1 5 一 一 r g 口 =iiij儿 4 7 h m1叶l叭m 鲫m ：2眈删晰 。_一 = 1j y u y 上海大学硕士学位论文 在运算部分，进行如下的运算：运用图像处理理论和算法对传输过来的数字 图像进行必要的算法处理，得到具体的结果。 控制系统用在需要自动控制的场合。将图像测量系统接入自动控制系统中， 根据上述方法得出的测量结果将驱动被测对象的反馈控制装置。而且，这些结 果可以同时以数值、工作非工作等符号或波形信息的形式显示出来，提供 给操作人员。 另一方面，光电变换后的初始图像、图像二值化、边缘检测图像，测量结 果以及进行文字或数字的合成，都应该以图像的形式显示出来。特别是利用摄 像机测量系统时，这些图像还可以实时地在监示器上获得。 需要说明的是，在实际的图像测量系统中，并不是一定要包括上述的每一 个部分，可以根据实际情况加以删减。 而对于本课题而言，由于此系统模型所实现的功能和本课题有相似的地方， 因此就可以从中借鉴这套系统模型相关部分。 2 2 3 测量方法 在图像测量【8 】系统中，摄像机动态采集图像，经数字化后送入系统存储器 中。存储器中的图像数据为格式，u ，v 为色差信号，y 为亮度信号。此 时只要对y 信号作必要的处理，就可以得到理想的结果。 对于本课题而言具体做法是，首先对摄像机采集的实时图像进行预处理， 然后对图像进行分割，目的是要区分目标对象和背景，但是考虑到有些比较大 的背景无法完全去除。因此还需要另外一些步骤，去除小区域，从而得到真正 的目标图像，这个过程去掉了用滤波无法去掉的噪声。再利用一定的算法，就 可以很方便的计算出压痕图的尺寸，进一步计算出它的硬度。 2 3 系统方案 2 3 1 系统的硬件设计方案 根据上面所介绍的模型，并且结合本课题所要完成的目标： 1 6 上海大学硕士学位论文 一方面考虑到为了将硬度压痕测量系统的测量与计算部分一体化，减小设 备体积。另一方面为了提高运算速度、简化流程，我们尝试以d s p 器件取代 p c 设备，构成基于d s p 的硬度压痘测量系统。如图2 5 雏卜圉- 1 l _ j雠 器h 蓁h 引 象l 绞i* l 进行尺寸运算 显示结果 圉2 本课题中图像测量系统模型 圈2 6 是根据图2 5 所设计出的图像测量系统模型搭建的硬件系统环境。 圈2 6 硬件系统的构成 图2 6 所示系统由三部分组成： 第一部分图像采集部分 本系统采用先锋p n t 石1 9 彩色摄像仪。主要通过它拍摄稳定清晰的硬度压 痕图像，经放大通过 v 口送入d s p 处理器； 它的主要技术指标”如下： 像素：5 7 6 + 7 2 0 成像区：4 8 m + 3 6 m 上海大学硕士学位论文 行频：1 5 6 2 5k h z 场频：5 0 h z 电源电压：1 2 v d c 士1 0 功耗：1 2 w 重量：4 1 0 克 工作温度：2 0 度5 5 度 第二部分，图像分析部分 本系统采用闻亭公司开发的基于6 0 0 m h zt it m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片1 2 1 的 “音视频开发平台 ，主要通过运行算法进行图像的分析。 开发板主要参数如下： l 视频输入复合视频( p a i ，n t s c s e c a m s ) 2 视频输出复合视频( p a l n t s c s e c a m s ) 3 音频输入立体声输入或单一麦克风输入 4 音频输出立体声输出 d s p 芯片 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，b g a 5 4 8 封装 d s p 工作电压i o 电压3 3 v ，核电压1 4 v d s p 内部工作时钟 6 0 0 m h z ( 1 6 7 n s ) d s p 计算能力4 8 亿条指令每秒 5 板上d s p d s p 外部总线时钟 1 0 0 m l i z s d r a mo ne m i f4 m 6 4 b i t s f l a s ho ne m i f4 m 8 b i t s d s p 引导方式从f l a s h 引导 2 个u a r tr s 2 3 2 电平驱动 以太网接口1 0 1 0 0m b i t ，s 自适应 6 提供外部接 子板接口v _ p 0 ，v p 2 口 p c i 0 4 接口符合2 2 版本的规范 m g 接口符合i e e e1 1 4 9 1 标准 7 电路板尺寸 l o 4 5i l l c h ( 2 5 4 n 5m m ) 上海大学硕士学位论文 开发平台功能框图2 7 如下： 图2 7 基于d m 6 4 2 图像处理开发平台功能框图 第三部分，图像输出部分 本系统使用是卓派公司i k q l 8 彩色显示屏。用来将处理好的运算结果输 出到显示屏上。 2 3 2 系统的软件设计方案 为了完成硬度测量的功能，软件设计是一个非常重要的部分。 在d s p 处理器中，软件的开发采用t i 公司的是c c s 【1 5 】( c o d ec o m p o s e s t u d i o ) 集成开发环境，它是一套全新的集汇编器、c 编译器、连接器为一体的 集成开发环境，集成了以前的非集成开发环境的所有功能，并扩展了许多其他 的功能。在基于c 6 0 0 0 系列d s p 的系统开发时，其流程如图2 8 。 1 9 上海大学硕士学位论文 i _ - 一 图2 8c 6 0 0 0 系列d s p 的系统开发流程图 该模块的软件设计都在c c s 环境下完成，首先应该在输入端口设计一个中 断程序，当视频输入口有数据时，程序对解码芯片进行配置，使其对进入模块 的模拟信号进行解码( 因为是硬件实现解码，所以此处不需要编写程序) ，然后， 当在f i f o 溢出时，触发一个中断，对数字图像进行处理，实现测量硬度的算 法。