（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式小零件高速检测方法的研究.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho f h i g h - s p e e dd e t e c t i o n m e t h o do fe m b e d d e ds m a l lp a r t s b y t l i ud o n g m e i s u p e r v i s o r p r o f z h a n gb a o f e n g d o c z h a n gx i a o l i n g j a n 2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨墨太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 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。 学位论文作者签名：别霆存 签字日期：别少年 多月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨兰盘鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刘绣相 签字日期：刁啤月夕日 日 摘要 小零件是各种设备的重要组成部分，其质量直接影响设备的正常运转以及企业的经 济效益，因此小零件检测方法的研究具有重要的意义。工业中小零件的检测，采用单纯 人工检测速度慢、精度低，而且在检测过程中会对小零件造成损害，因此需要一种高精 度、实时非接触式的检测方法，基于视觉检测技术在线检测方法，检测速度快，检测精 度高，采用非接触式自动检测，节约人力，减少了人为因素造成的误差。 基于上述特点提出了采用视觉检测技术检测小零件外观质量的检测方法。检测中由 高速c c d 采集零件图像，利用d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 3 对图像进行去噪、增强、旋转、边 缘提取、识别与判断，并将处理结果通过控制端口输出到控制机构，进行分拣操作。 具体研究内容如下： 1 、研究图像处理现有的图像处理技术，采用中值滤波对图像进行去噪，灰度变 换对图像进行增强，突出了图像中感兴趣的特征，更有利于对目标物体进行观察。 2 、c c d 采集到的图像中目标物体放置方式并不是水平的，为了使后续处理更加方便， 应对图像进行旋转，首先定位目标区域，然后利用极坐标旋转的方法寻找最小矩形进而 旋转图像，使得图像中目标物体水平放置。 3 、利用轮廓跟踪进行图像边缘检测，首先搜索起始点，从起始点开始扫描其相邻 点，找到边缘点，再以此点为新的起始点从其邻域搜素下一边缘点，以此类推，获得图 像中目标物体的轮廓链码。 4 、提出使用链码表来进行螺纹轮廓跟踪和识别。首先根据小零件螺纹特点，找到 标准链码表相应的规律，并在所得目标物体的链码表中确定螺纹的个数以及单个螺纹的 链码值，然后利用标准单个螺纹的上升沿和下降沿相似的原则对单个螺纹进行判断，同 时按照每个螺纹的上升沿和下降沿的链码个数之和相似的原则来判断螺纹轮廓是否均 匀一致，来确定零件是否合格。 在不同条件下，对各种螺钉进行了大量的实验，实验结果证明：此方法准确可靠、 高效快速并具有良好柔性，适用于不同型号螺钉的高速在线检测。 关键词：d s p 小零件d s p b i o s 在线质量检测 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h em e t h o do fm a n u a ld e t e c t i o nt or e a l i z es m a l lp a r t s d e t e c t i o nh a ss l o ws p e e da n ds h o r tp r e c i s i o n a n di tw o u l dc a u s ed a m a g ei nt h ed e t e c t i o n p r o c e s s s ot h i ss y s t e mr e q u i r e sah i g h - p r e c i s i o n ，r e a l - t i m en o n c o n t a c td e t e c t i o nm e t h o d s o n 1 i n ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do nv i s i o ni n s p e c t i o nt e c h n o l o g yh a sf a s t e rd e t e c t i o ns p e e d a n dh i g h e rd e t e c t i o na c c u r a c y u s e sn