（计算机应用技术专业论文）苹果分级dsp系统中分级控制及通信接口的设计与实现.pdf

中国农业大学硕士学位论文 摘要 摘要 本课题研究苹果分级d s p 系统中分级执行机构的控制电路及与上位机( p c 机) 通信接口的 设计与实现，运用数字电路技术和串口通信技术，为了解决d s p 芯片本身输出电流不高和串口通 信能力较弱等缺点，对苹果分级系统分级执行机构的控制电路进行了开发，并完成了d s p 图像处 理系统与上位机可靠的串口通信。 本文详细讲述了如何设计并实现一种用于d s p 系统的输出电流的放大电路，对d s p 的输出 电流加以放大，来驱动电机，并在此基础上开发了一块分级执行机构的控制电路板，满足苹果分 级系统的分级要求。此外，本文还详细讲述了如何设计并实现一种通过扩展u a r t 芯片来增强 d s p 串口通信能力的方法。首先对d s p 系统进行了整体分析与深入的研究，由于其通信能力的 不足，为解决这一问题，设计出串口通信硬件的扩展电路，并且在此基础上完成了串口通信收发 双方的软件设计。 本文将电流放大电路及d s p 串口通信的扩展与苹果分级系统的结合，在水果分级系统方面属 于比较新颖的应用，对于今后其他的分级系统及t i 公司d s p 的串口通信的研究都有重要的参考 价值及意义。 关键词：d s p 苹果分级分级控制通信接口串口通信 1 i i 中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 i i i i l l a b s t r a c t t h es u b j e c ti so n ep a r to ft h ed e s i g no ft h ea p p l ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e m ( a c s ) ，m a i n l ya b o u tt h e r e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o lc i r c u i t sa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n s ，u s i n gd i g i t a la n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g eo ft h ed s pc h i p ，w h i c hh a sl o wo u t p u tc u r r e n ta n dl i m i t e d s e r i a lc o m m u n i c a t i o na b i l i t y , w ec a r r i e do u tt h ee n f o r c e a b l ea g e n c i e so ft h ea c s ，a n dt h es o f t w a r e w h i c hs o l v e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pi m a g e - p r o c e s sa n dc o m p u t e r t h ep a p e rw i l ls h o wy o ut h ec o u r s eo ft h ed e s i g no ft h ea m p l i f i e rc i r c u i tw h i c ha m p l yt h eo u t p u t c u r r e n to ft h ed s ps y s t e m t h u sam o t o rc a r lb ed r i v e n b a s e do nt h i s ，id e v e l o p e da ne n f o r c e a b l e a g e n c yp c bb o a r dt om e e tw i t ht h ec l a s s i f y i n gr e q u i r e m e n to ft h ea c s f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sa l s o g i v e su sam e t h o dt os t r e n g t h e nt h ed s ps e r i a lc o m m u n i c a t i o n s im a k ei tt h r o u g hb yu a r t - c h i p f i r s t o fa l l ，is t u d i e da n da n a l y z e dt h ew h o l ed s p - d e v e l o p - b o a r di n d e p t h a s is a i db e f o r e i t s c o m m u n i c a t i n gc a p a b i l i t yi sn o tv e r yw e l l ，t 0s o l v et h ep r o b l e m ，id e v e l o p e da ne x t