此时，要在内存中开出一片区域来存储程序处理前后的图像数据及图像处 理结果。当一帧图像处理完成后，可以通过中断方式触发编码芯片进行编码， 同时d s p 通过e d m a 通道传输图像数据给编码芯片。d s p 模块的软件设计过 程基本如上所讲，具体的流程图如图2 9 。 蓄固 上海大学硕士学位论文 2 4 小结 图2 9d s p 软件模块流程图 本章先介绍了图像测量技术中的硬度测量原理，主要论述了几种不同硬度 测量方法。从几种硬度测量方法的比较中，维氏硬度试验最大的优点在于其硬 度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其 硬度值不变。所以维氏硬度试验测量范围宽广，维氏硬度比较符合运用在本套 系统中。 随后又介绍了图像测量原理及基本测量方法，并提出了一个典型的系统模 型。最后又针对本系统提出了一套系统设计的方案。并提出了采用在d m 6 4 2 d s p 嵌入式系统上开发算法的设计方案，初步提出了其软硬件的设计方案。 2 l t 上海大学硕士学位论文 第三章d s p 简介与其关键技术 由于d s p 具有运算速度快，可靠性高，能实现小型化的特点，故本系统采 用了d s p 系统作为开发平台。本章先介绍了t i 公司所生产的6 0 0 0 系列的 d m 6 4 2 d s p 处理器的各种优良的性能和结构特点。然后介绍了基于此平台上代 码编写的技术问题。最后简要说明了d s p 的优化的问题。 3 1 数字信号处理器( d s p ) 简介 3 1 1t i 的数字信号处理器 t i 公司自1 9 8 2 年推出其第一个d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 以来，目前已成为世 界上最大的d s p 芯片供应商，占全球份额近一半左右。t i 公司先后推出的 t m s 3 2 0 系列产品包括：c l x 、 c 2 x 、c 2 】【】【、c 5 x 、c 5 4 x 、c 5 5 x 、c 6 2 x 等 定点系列d s p 芯片，c 3 x 、c 4 x 、c 6 7 x 等浮点系列d s p 芯片，c 8 x 系列多核 d s p 集成系统等。 在t m s 3 2 0 系列产品中，c 1 x 、c 2 x 已属于淘汰产品，c 5 x 也将被淘汰， 多核的c 8 x 由于价格昂贵和开发复杂也将被淘汰。在低端应用中可采用c 2 ) 【】【， 而中端应用中可采用c 5 4 x 、c 2 x x 向下兼容c l x 、c 2 x ，向上兼容c 5 x 。c 5 4 x 向下兼容c 1 x ，c 2 x ，c 5 x 。高端产品c 6 2 x 向下兼容所有定点芯片，c 6 7 x 向下兼 容c 3 x ，c 4 x 浮点芯片。在老牌产品中，由于c 3 x 仍在不断改进中，因此还是 t i 公司目前主推产品之一。t m s 3 2 0 系列今后将主要以三个平台为基础发 展：d s p 控制平台c 2 0 0 0 ( c 2 0 x ，c 2 4 x ) ，d s p 有效性能平台c 5 0 0 0 ( c 5 4 x ，c 5 5 x ) ， d s p 高性能平台c 6 0 0 0 ( c 6 2 x ，c 6 7 x ) 。 另外，t i 公司新开发的控制平台内核c 2 8 x 速度可达4 0 0 m i p s 以上，而高 性能平台内核c 6 4 x 可工作于6 0 0 1 1 0 0 m i p s ，速度可达4 8 0 0 8 8 0 0 m i p s ，基于 核的设计可大大地提高系统的性能。t i 公司还与a 删公司联合开发了新的 d s p m c u 双核平台，具有高性能和低功耗的特点，适用于峰窝移动电话、短 距离无线应用和无线l 蝌产品。 上海大学硕士学位论文 本课题中所涉及到的d s p 嵌入式系统是闻亭公司针对音视频处理设计的， 其核心处理器是t i 公司生产的踟s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列数字信号处理器。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 是t i 公司1 9 9 7 年2 月推向市场的高性能d s p ，综合 了目前d s p 性价比高、功耗低等一些优点，其内部集成了多个功能单元，可同 时执行8 条指令，运算速度为1 2 0 0m m s 2 4 0 0 m 口s ，同时其内部还集成了2 个乘法器和6 个算术运算单元，且它们之间是高度正交的，使得在一个指令周 期内最大能支持8 条3 2 b i t 的指令。可见6 0 0 0 系列的d s p 处理器比较适合音视 频处理，同时也满足了本课题的要求。 3 1 2 数字信号处理器的特点 d s p 是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算技术等学科的发展而产 生的，其主要特点可以概括如下 1 4 】： 1 ) 改进的哈佛结构：与冯诺依曼结构相比，其主要特点是程序和数据具 有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线与数据总线，可以同时对数据和 程序进行寻址，大大提高了数据处理能力。t i 公司的d s p 芯片结构是基本哈佛 结构的改进类型，允许数据存放在程序存储