o n c o n t a c ta u t o m a t i cd e t e c t i o n ，s a v e sm a n p o w e ra n d r e d u c e se r r o r sc a u s e db yh u m a nf a c t o r s b a s e do nt h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e ru s e sv i s i o ni n s p e c t i o nt e c h n o l o g yt od e t e c t t h ea p p e a r a n c eo fs m a l lp a r t s r e a l t i m ei m a g es i g n a li sc a p t u r e db yt h eh i g h - s p e e dc c d i m a g es e i l _ s o r t h e nt h i sp a p e ru s e st h ed s pt m s 3 2 0 d m 6 4 3t o r e a l i z ei m a g ed e n o i s i n g ， i m a g ee n h a n c i n g , i m a g er o t a t i n g ，e d g ee x t r a c t i n g , i d e n t i f i c a t i o na n dj u d g r n e n t t h er e s u l t o u t p u t s t ot h ec o n t r o la g e n c i e st h r o u g ht h ec o n t r o lp o r t t h em a i ns t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： 1b y s t u d y i n ge x i s t i n gi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t h i sp a p e rs e l e c t st h em e d i a n f i l t e r - i n gt or e a l i z ei m a g ed e n o i s i n ga n dg r a y - s c a l et r a n s f o r m a t i o nt or e a l i z ei m a g ee n h a n c e m e n t i t h i 曲l i g h t st h ei n t e r e s t i n gf e a t u r e sa n di sm o r e b e n e f i c i a lt oo b s e r v es m a l lp a r t s 2t h ep l a c e m e n tw a y so ft h eo b j e c to fm o s to fi m a g e sg a t h e r e db yh i g hs p e e dc c dd o n o tl i ei nt h eh o r i z o n t a lp o s i t i o n ，a n ds ot h ei m a g e sa r er o t a t e dt om a k et h ef o l l o w i n g o p e r a t i o n se a s i e r f i r s t l y , t h et a r g e ta r e ai sl o c a t e d s e c o n d l y , t h es m a l l e s tr e c t a n g l eo ft h e t a r g e ti m a g ei sf o u n db yt h em e t h o do fp o l a rc o o r d i n a t er o t a t i n g , a n dt h e nt h ea r e ai sr o t a t e d t h i sm e t h o dc a nm a k et h eo b j e c tp l a c ei nt h eh o r i z o n t a lp o s i t i o n 3c o n t o u rt r a c k i n gi su s e dt or e a l i z ee d g ee x t r a c t i o n f i r s t l y , s t a r t i n gp o i n ti ss e a r c h e d ， f r o mw h i c ht h en e i g h b o ro n e sa r es e a r c h e dt og e tt h ee d g ep o i n t s s e c o n d l y , t h er i g h te d g e p o i n ti st h en e ws t a r t i n gp o i n t ，a n dt h e na n o t h e rs e a r c hf o ra n o t h e re d g ep o i n t i nt h en e i g h b o r s i sr a i s e d ，a n ds oo n f i n a l l y , t h ec h a i nc o d eo fo b j e c tc o n t o u ro ft h ei m a g ei so b t a i n e d 4t h ec h a i nc o d et a b l ei su s e dt or e a l i z et h r e a dc o n t o u rt r a c k i n ga n di d e n t i f i c a t i o n f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fs m a l lp a r tt h r e a d ，t h ec o r r e s p o n d i n gl a w so ft h es t a n d a r d c h a i nc o d et a b l ea r ef o u n d i nt h ec h a i nc o d et a b l e ，t h en u m b e ro ft h r e a d sa n dc h a i nc o d e v a l u e so fa s i n g l et h r e a da r ed e t e r m i n e d t h es i m i l a rp r i n c i p l eo fr i s i n ge d g ea n df a l l i n ge d g e o fas t a n d a r ds i n g l et h r e a di su s e dt oj u d g eas i n g l et h r e a d ，w h i l et h es i m i l a rp r i n c i p l eo ft h e c h a i nc o d et o t a la m o u n to fr i s i n ge d g ea n df a l l i n ge d g eo fe a c ht h r e a di su s e dt oj u d g e w h e t h e rt h es m a l lp a r ti sq u a l i f i e d 5i nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s w ec a r r yo u tal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sf o rav a r i e t yo f s c r e w s t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o dh a sh i g h e rr e l i a b i l i t y , h i g h e re f f i c i e n c y , f a s t e r p r o c e s s i n ga n db e t t e rf l e x i b i l i t ya n dc a nb es a t i s f i e di nt h eh i g h s p e e dd e t e c t i o ns y s t e mf o r d i f f e r e n tt y p e so fs c r e w s k e yw o r d s ：d s p ，s m a l lp a r t ，d s p b i o s ，o n - l i n eq u a l i t yi n s p e c t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究目的和意义1 1 2 发展背景及其国内外发展现状1 1 2 1 视觉检测概述1 1 2 2 嵌入式视觉检测系统简介2 1 2 3 国内外发展现状3 1 3 本论文的主要工作4 1 4 论文结构5 第二章系统总体方案设计6 2 1 系统的总体方案6 2 2 系统的硬件组成7 2 2 1 微处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 2 2 2 数据存储部分9 2 3 嵌入式操作系统d s p b i o s 及r f 5 框架结构的介绍1 1 2 3 1d s p b i o s 的介绍1 1 2 3 2 基于r f 5 框架的研究1 2 第三章小零件检测算法1 5 3 1 小零件检测算法的整体框架1 5 3 2 图像滤波1 5 3 2 1 低通滤波1 