e n d e dc i r c u i to ft h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o b s a n da l s ot h es o f t w a r eo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n sw a sw r i t t e nf o rs e n d i n ga n d r e c e i v i n gs i g n a l s i nt h et h e s i s ，c u r r e b ta m p l i f i c a t i o na n de x t e n d i n go fd s ps e r i a lc o m m u n i c a t i o n sw 目eu s e di nt h e a p p l ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e m t h i sw a sn e wa p p l i c a t i o ni nt h i sf i e l d i th a si m p o r t a n tr e f e r e n c e dv a l u ei n c l a s s i f i c a t i o ns y s t e ma n ds t u d y i n gs e r i a lc o m m u n i c a t i o n si nt ic o k e y w o r d s ：d s p , a p p l eg r a d i n g ，g r a d i n gc o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e , s e r i a l c o m m n n i e a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 研究生签名奶羽时间：蒯年朋劲日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名 导师签名 ：锄确 缈 时间：办巧辟f 月知日 时间： 2c 一，z 年多月_ 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 我国是世界苹果第一大生产国，栽培面积和产量均居世界首位，但是我国的苹果年出1 ：7 1 量却 很小。据统计，1 9 9 5 年我国苹果出口量为1 0 1 9 万吨，创汇4 5 3 0 万美元，1 9 9 7 年苹果出口量1 8 8 4 万吨，创汇7 7 5 1 万美元，2 0 0 0 年苹果山1 ：3 量2 9 7 7 万吨，创汇9 6 5 6 万美元。不难看出我国苹 果出n 量呈上升趋势，但是到2 0 0 0 年为止，出口量还不足我国苹果总产量的1 5 ，2 0 0 2 年苹果 出口量只有2 9 9 9 万吨口j ，仅占总产量1 4 6 。而且，我国苹果在国际市场上，因为规格不统一， 品质较差，只能出口到独联体和东南亚等不发达国家和地区，价格较低。 我国一些有利于水果生长的地方在近年来开始种植某些水果的优良品种，并引进国外先进的 种植方法及管理技术，精品农业在我国开始得到发展，如山东的红富士、四川的脐橙等水果的内 在质量和外观都达到或超过了国际市场的要求。但是我国苹果出口量仍然很少，造成我国苹果出 口量少、国际市场占有率低的根本原因是我国苹果商品化处理仍处于初级阶段。 所谓商品化处理，是指苹果收获后的清洗、打蜡、品质检测、分级、包装等一系列技术处理。 通过以上处理，最终达到提高苹果外观和内在品质、提高商品价值的目的。其中，分级是苹果商 品化处理的核心环节。目前我国水果商品化处理基本上仍是建立在人t 基础上。如苹果，采摘后 进行分级、打蜡、包装、贮运的只占总产量1 。由于不同质量等级水果价格差别较大，而同质 最等级的水果在不同时间上市其价格差异更犬，因此，我国新鲜水果虽然具有一定的价格优势， 但在满足消费者常年均衡需求优质水果方面的国际竞争力则较弱。随着生活水平不断提高，人们 对水果的形状、大小、色泽、缺陷等外在品质的综合要求不断提高。但我国目前的水果分级检测 技术却跟不上这种趋势，导致了人们无奈的接受综合品质好但价格昂贵的洋水果，造成“洋水果” 大量涌入我国市场p j 。 9 0 年代初开始，我国相继引进和开发了按大小和重量分级的分级设备和涂蜡设备，近几年来 国内也出现了基于计算机视觉技术的水果分级设备，为苹果出口奠定了基础。但是，进口设备价 格昂贵，少则数百万元，多则数千万元，一般企业难阻负担。而国产设备由于技术投入不够，与 国外先进设备差距很大。近儿年来，国外基于d s p 系统的近红外和机器视觉分级技术的商业化应 用，使我国的果品分级技术与国外的差距进一步拉大，如果不能及时跟上国外技术水平，我国的 水果出口将会遇到更大的困难，水果出口问题将会更加突出。因此，研究d s p 系统及其基于d s p 系统的近红外和机器视觉分级技术，开发技术先进并适合我国果品商品化处理的分级设备，对提 高我国果品商品化处理水平和能力，缩小我国与发达国家的技术差距，提高我国果品在国际贸易 中的竞争力和贸易份额，具有十分重要的意义和广阔的应用前景。 