6 3 2 2 高通滤波1 6 3 2 3 线性滤波1 7 3 2 4 中值滤波1 7 3 3 图像增强1 8 3 4 图像旋转1 9 3 5 边缘提取1 9 3 5 1 经典边缘检测方法1 9 3 5 2 基于轮廓跟踪的边缘检测方法2 2 3 6 识别与判断2 3 3 6 1 基于模板匹配的识别与判断2 3 3 6 2 基于轮廓跟踪的识别与判断2 4 第四章基于d s p b i o s 嵌入式高速检测系统的软件开发2 5 4 1 系统总体流程2 5 4 1 1 系统执行过程2 5 4 1 2d s p b i o s 配置文件2 5 4 1 3 任务模块介绍2 7 4 2 滤波和增强的实现2 7 4 3 图像旋转和边缘提取实现2 9 4 3 1 图像旋转2 9 4 3 2 边缘提取3 0 4 4 识别与判断的实现3 2 4 4 1 识别与判断流程图3 2 4 4 2 实验一的结果与分析3 4 4 4 3 实验二的结果及分析3 7 4 4 4 实验三的结果及分析4 0 4 4 5 综合分析4 1 第五章总结与展望4 2 参考文献4 3 发表论文和科研情况说明4 6 致谢4 7 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 第一章绪论 在实际工业零件检测中，经常筛选成品、半成品，单纯人工检测，检测速度慢，精 度低，而且在检测过程中会对零件造成损害，因此需要精度更高，更快的检测方法。非 接触式的基于视觉检测技术在线检测方法，它不仅检测速度快，检测精度也比较高，节 约人力，减少了人为因素造成的误差。 基于上述特点，为了能够高速，准确的检n d , 零件，本文使用了视觉检测的方法对 小零件进行检测，比如滤波，增强，旋转，边缘检测，识别与判断，通过对这些方法的 研究，能够进一步提高螺钉检测效率。 视觉检测技术是近期才发展出的- - f 3 需要很少人的干预技术，它是集合光电探测， 计算机技术，图像处理等，将自动检测引入工业检测中。 基于视觉检测技术的小零件检测方法具有以下优点： 1 、可用于检测精度高和检测速度快的系统中。 2 、适用于各种恶劣环境。 3 、适用于零件自动识别的系统中，可实现智能化和自动化检测。 1 2 发展背景及其国内外发展现状 1 2 1 视觉检测概述 视觉检测是计算机检测技术【1 1 与光电技术的结合的基础上逐渐发展起来。视觉检测 2 - 3 1 即为通过光电技术获得被测图像，然后将被测对象与已知对象进行比较，再对比较 结果进行分析来识别对象。视觉检测的具体步骤如下：首先使用摄像机采集图像，然后 将采集后的图像传送给图像处理系统，对其进行处理，提取其特性，如外围轮廓，面积 等，最后对其进行识别，来判断是否合格，视觉检测在工业中可分为两种情况：检测和 测量。 1 、检测 检测又包括表面质量检测和内在质量检测。浙江大学对空啤酒瓶进行了检测，对采 集的图像进行了图像变换，图像复原，图像增强，图像分割，图像分析和图像数据压缩 与编码；南京航空航天大学利用机器视觉对零件进行识别与检测，这个系统首先利用摄 像机和s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 开发包进行图像采集，然后对图像进行处理， 包括图像滤波，阈值分割，边缘检测等，最后调用图像识别模块对图像进行识别与判断； 哈尔滨理工大学开发了钢球表面缺陷检测系统，利用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电 第一章绪论 荷耦合器件) 采集图像，并将采集到的图像传送到工控机，利用图像处理系统对其进行 处理，并对其进行识别与判断，并发出命令到控制机构；西安电子科技大学研究了锥螺 纹在线检测判废系统，利用c c d 采集图像，对采集到的图像进行中值滤波，采用多项式 插值的亚像素技术进行边缘提取，最后采用最小二乘法提取螺钉的几何参数； t i m o t h y s n e w a n 等人研究了自动视觉检测系统，主要针对铸件各种表面缺陷进行分析。 此系统可检测表面存在大量缺陷的铸件，检测效率高；s t e m b e w g 研究了视觉检测系统， 它主要针对于手表齿轮缺陷，利用c c d 和背光源照射物体，然后对图像进行二值化， 图像增强，边缘提前，识别与判断。 2 、测量 交通大学研制了测量机械零件尺寸的系统；天津大学精密测试技术国家重点实验室 开发了i v e c 0 车身激光视觉检测系统，a u d i1 0 0 轿车侧围视觉检测系统和夏利车身视觉检 测系统，实现了三维尺寸的自动测量；国防科学技术大学研究了工业零件形状尺寸检测 系统，对被测对象进行了亚像素边缘检测、几何基元检测、形状误差评定、边缘仿真图 像制作等研究；哈尔滨工业大学完成了机器零件在线检测系统的设计，利用c c d 采集图 像，对采集的图像首先进行中值滤波，利用阈值分割进行二值化，然后进行边界提取， 最后利用拟合测量可得到被测对象的尺寸值。 1 2 2 嵌入式视觉检测系统简介 1 、嵌入式系统的定义和特点 嵌入式系统以应用为核心，以微电子技术和计算机技术为基础，由嵌入式处理器、 外围设备、操作系统和应用软件组成，适用于对可靠性、功能、功耗等要求比较严格的 系统4 。