当前我国基于计算机视觉技术的苹果分级系统已经有了一定程度的研究，我们实验室参与研 制的基于p c 机的分级设备已经投产使用。经过多年经验的积累，我们掌握了苹果大小的分级算 1 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 法。由于p c 机自身的局限性，使苹果分级的效率不高，通用计算机内部c p u 等硬件的结构限制 了软件执行的速度，另外图像采集忙、摄像头等任何一个部分的性能都有可能使整套设备的效率 变低。 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。自8 0 年以来，专门用来处理数字信号的通用可编程d s p 芯片也得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的 应用越来越广泛。d s p 芯片作为数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。它内部采用 程序和数据分开的哈佛总线结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片 一般具有如下的一些主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( 8 ) 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行1 4 1 。 从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如 t m s 3 2 0 c 1 0 ) 降低到现在的1 ，6 7 n s ( 如t m s 3 2 0 c 6 4 ) ，处理能力提高了j l 百倍。d s p 芯片的引脚 数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的5 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增 加。此外，d s p 芯片技术的不断发展，使d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的 下降。结合上述特点与通用c p u 相比，d s p 芯片的运行效率将会更高口1 。利用d s p 和f p g a ( 现 场可编程门阵列) 相结合的视频图像采集处理技术已经很成熟，专用丁图像处理的d s p 开发板早 己研制成功。其中，t i 公司6 0 0 0 系列在图像处理方面具有不可替代的优势。 与基于p c 机的系统相比，d s p 具有稳定、运算速度快、低功耗和保密性能优良等特点。以 上这些都是本课题选择d s p 系统的主要原因。 2 1 2 国内外研究现状分析 水果分级基本上只有a t 分级和机械分级两种方式。人工分级i ；1 前是我国的主要分级方法。 即操作人员站在传送带的两侧，用眼睛观察传送带上运动水果的外观特征，通过与人脑中标准进 行比较，从而挑出不合要求的水果，而好的水果则由传送带带走。这种方法所用设备简单，但是 需要大量的劳动力，劳动强度大，经济效益不好。同时这种主观评定受到个人视力、颜色鉴别能 力、情绪等因素的影响较大，效率低，分级的精度也很差。因此这种分级方案难以满足现代化农 业发展的要求。 机械分级主要是将水果由输送带或输送链传送到分级部件，通过分级部件上大小依次变化的 孔穴或直接通过输送带或输送链之间间距的变化，使大小不同的果品先后分离，以达到分级的目 的。与人工分级相比，机械分级具有速度较快，分级精度较高，对操作人员的素质要求较低的特 点，但容易使水果产生机械损伤。我国已生产过滚筒式分级机、三辊筒式分级机和条带式分级机 等机械分级设备，而且还进口了称重式分级机，但由丁不能同时根据大小、形状、色泽和缺陷进 行分级，这些设备尽管能降低劳动强度、提高分级精度，但多数被弃之不用，而仍采用人工分级 【6 1 近几年来，国外已经研制出基于计算机视觉技术及基于d s p 的水果尺寸、形状、颜色、表面 缺陷等的分级设备。在水果分级时，水果通过传送带传送到摄像室，摄像头将水果图像采集到计 算机或d s p 内部，然后再对图像进行处理，根据得到的结果来驱动分级分级执行机构，实现分级。 国外成功的产品有a g r it e c h 生产的m e r l i n 2 0 0 0 和a u t o l i n e 生产的m o d e l 6 型号的水果分级生产线， 这种设备的特点是速度快、信息量大、功能多、而且可以定量测量，易实现自动化生产。此外近 儿年来国内在基于计算机机器视觉的分级设备也有所研究，但是都不成熟。 d s p 是一种专门用来实现信号处理算法的微处理器芯片，主要优点有：硬件乘法器，哈佛总 线结构，多种寻址方式，零耗循环( z e r oo v e r h a e a dl o o p ) ，程序执行时间可预测等”。 正是由于d s p 的诸多优点能够满足密集的数学计算，而且d s p 应用的另一个突出特点是实 时性，使其在通信、雷达、数字电视等领域得到了广泛的应用，而且日益渗透到人们的日常生活 的各个方面。 