5 】。 嵌入式系统有如下特点 6 - 7 1 ： ( 1 ) 嵌入式系统内核小； ( 2 ) 嵌入式系统体积小、专用性强、功耗低； ( 3 ) 嵌入式系统必须高效的设计硬件和软件，并且有精简的系统； ( 4 ) 高实时性的系统软件( 0 s ) 是嵌入式软件的基本要求； ( 5 ) 嵌入式系统软件采用多任务的操作系统，并逐步走向标准化； ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专用开发工具和环境。 2 、嵌入式视觉检测研究的意义 目前，视觉检测主要有两种形式： ( 1 ) 基于p c 机板卡式的视觉检测系统，如图1 - 1 所示。该系统由图像传感器采集 待检测信息，通过专业图像采集卡将采集信号数字化，并送入p c 机，p c 机对采集信息 分析处理。该系统主要工作在p c 机上完成，开发难度低，但操作复杂，而且实时行差、 体积大、成本高。 ( 2 ) 嵌入式视觉检测系统陋1 0 】，如图1 - 2 所示，嵌入式视觉检测系统是以嵌入式 处理器为核心的，它包括处理器，存储器，输入输出设备和软件，用户可以很灵活的配 置其软硬件，利于实现高速数据采集与处理，实时性好，更适合进行在线检测。 第一章绪论 本文采用嵌入式视觉检测系统来对小零件进行处理与识别，以提高检测速率，使其 具有更高的是实时性。 图1 - 1p c 机板卡式视觉检测系统 1 2 3 国内外发展现状 图1 - 2 嵌入式视觉检测系统 视觉检测自产生以来蓬勃发展，广泛应用在工业生产中各个领域。 国外机器视觉检测从上个世纪八十年代初开始已得到了广泛的研究，而国内视觉检 测技术从上世纪九十年代才开始得到重视。 国内：目6 i 国内在视觉检测的研究领域有天津大学、清华大学、哈尔滨工业大学、 西安电子科技大学等高等院校。 ( 1 ) 南京航空航天大学利用机器视觉对零件进行识别与检测l ，这个系统首先利 用摄像机矛i j s d k 开发包进行图像采集，然后利用多种图像采集算法，包括图像滤波，阈 值分割，边缘检测等对图像进行处理，最后调用图像识别模块对图像进行识别与判断。 第一章绪论 ( 2 ) 哈尔滨理工大学开发了钢球表面缺陷检测系统d 2 ，利用c c d 采集图像，然后将 采集到的图像传送到工控机，利用图像处理系统对其进行处理，并对其进行识别与判断， 并发出命令到控制机构。 ( 3 ) 西安电子科技大学研究了锥螺纹在线检测判废系统【i ”，利用c c d 采集图像，对 采集到的图像进行中值滤波，采用多项式插值的亚像素技术进行边缘提取，最后采用最 小二乘法提取螺钉的几何参数。 ( 4 ) 天津大学精密测试技术实验室开发了测量机械零件位置尺寸的视觉检测系统 f l4 1 ，利用光学器件采集图像，结合各种算法，对器件进行中值滤波、r o b e r t s 检测算子、 阈值分割等处理，提出了新的最d x - - 乘直线拟合的台阶位置检测算法。 ( 5 ) 哈尔滨工业大学完成了机器零件在线检测系统的设计，利用c c d 采集图像，对 采集的图像首先进行中值滤波，利用阈值分割进行二值化，然后进行边界提取，最后利 用拟合测量可得到被测对象的尺寸值。 ( 6 ) 浙江大学对空啤酒瓶进行了检测u s ，对采集的图像进行了图像变换，图像复 原，图像增强，图像分割，图像分析和图像数据压缩与编码。 国外：视觉检测系统已经研究了很多年，是一个比较成熟的领域。在半导体及电子 行业应用广泛，主要体现在高速在线检测领域。 v i s i o nc o m p o n e n t s 公司设计了智能摄像机，采用了当前性能最强大的图像处理专用 芯片d s p ，智能化程度高，搭建系统成本低，是用户构造机器视觉系统的理想选择。其 特点与p c 机相匹敌的运算速度；与生产线上其它设备连接方便；能直接在显示器上输 出s v g a 或s x g a 的视频图像；提供高度开放的图像处理库和一些常用库；能进行源 码级的二次开发；工作过程可完全脱离p c 机。 丹麦的一家公司很早就已经研究视觉在线检测系统，并成功检测玻璃制品表面尺寸 和内部质量。 t i m o t h y s n e w a n 等人研究了自动视觉检测系统，主要针对于一个铸件各种表面缺陷 进行分析。此系统可检测表面存在大量缺陷的铸件，检测效率高。 s t e r n b e r g 研究了视觉检测系统，它主要针对于手表齿轮缺陷，利用c c d 和背光源 照射物体，然后对图像进行二值化，图像增强，边缘提前，识别与判断。 1 3 本论文的主要工作 本系统由c c d 采集图像，将采集后的图像送至a d 转换器a s s 7 1 1 5 ，将其转换成b t 6 5 6 格式的信号，送至d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 3 中进行如下处理： 1 、预处理 研究图像处理现有的图像处理技术，采用中值滤波对图像进行去噪，灰度变换 对图像进行增强，突出了图像中感兴趣的特征，更有利于对目标物体进行观察。 2 、图像旋转 c c d 采集到的图像中目标物体放置方式并不是水平的，为了使后续处理更加方便， 应对图像进行旋转，首先定位目标区域，然后利用极坐标旋转的方法寻找最小矩形进而 第一章绪论 旋转图像，使得图像中目标物体水平放置。 3 、边缘提取 利用轮廓跟踪进行图像边缘检测，首先搜索起始点，从起始点开始扫描其相邻点， 找到边缘点，再以此点为新的起始点从其邻域搜素下一边缘点，以此类推，获得图像中 目标物体的轮廓链码。 4 、边缘识别与判断 提出使用链码表来进行螺纹轮廓跟踪和识别。首先根据小零件螺纹特点，找到标准 链码表相应的规律，并在所得目标物体的链码表中确定螺纹的个数以及单个螺纹的链码 值，然后利用标准单个螺纹的上升沿和下降沿相似的原则对单个螺纹进行判断，同时按 照每个螺纹的上升沿和下降沿的链码个数之和相似的原则来判断螺纹轮廓是否均匀一 致，来确定零件是否合格。 1 4 论文结构 论文第二章提出了系统的总体设计方案和硬件组成，并简单介绍了嵌入式操作系统 d s p b i o s 。 论文第三章研究了数字图像处理中现有的图像处理技术，提出了适于嵌入式小零件 高速检测系统的高效图像检测算法，特别是对滤波算法、边缘检测、图像增强，图像旋 转和图像识别与判断进行细致的分析，并对其中部分算法本身做了详细描述，在性能、 效果、适用条件方面做了深入研究，并指出其不足。 论文第四章就高速在线检测系统的图像处理算法给出了实验结果及其分析。 论文第五章总结了本文所做的工作，并指出待解决的问题和一些尚需进一步研究的 内容。 本文全面的介绍了嵌入式小零件高速检测系统的开发过程，是数字图像处理技术在 工业上应用的一个具体的示例，具有广泛代表意义。 第二章系统总体方案设计 2 1 系统的总体方案 第二章系统总体方案设计 1 、工作原理 拟在线阵c c d 高速图像采集的基础上开发自己图像采集系统。该系统的融合了c c d 图像采集和高速d s p 处理功能，其结构图如图2 1 所示。 图2 - 1 结构图 从c c d 采集信号，送至a d 转换器s a a 7 11 5 ，将信号转换成b t 6 5 6 格式，并 送至d m 6 4 3 的v p o r t l ，由于a d 转换器速度相对于d s p 差距很大，基于高速与低速设 备之问传输通道模块的设计原则，采集模块与处理模块的速度匹配应得到充分的考虑， 选取了f i f o 作为缓存器件，其前端连接图像采集模块，在同步时钟驱动下将采 集到的视频数据写入f i f o ，f i f o 的后端与d s p ，将图像传至d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 3 中， 由于d s p 内部存储器容量小，所以外接了一片s d r a m 作为图像缓存模块，当f i f o 中缓存的数据达到临界值后，为了提高数据的传输速度，由硬件电路完成，不依 靠程序发送，为此采用e d m a 传输，将缓存数据读入片外s d r a m 。 系统还扩展了一片f l a s h ，用于存储需要运行的程序，当系统脱离开发调试环境独 立运行时，从f l a s h 加载程序。 嵌入式小零件高速检测系统由高速c c d 图像传感器捕捉到的实时图像信号，使用 d s p 对图像进行运算处理，把处理结果通过控制端口输出到控制机构上，进行下一步分 拣操作。 2 、系统的检测目标 嵌入式小零件高速检测系统，是对工件表面外观缺陷进行检测，判断其是否合格， 第二章系统总体方案设计 本文以螺钉为例进行讨论，图2 - 2 为合格螺钉和不合格螺钉原始图片，其中合格螺钉边 缘无缺损，螺纹均匀，而不合格螺钉螺纹明显不均匀，该系统检测出不合格螺钉，给控 制机构一个控制信号，控制鼓风机将其吹到不合格螺钉回收器中，检测到合格螺钉，鼓 风机不动，将合格螺钉送入包装生产线上。 ( a ) 原始合格局部螺钉图( b ) 原始不合格局部螺钉图 图2 - 2 待检测螺钉原始图像 2 2 系统的硬件组成 该嵌入式图像检测系统是在d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 3 开发板的基础上设计的复杂电子系 统，t m s 3 2 0 d m 6 4 3 开发板如图2 - 3 所示。按照功能不同可将这个系统划分为几个部分： 微处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 3 ，图像采集部分，数据存储部分s d r a m ，f l a s h 。下面将简要介绍 主要硬件部分。 2 2 1 微处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 3 幽2 - 3t m s 3 2 0 d m 6 4 3 开发板 本系统在设计时选用了美国德州仪器( t i ) 公司新推出的面向数字多媒体处理芯片 ，身 级老 备殇 - 缀了玩谚软 孥。 褫霪攀彦。