在实时信号处理中已经离不开d s p ，这些处理系统中包含了各种数据通信，例如d s p 与d s p 之间、d s p 与p c 之间的数据通信，单就d s p 与p c 之间数据通信来讲，还可能有串口通信、并 口通信、网口通信以及u s b 等多种通信方式。如何能够快速、准确的完成通信是每个硬件工作 者所关心的问题。由于d s p 的工作频率较高，如t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 时钟频率为4 0 m h z ，故其数据 读写周期很短，然而p c 机串口读写速度较低，最大数据吞吐量约为1 1 5 k b p s m j ，尽管d s p 在与 这些慢速外设进行数据交换时可以加入额外的等待周期，但是在实时性要求苛刻，算法复杂的场 合，将d s p 从这些冗长的等待周期中解放山来将其时间重点放在处理关键的实时任务中去，有 着重要的实际意义。此外，与并行接口相比，串行接口的最大特点是减少了器件引角数目，大大 增加了信号的传输距离9 l ，降低了接口设计复杂性和电路成本，所以目前在d s p 与p c 的通信中， 首选串口通信方式。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 带有2 个多通道带缓冲串口m e b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a p o r t s ) ，但它没 有专用的内部寄存器用来设置波特率、起始位和停止位等通信参数，用软件实现串行通信不仅复 杂而且占用大量的运行时间，影响d s p 的实时运算：另一方面m c b s p 经常被a d 转换和语音接 口占用；再者t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的时钟频率为1 0 0 m h z ，而p c 机串口最大数据吞吐量约为1 1 5 k b s ， 由此可见如何实现d s p 与p c 机之间速度匹配的串行通信就变的尤为重要了u o l , 因此我们需要一 种简单、可靠的同步串口转异步串口的方案。 1 3 课题的提出 1 我们课题组的课题是“基于d s p 的苹果大小、形状及缺陷的动态分级系统”。本课题是根 据农业部引进国际先进农业科学技术”专项基金项目( 9 4 8 项目) “机器视觉水果分级技术与设备” 的需要设定的。我所做的是整个系统中对分级电机进行驱动的分级执行机构电路的设计及d s p 系统与上位机通信问题的解决，是课题中必不可少的一部分。 2 在苹果分级系统中，最后要实现分级操作，还必须让真正的分级操作者旋转电磁铁 将苹果弹出传送带落入对应级别筐中。本系统选用的旋转电磁铁其工作电流为o 7 5 a 。但是，在 一般情况f ，d s p 及其他1 v r l 芯片输出的电流最大不超过5 0 m a 1 ”，而要使旋转电磁铁正常工作， 此电流值远远不能满足要求，为此，须设计合适的电流放大电路以驱动分级系统的电机工作，这 就是开发设计这块分级执行机构电路板的初衷。 3 通用数字信号处理器( d s p ) 是一种专门用来实现信号处理算法的微处理器芯片，主要优 点有：硬件乘法器，哈佛总线结构，多种寻址方式，零耗循环( z e r oo v e r h e a dl o o p ) ，程序执行时 间可预测等。正是由于d s p 的诸多优点能够满足密集的数学计算，而且d s p 应用的另一个突出 特点是实时性，使其在通信、雷达、数字电视等领域得到了广泛的应用，而且日益渗透到人们的 日常生活的各个方面，但是它的通信接口控制能力比较弱，这就会影响d s p 的应用。对于实时性 要求较高的系统，如何实现d s p 与p c 机高速和可靠的通信问题就显得更加重要。 笔者所进行的课题基于d s p 的苹果动态分级系统，是以t i ( 德卅【仪器) 公司的 t m s 3 2 0 d a m 6 4 2 例像处理目标板进行开发，通过对实时采榘的图像分析处理，对苹果的大小、 颜色进行分级，需要通过控制端( 微机) 对d s p 端进行分级参数的初始化，并能实时获取d s p 端的分级信息，对通信的实时性有一定的要求，因此笔者选择了串口通信，并且希望通过对其原 有电路的扩展，使整个d s p 系统的通信能力能够达到我们的要求。 1 4 研究的目标和内容 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 1 研究目标 尽管国外已有相应的d s p 分级设备，但是国内的研究大部分都是静态研究，或是基于p c 机 的动态分级设备，而将d s p 技术应用在水果分级方面在国内魁史无前例的。由= 】二本人时间精力有 限，希望能为课题组解决分级系统中分级执行机构的问题以及d s p 与微机正常、快速通信的问题。 具体的目标如下： 1 开发一块能够满足不同用户的、可以正常驱动电机的分级执行机构电路板， 2 设计d s p 与p c 机串口通信的电路图。 3 完成串口通信的软件编写部分。 1 4 2 研究内容 1 解决d s p 输出电流小、不足以驱动电机的问题，完成分级执行机构电路板的设计与实现。 2 找到合适的办法扩展d s p 的串口通信功能，实现d s p 与微机的高速通信。 3 串口通信p c 端和d s p 端的代码编写。 