爹餐 f簇荔 ，雾务荔 、苏，移 荔镌 第二章系统总体方案设计 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 ( 以下简称d m 6 4 3 ) 作为系统的主控芯片，d m 6 4 3 t 1 6 - 1 8 1 在c 6 4 x d s p 内核 基础上进一步集成了完备的数字视频音频输入输出接口、以太网接口等片上外设，使 用户很方便的对视频音频等各种复杂的运算进行高速处理。其时钟最高可达6 0 0 m h z ， 处理性能可达4 8 0 0 百万指令每秒( m i p s ) 。d m 6 4 3 有6 4 个3 2 位字长的通用寄存器和8 个相互独立的功能单元两个结果为3 2 位的乘法器和6 个是v e l o c i t i 2 珊扩展算术逻 辑单元。d m 6 4 3 每个时钟周期可进行4 次1 6 位乘加运算，即每秒可进行2 4 0 0 百万乘 加运算( m m a c s ) ，或者每周期8 次8 位乘加运算，即每秒4 8 0 0 m m a c s 。在6 0 0 m 时钟 频率下，d m 6 4 3 每秒可进行2 4 亿次1 6 位乘加运算或4 8 亿次8 位乘加运算。如此强大 的运算能力，确保了d m 6 4 3 在做多媒体处理时的高速度和高质量。该性能在已推向市 场的各种媒体处理器中处于领先地位。 其内部结构如图2 - 4 所示，d m 6 4 3 特点： ( 1 ) 8 - # - 独立的功能单元 6 个a l u ( 3 2 4 0 b i t ) ，每个功能单元支持每时钟周期3 2 位算术操作，双1 6 位比特算 术操作，或4 个8 位算术操作； 2 个乘法器支持每时钟周期4 个1 6 1 6 位的乘法( 结果是3 2 位) 或者8 个8 8 位乘法 ( 结果是1 6 位) ； ( 2 ) l 1 l 2 存储器结构 2 5 6 k b i t ( 3 2 k b y t e ) l 1 p 程序缓存( 直接映射) ，6 4 0 k b i t ( 8 0 k b y t e ) l i d 数据缓 存( 2 路结合设置) ，1 m b i t ( 1 2 8 k b y t e ) l 2 标准映射r a m 缓存( 灵活的r a m 缓存分配) ； ( 3 ) 指令设置特点 字节寻址( 8 1 6 3 2 6 4 位数据) ，8 位溢出保护，可位提取，设置，清除操作，标 准化，饱和度，位计数，增强交互的v e l o c i t l 2 ； ( 4 ) 外扩s d r a m ，容量为4 m 6 4 位； ( 5 ) 外扩f l a s h ，容量为4 m 8 位； ( 6 ) 1 路p a l n t s c 标准模拟视频输入( c v b s 或y c 可选) ，1 路p a l n t s c 标准模 视频输出( c v b s + y c ) v g a 视频输出最大分辨率为1 9 2 0 1 0 8 0 h d t v 视频输出； ( 7 ) 2 路u a r t 接口，接口标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 r e 4 8 5 可配置； ( 8 ) 标准化的扩展总线； ( 9 ) d m 6 4 3 的2 个数字视频口扩展总线； ( 1 0 ) e s a m 硬件加密模块，支持d e s 2 d e s 密钥算法，2 k 8 位加密保护的e e p r o m ， 可存放密钥、设备序列号、或其他重要的代码或数据。 第二章系统总体方案设计 2 2 2 数据存储部分 图2 - 4d m 6 4 3 内部结构框图 1 、扩展内存接口e m i f e m i f t l 9 - 2 0 1 特点如下：6 4 位的数据总线宽度，4 个存储空间，每个存储空问寻址范围 2 5 8 m 字节，最高时钟频率为1 3 3 m h z ，可访问的数据宽度为8 1 6 3 2 6 4 位，支持 s d r a m s b s r a m z b t s r a m 和异步存储器( s r a m 、f l a s h 等) 。 d m 6 4 3e m i f 接口信号如图2 - 5 所示。 第二章系统总体方案设计 e n h a n c e d d a l am 蚴o r y d o n t r o l l e r p e 啦h e 国lb u s 图2 5e m i f 的接口信号图 d m 6 4 3 在c e o 空间扩展了4 m 6 4 b i t 的s d r a m 存储器( m t 4 8 l c ) ( m 3 2 b ) ，在c e l 空间扩 展了4 m 8 b i t 的f l a s h 存储器( a m 2 9 l v 0 3 3 c ) 。 2 、外扩s d r a m 存储器 s d r a m 2 1 - 2 2 ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ) ，其主要特点是：同步访问和动态存储。 动态存储器中同步技术的出现，使得芯片的读写速度提高了将近1 0 倍，本系统中需要 大容量的存储器，s d r a m 提供了非常高的性价比，d m 6 4 3 的e m i f 支持对s d r a m 的直接接 口， 本系统采用m i c r o n 公司的s d r a mm t 4 8 l c x m 3 2 b ，它具有的特点如下：标准的3 3 v 供电，内部4b a n k s 的空操作，总共6 4 m b i t ，可自动刷新，4 0 9 6 字刷新周期6 4 m s ，所 有管脚和内部l v t t l 是可兼容的，可编程c a s 延时：1 ，2 ，3 时钟周期。d m 6 4 3 和s d r a i v l 连接如图2 - 6 所示。 3 、外扩f l a s h 存储器 f l a s h t 2 3 1 存储器是一种高可靠性的存储器件，具有非易失，可在线写入和存储速度 快的特点，本系统中，e m i f 扩展了一片f l a s h ( a m 2 9 l v 0 3 3 c ) ，用于存储需要运行的程 序，当系统脱离开发调试环境独立运行时，从f l a s h 加载程序，d s p 的e m i f 和f l a s h 连接如图2 - 7 所示。 第二二章系统总体方案设计 图2 - 6d s p 的e m i f 和s d r p a t 连接 篮w ej 纺 4 c 冒1 c e n 心 a e d 7 a e a 2 0 3 1d a r 7 1 8 o - 1 0 】 f l a s h i 1 图2 - 7d s p 的e m i f 和f l a s h 连接 2 3 嵌入式操作系统d s p b10 s 及r f 5 框架结构的介绍 2 3 1d s p b i o s 的介绍 d s p b i o s 2 4 - 2 9 是一个简易的实时操作系统，用户可方便编写多任务应用程序，而且 可监控d s p 执行代码效率，d s p b i o s 工具具有实时操作系统的很多功能，如任务调度管 理、任务间的同步和通信、内存管理、实时时钟管理、中断服务管理、外设驱动程序的 管理等。利用d s p b i o s 开发应用程序有两个特点，第一，用户避免直接控制硬件，所 有与硬件相关的操作应该由d s p b i o s 相关的函数来控制；第二，传统开发的程序顺序 进行执行，而由d s p b i o s 开发的程序应该由b i o s 来调度。 d s p b i o s 应用程序由多个线程组成，所谓的线程即d s p 执行的所有独立的指令流， 每个线程又是由一个模块化函数组成，多线程的程序是通过高优先级线程抢占低优先级 线程来实现。 线程从高优先级到低优先级包括以下几部分： 1 、硬件中断( t t w i ) ：是由外部同步事件触发而执行的，与其他线程相比，它具有 最高优先级，当线程执行需要严格的实施性的时候j + 启刖硬件中断，因为硬件中断要求 的处理时i 、日j 短，2 到1 0 0 ，不然数据就有可能被覆盖掉。 2 、软件中断( s w i ) ：是由b s p b i o s 中的a p i 函数调用实现的，它的优先级在硬件 中断和任务中断之问，它没有像硬件中断那样要求比较高的实时性，它的处理时| 、日j 在1 0 0 或以上的时间，但由于所有软件中断都使用同一个堆栈，所以软件中断具有不可阻塞的 第二章系统总体方案设计 性质，即s w i 软件中断一旦执行就会一直执行下去，除非被其他软件中断或硬件中断抢 占，基于此性质，软件中断用于函数之间有简单的联系和数据共享要求的程序，当程序 调用软件中断前，所有的资源需准备好，方可执行。 3 、任务线程( t s k ) ：任务线程和前两者不同之处是它可以被阻塞，即可以等待到 所需资源再继续执行，基于此性质，任务线程可用于执行函数之间有复杂的联系和数据 共享要求的程序。并且，d s p b i o s 提供了一组可以用于通信和同步的数据结构：队列， 旗语和邮箱。 4 、后台线程( i d l ) ：是优先级最低的线程，当没有硬件中断、软件中断和任务线 程时再执行后台线程，在应用程序主函数返回后，执行空闲循环中，一直连续地运行每 个i d l 对象函数，除非有高优先级的线程抢占。 2 3 2 基于r f 5 框架的研究 由于d s p 软件技术相对硬件技术开发速度慢，德州仪器t i 公司推出了d s p 算法参 考框架r f ，其中包括r f l ，r f 3 和r f 5 ，r f l 主要用于c 5 系统实现的低端系统，r f 3 用 于c 5 系统实现的高端系统和c 6 x 系统实现的低端系统，而r f 5 实现c 6 x 系统实现 高端系统，本系统利用的是r f 5 实现软件编程的。 r f 5 按功能分为两部分：数据处理和数据通信。 l 、数据处理 3 0 - 3 1 1 数据处理包括4 个部分：任务，通道，单元和标准算法。每个任务包括一个或多个 通道，每个通道包括一个或多个单元，每个单元包括一个标准算法( x d a i s ) 。 四者之间的关系如图2 8 。 口 口 任务 。单元 通道 a i 坦j a 3 a 4 标准簋法 图2 - 8r f 5 的处理元素