4 编写分级驱动部分的程序。 第二章基于d s p 的苹果分级系统的概述 2 1 系统概述 图2 1 是本d s p 苹果分级系统的示意图，基本工作原理：输送装置连续输送苹果至摄像室， 摄像头对运动的苹果群体进行图像采集，d s p 首先对苹果图像进行预处理，然后对预处理后的数 据进行形状、尺寸、颜色和缺陷识别，将识别的结果与制定的标准进行比较分析，确定每个苹果 的质量级别，最后将计算结果作为分级信号传送给分级装置实现分级。 各种处理算法 j ， d s p 系统 个 上 分级参数传递 旋 撩口桨 转 2 f 编 码 分级执行机构 器 输送方向 。1， 上 分级区域 输送装置 2 2 硬件系统 围困圉 同 图2 - 1d s p 的苹果分级系统示意图 系统的硬件部分主要由输送装置、光照与摄像系统、d s p 系统及分级执行机构等几部分组成。 2 2 1 输送装置 输送装置的功能是传送苹果，使苹果呈一定的有序状态进入摄像室，由电机链轮传动下的仿 形辊输送机构组成。苹果在进入仿形辊输送机构前已完成清洗、打蜡等操作，之后进入仿形辊输 送机构。苹果在传送过程中，在仿形辊上由托架托着向前传输。 为了保证生产效率，在输送速度快的同时要保证系统运转平稳，以免产生高频振动而对苹果 造成损伤。由于摄像机所获得的苹果图像是以输送装置等为背景，要求输送装置的颜色与苹果的 颜色能明显分开，以便于后续的背景分离处理，因此本系统选择黑色背景。如图2 2 所示。 图2 - 2 输送装簧 同时，为了保证苹果分级时的准确定位，将o m r o n 公司的e 6 8 2 - c w z 6 c 型号旋转编码器 ( 图2 - 3 所示) 安装在输送链轮轴上并随链轮同步转动，该编码器每转一周产生6 0 0 个脉冲。旋 转编码器是三相信号输出，基有五根线，即：地线、电源线和三相信号线。 表2 - 1 旋转编码器基本参数说明 电压 5 - 2 4 v ( + 1 5 5 ) 电流最大8 0 m a 最大响应频率1 0 0 k h z 旋转速度6 0 0 0 r m i n 2 2 2 光照与摄像系统 图2 - 3 旋转编码器 光照与摄像系统主要由摄像室、c c d 摄像头和光源组成，其功能是通过c c d 拍摄得到清晰 7 中国农业丈学硕士学位论文第二章基于d s p 的苹果分级系统的概述 的苹果图像。摄像室内照明强度均匀摄像头成像清晰且颜色不失真，背景易滤除。因为该分级 系统是连续长时间地运转，从而对摄像机及光源的稳定性要求较高；通过c c d 摄像头连续拍摄 获得清晰的苹果模拟图像，为了保证每个苹果光照强度均匀、减弱镜面反射、颜色不失真，光源 采用在摄像室内壁两侧各安装七根2 2 0 v 、1 5 0 w 的卤钨灯。该灯具有近似连续的光谱，色温为 3 0 0 0 3 2 0 0 k ，显色指数火于8 5 。为保证光线柔和并具有散射性，在光源前面加制作灯箱专用的 塑料散射材料。 摄像头安装在与输送装置垂直的位置且摄像头与输送装置距离固定，对了二c c d 摄像头，采 用p a l 制采集方式，每秒采集2 5 幅图像，实现高速连续采集。如图2 4 所示。 2 2 3d s p 图像处理系统 图2 - 4 光照及摄像系统 该系统用以美国t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 为核心 器件，加上视频解码接口电路、视频编码接口电路、 存储器接口电路、u a r t 接口电路、以太网口接口电 路、1 ( 3 数字输出电路、j t a g 电路、复位电路、时钟 电路等电路，研发出图像处理开发板( 如图2 - s 所示) 。 d s p 目标板的功能是利用它的高速运算能力处理采集 的苹果图像，根据图像识别出苹果的品质级别，并将 识别结果转化为分级信号传送给分级装置。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片内核采用v e l o c t i 高级超长 图2 5d s 9 开发板实景图 中国农业大学硕士学位论文 第二章基于d s p 的苹果分级系统的概述 指令字( v l i w ) 体系结构【l “，使得一个指令周期能够并行处理多条指令；具有l i l 2 级c a c h e ， 其中l i p 、l 1 d 直接与内核连接，两块一级高速缓存分别为1 6 k b y t e s ，二级高速缓存为 2 5 6 k b y t e s ：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 通过外部存储器接口( e m i f ) 访闽外部存储器，最大总线速度 1 3 3 m h z 。e m i f 可以与s d r a m 、f l a s h 、c p l d 等外部存储器无缝直连；相对于t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ， t m s 3 2 0 d m 6 4 2 集成了三个v i d e op o r t ( 简称v p 口) ，支持i t u rb z 6 5 6 的视频数据流的输入和 输出，所以能与解码器和编码器的视频数据流无缝连接，省去采集和显示逻辑控制电路的设计， 同时v p 口中内置f i f o ，无需增加f i f o 芯片进行视频缓存。 图像处理开发板硬件结构原理图如图2 - 6 所示。该p c b 板设计为8 层印刷电路板，面积 1 7 4 1 0 7 m m 2 。 t m $ 3 2 0 d m 6 4 2 c v b s 。广 e m a c ：l 卧8 删 d e c o d e rv p om d l o 1 7 l b c m 5 2 2 1 s - v i d e o l s a a 7 1 1 5 - e m i f 剖勰。：。：c e 0 s 叫_ d 8 c 0 0 8 p 1 冈 v p i - i ! 竺：! 兰l 7 + 1 f e i c o d e r d 裟嗽。 + 一a a 1 1 2 1 1 1 v p 2 d 翥吲 c e l d 怒，锄 图2 - 6d s p 开发板硬件结构原理图 根据现有的分级机械设备和电子器件，并结合苹果分级的实际需要，搭建具有视频采集和显 示、计数端口、数字输出、串口通讯、以太网接口等功能的d s p 苹果分级系统。该系统具有如下 功能： 视频采集和显示 2 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 标准模拟视频输出， 用于实时采集2 条分级流水线的图像数据和实时显示视频采集图像数据和算法处理后的图像数 据。 9 数字i o 控制 一个计数端口与旋转编码器相连，记录脉冲数量，当脉冲数量达到一定数量时，将其清零a 8 个i 0 口通过驱动分级板。苦触发分级分级执行机构。 串口通讯 两路串口与p c 机通讯，用于从p c 机获取直径、圆形度、颜色等分级信息，在选定具体分 级信息后，将该信息传递到d s p 苹果分级系统。在分级完成后，将分级统计结果反馈回p c 机。 远程管理 符合t c p i p 协议。一个网络端口与p c 机网卡通讯，用来远程控制分级线。 t 作方式 独立1 = 作方式 复位方式 上电复位和手动复位开关复位 2 2 4 分级执行机构系统 分级执行机构的核心就是它的控制电路板和电磁继电器。控制电路板要求能够产生足够的电 流米驱动电磁继电器，并且要满足用户对苹果等级数量的要求。电磁继电器由衔铁和线圈组成， 有地线和电源线接出。电磁继电器通过衔铁吸合和弹开来实现苹果到达分级弹山点时，苹果弹出 输送装置而落入分级框中。图2 7 为设计完成的分级执行机构控制电路板的实景图，图2 _ 8 为电 磁继电器的实景图和参数。 图2 7 分级执行机构控制电路板 1 0 2 , 3 软件系统 2 , 31 软件系统设计 l电压 2 4 v i功率 18 w 图2 - 8 电磁继电器实景图及其参数 整个分级系统的软件部分大体上可分为苹果的尺寸大小识别、形状识别、颜色识别、缺陷识 别和苹果综合分级五个部分。苹果图像被采集到d s p 系统后，先对它进行一些必要的预处理，后 续的识别是根据苹果图像提取苹果相应的特征，并确定其分级级别。 整个苹果分级软件系统包括5 个功能模块：串v i 通讯功能模块，显示功能模块，采集功能模 块，处理功能模块和执行功能模块。 次。 各功能模块的功能如下 1 串1 3 通讯功能模块：接收计算机发来的分级参数。此功能模块只在系统开始运行时调用一 2 采集功能模块：采集图像。每1 2 5 秒执行一次。 3 处理功能模块：对图像进行处理，计算出苹果的等级，并把等级传送给执行功能模块。采 集功能模块结束后调用处理功能模块。 4 执行功能模块：根据苹果等级把它从相应出口处送出，通过编码器的数值定位。编码器每 计一个数调用一次。 5 显示功能模块：显示摄像头采集的图像，用于调试时使用。 总体软件设计分为d s p 底层软件设计和d s p 应用层软件设计。其中d s p 底层软件设计包括 视频采集显示驱动程序设计和i ( 3 控制模块中断服务程序设计，将其封装成库。以供d s p 应用层 调用。d s p 应用层软件设计包括任务分配与通讯、实时苹果图像处理算法，具体流程如下图( 图 1 l 2 - 9 ) 所示： 输送机构匀速运行 ! ! ! 皇望竺兰 厂磊孬司 i 记录旋转编码器脉冲数 苹警识别，做出分级判断。黜jj 1 分级信号输出 2 3 2c c s 集成开发环境 图2 - 9 软件总体工作流程图 本系统是在c c s 的环境下开发和调试的。c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 就是由t i 公司在1 9 9 9 年推出的专门针对t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的集成开发环境，开发者可以进行软件编辑、编译、 调试、代码性能、代码优化和项目的管理等 = ：作，除此之外，它还提供了实时分析调试和数据可 视化功能。如图2 1 0 所示。c c s 的文件来自三种类别：c 源文件；a s m 源文件和“h ”文件，通 过创建“p r o j e c t ”来编译，链接相应的1 i b 库函数和c m d 连接文件，晟后生成目标代码。 1 2 图2 一i 0t ic c s 项目管理和文件 c c s 集成了源代码编辑工具、代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析上具等多种丁 具，它除了包含h l l ( h i g h tl e v e ll a n g u a g e ) 调试器的主要特性外，还有以下特性”1 ： 1 完全集成的开发环境c c s 2 2 将t i 公司的编辑器，编译器，连接器和调试器等都集成到 它的开发环境中，崩户可以从菜单栏中选择t i 公司的各种工具，并且可以直接观察到流水线 编译结果。高度集成的源代码编译器。 2 可动态提示c 语言和d s p 汇编语言源代码，很容易的阅读和理解渊代码，及时发现和定 位语法错误。支持编辑和调试的后台编辑。用户在编译和调试程序时，不必退出系统而回到 d o s 系统，c c s 2 会自动将这些工具交互式的转载到它的环境中。对c 语言源文件和d s p 汇 编语言的目标管理。编译器能跟踪所有文件及其相关内容，这样，编译器只对最近一次编译中 改变过的文件进行编译。 3 文件探针在算法中通过文件提取或加入信号数据。c c s 2 允许用户从p c 机中文件直接读 取或写入信号流，而不是实时的读取输入信号，这样，用户可以使用已有的文件米仿真算法。 可以在后台执行d o s 程序。可以执行后台d o s 命令，并将其输出通过流水线的方式输山，允 许用户将应用集成到c c s 2 。 4 图形分析功能。具有强大的图形分析能力。方便的代数分解窗口。可以选择查看c 语言 格式的代数表达式，以便容易的读懂操作码。有在任何算法点观察信号的图形窗口探针。图形 显示窗口使用使用户能够观察时域或者频域内的信号。对于频域图，f f t 在p c 机上执行，以 便观察所感兴趣的部分而不需要改变他的d s p 代码。有状态观察窗口。c c s 2 的可视窗口允许 用户直接进入c 表达式及相关变量，结构，数组和指针等都能很简单的进行增加和减少，以便 进入复杂结构。2 。3 3d s p 肥i o s 中国农业大学硕士学位论文第- - 章基于d $ p 的苹果分级系统的概述 d s p b i o s 是一种实时操作系统，它集成在c c s 中。c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) ”“是t i 公司推出的一个集成性d s p 软件开发工具。d s p b i o s 系统配置中，全局配置和存储器设置是必 不可少的。其配置的正确直接影响到系统的运行效率。本系统的全局配置如图2 1 l ，d s p 时钟主 频6 0 0 m h z 。 d s p b 1 0 s 是针对d s p 的一个静态内核程序”5 1 ， 包括线程管理、通讯、定时、资源控制和分析等。通 过简单的静态配置即可实现对本系统多任务机制的有 效管理和调度。 d s p b i o s 由实时内核、实时分析和设备配置与管 理工具3 个部分构成。d s p b i o s 的实时内核部分包括 图2 - 1ld s p b i o s 全局配置 线程调度( 硬件中断h w i 、软件中断s w i 、进程t s k 图2 一1 2d s p b i o s 属性设置界面 和系统后台线程i d l ) 、同步( 信号旗s e m a p h o r e 、原子量a t o m i c 、队列q u e u e 、邮箱m a i l b o x ) 和 1 4 中国农业大学硕士学位论文第二章 基于o s p 的苹果分级系统的概述 通讯( 数据管道p i p 、数据流s i o 、主机接口h s t ) 。d s p b i o s 的实时分析部分提供了l o g 和 s t a t i s t i c s 模块，通过这两个模块可获取目标系统的运行状态和数据。在c c s 中还为d s p b i o s 配 备了一个图形化的静态配置工具，如图2 1 2 所示，利用图形化的配置工具可方便地对d s p 1 3 l o s 对象的属性进行设置i l “。 2 4 本章小结 本章根据苹果分级原理和现有的分级机械装置，总体论证一种切实可行的d s p 图像处理板 驱动分级子板结构的苹果分级系统设计方案、实现系统功能，完成了硬件平台总体设计和软件总 体设计。详细描述了苹果分级系统中视频采集显示模块的硬件连接。 中国农业大学硕士学位论文第三章分级执行机构设计与实现 第三章分级执行机构设计与实现 3 1 概述 分级执行机构系统包括一部分传送装置、控制电路板、旋转编码器和电磁继电器。当苹果丛 输送装置进入到摄像室时，程序会记住这时刻旋转编码器的脉冲数，苹果从摄像室到各级的分级 触发点处需要一段固定的距离，而这段距离的定位就是通过计算旋转编码器的脉冲数来实现的。 d s p 中断方式不断记录旋转编码器的脉冲数，以脉冲数进行苹果定位。当苹果前进了若干个脉冲 数到达分级点，执行苹果分级弹出。 前面已经提到，本系统是基于d s p 开发的，其输出电流点一般不超过5 0 m a ，但是本系统我 们选取的驱动电机其工作电流为o 7 5 a 左右，d s p 的输出电流不足以驱动分级系统的电机，所以 必须要设计开发出一套适合本系统的驱动电路的开发板来，并且在制图是要考虑到用户对苹果等 级数量的要求。 3 2 分级执行机构控制电路板的硬件构成 分级执行机构中的核心元器件就是电流放大器件，在此我们选用了达林顿管。 常用放大元件有放火器、普通三极管等。但这些元件构成放大电路实现合适的电流放大肘， 电路结构较复杂，同时由于旋转电磁铁在启动时还存在一个较大的峰值电流。普通三极管的放大 倍数和负载电流不能满足系统要求。分级系统要求能够正确稳定的触发分级，应该选用电路结构 较简单，影响因素较少，性能相对稳定的电路。由于达林顿管具有增益高、开关速度快、电路简 单等特点【1 7j ，广泛应用于音频功率输出、开关控制、电源调整、继电器驱动、高增益放大等电路 中，符合本系统的要求。 达林顿管采_ 肄! | 复合连接方式将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管 的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出e 、b 、c 三个电极。图3 - 1 是有两只n p n 或p n p 型晶体管构成的达林顿管的基本电路。设每只晶体管的电流放大倍数分别 符静p ，女5 黝恕f 蒴。# 馋3 驻 1 6 为h 1 、h 2 ，则总放大系数为h = h l x h 2 。 因此，达林顿管具有很高的放大系数，h 值可达几千倍，甚至几十万倍。内部均设有均衡电 路。大大提高了热稳定性和末级功率管的v c e 耐压。 此外，在电路设计中，还需要一些辅助的元器件，如电阻、二极管和与非门等等。 3 3 分级执行机构控制电路的电路设计 图3 - 2 ：单路驱动屯路图 本系统单路驱动电路如上图( 图3 - 2 ) 所示：系统选用t i p l 4 2 达林顿管。其性能指标：耐压 1 0 0 v 、电流5 a 、功率6 5 w 、电流放大倍数5 0 0 。原理图中，与a p - 1 77 4 l s 0 5 的作用是把d s p 端 过来的低电平转换为高电平。二极管d l 的作用是续流，由于旋转电磁铁是感性负载，突然断电 时，电流不会突然中断，可通过二极管将反向电动势泄放掉，防止将电子元件烧坏。r l 是上拉 电阻，作用是提高电流，因前路芯片的电流太小，大小不足以提供给达林顿管。“i ”标记为电机 的输入端“o ”标记为接电机的出口。 上述驱动电路的驱动原理是：当有高电平到来时，达林顿管导通，电源和电机通过达林顿管 与地构成回路，驱动电机作出弹起动作。当为低电平时，达林顿管截止，电机不动作。上述驱动 电路简单、实用、稳定，实验证明，能满足本系统的要求。 最后设计完毕的分级执行机构电路的原理图如f 图( 图3 - 3 ) 所示 1 7 中国农业大学硕士学位论文第三章 分级执行机构设计与实现 图3 - 3 ：分级执行机构电路原理图 为满足用户的分级需要，共设计1 6 路放大电路，最大可以支持到1 6 级的苹果分级，完全可 以满足不同用户的要求。电路板设计的最终制版文件如下图( 图3 4 ) ，左右两边各有两个羊角插 座，输入端用排线连接d s p ，输出端连接分级的电机。 图3 - 4 ：分级执行机构电路板制版图 1 8 中国农业大学硕士学位论文第三章分级执行机构设计与实现 3 4 功能测试 在分级执行机构中，旋转编码器起到了一个计数的作用，苹果从摄像室到各级电磁继电器处 的这段距离，是通过计算旋转编码器的脉冲数得出的，然后通过调用中断程序，驱动电磁继电器 弹出苹果。这里提到的中断程序，和第五章将要讲到的串口通信时的中断程序一样，是实时性软 件必不可少的要素。中断是为使d s p 具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中断发生时， d s p 停止运行正在运行的程序，转而处理相应的中断服务程序( i s ri n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ) ， 等处理完这些事件后，返回继续执行被暂时中断的程序。请求d s p 中断的请求源被称为中断源。 这些中断源可以是片内的，也可以是片外的。片外中断请求连接到芯片的中断管脚，如果这个中 断被使能，则d s p 开始处理这个中断，将当前程序流程转向中断服务程序。d m 6 4 2 可以接收的 中断源有1 4 个，在这1 4 个中断源中，r e s e t 是复位中断、n m i 是不可屏蔽中断，另外1 2 个 ( i n t 4 - i n t l 5 ) 属于可屏蔽中断，可以在相关寄存器中选择由哪些事件产生这1 2 个中断。而测试 控制电路板是否可以正常使用，就是要判断是否可以通过编写的分级软件来正常驱动电路板上的 1 6 路放大电路，从而驱动电磁继电器弹落苹果。分级部分软件的流程图如下： 豳s ? ( t p l d 计酸并审溃中辎酌缓捧液程圈 经过大量的实验证明，无论苹果所分的等级是有序的还是无序的，系统上的所有电磁继电器 均可正常工作弹落苹果，也就是证明了分级执行机构控制电路板的16 路放大电路均是有效并可 靠的。 1 9 中国农业大学硕士学位论文第四章d s p 系统与上位帆离逮串口通信的硬件设计 第四章d s p 系统与上位机高速串口通信的硬件设计 4 1 概述 在d s p 系统中实现同步串口转异步串口的方案很多，归纳起来主要有以f 四类 1 在d s p 的并行总线上扩展u a r t 芯片，用硬件实现异步数据传输。有点是软件实现简单 缺点是在总线上还需扩展其他设备，这样做使系统体积增大。 2 利用d s p 的m c b s p 和d m a ，在不扩展其他硬件的情况下，用软件实现异步数据传输格 式。这种方法的优点在于硬件简单，但软件复杂