（电路与系统专业论文）基于IEEE1394接口的实时图像采集系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 管制药用玻璃瓶在生产和罐装之前要经过清洗和检验这两道工序，以 确保其符合生产技术标准。依靠光学技术、高分辨率摄像技术和图像处理 技术来对玻璃瓶进行非接触检测的视觉检测装置，具有信息处理量大，速 度快，精度高等优点，可以有效克服人工验瓶的不足，大大提高了生产效 率和生产的自动化程度。 本文针对空瓶视觉检测的特点，论述了系统的总体设计方案。开展的 主要研究工作如下： 一、比较了目前国内外已有的几种视觉检测系统，设计了一种用于视 觉检测的实时图像处理器的应用模型。 二、采用t i 的13 9 4 控制芯片t s b 4 3 a a 8 2 a 实现了13 9 4 外设端接口电 路的设计。 三、根据建立的实时图像处理器的应用模型，选取了相应的硬件，基 本完成了系统的硬件电路设计。 四、以t m s 3 2 0 c 6 4 16 为核心，对图像采集和传输软件进行了设计和 开发。 本文目的是根据i e e e 一13 9 4 系统体系结构，迸一步了解其接口芯片结 构，完成图像采集处理电路的设计，为运动图像分析打下良好的基础。所 以文中重点论述了基于1 e e e 一13 9 4 总线的图像采集电路的设计思想和方 法，解决了实际开发过程中遇到的一些困难。本论文的研究和实践对于理 解1 e e e 一1 3 9 4 和开发外设端的接口电路具有良好实用意义和参考价值。 关键词：图像采集，图像处理，图像传输，i e e e 一13 9 4 高速串行总线，d s p a b s t r a c t t om e a s u r eu pt h e r e q u e s t s ，l i q u i dm e d i c i n eb o t t l em a d ef r o mp i p em u s tb ew a s h e d a n di n s p e c t e db e f o r eb e i n gb o t t l e d b o t t l ev i s u a li n s p e c t i o ns y s t e mu s i n go p t i c st e c h n o l o g y , c c dt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a l l i n s p e c tb o t t l ew i t h o u ta n yt o u c h t h ea d v a n t a g e so ft h e e q u i p m e n ta r eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n m o r e o v e ri tc a r l o v e r c o m et h e s h o r t a g eo fh u m a n se y e sa n di m p r o v eg r e a t l yp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d a u t o m a t i o nd e g r e eg r e a t l y a i m i n g a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f b o t t l ei n s p e c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e p r o j e c ta saw h o l e t h em a i n w o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 c o m p a r e dt h ev i s u a li n s p e c t i o ns y s t e m sa tp r e s e n ti nt h ew o r l d ，a na p p l i c a t i o n m o d e lo f t h ei m a g ep r o c e s s o rf o rv i s i o ni n s p e c t i o ni sd e s i g n e d 2 d e s i g n e dt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c eb o a r do nt h eb a s i so ft h e13 9 4c o n t r o l l e rc h i p ， t s b 4 3 a a 8 2p r o d u c e db yt ic o r p 3 a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o nm o d e l ，h a r d w a r ei ss e l e c t e df i r s t l y , a n dt h e np a r t i c u l a r h a r d w a r ec i r c u i t i so fi m a g ea c q u i s i t i o ni sd e s i g n e d 4 d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h ea c q u i s i t i o na n dt r a n s f e rp r o g r a mo fi m a g eo nt h e b a s i so f t m $ 3 2 0 c 6 4 1 6 t h ep a p e r sp u r p o s ei st os t u d yt h ea r c h i t e c t u r eo fi e e e 一13 9 4a n dt of i n i s ht h ed e s i g n o fi m a g ec a p t u r ea n dp r o c e s s i n gc i r c u i t f i n a l l yw ec a nl a yag o o df o u n d a t i o nf o rm o t i o n a n a l y s i si ni m a g e s ，t h eh a r d w a r e ，f i r m w a r ei st h em a i nf o c u so fo u rp r o j e c t ，s ow e e m p h a s i z eo nt h ei d e aa n dm e t h o do ft h ec i r c u i td e s i g n t h er e s e a r c ha n dp r a c t i c ep o s s e s s c e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dr e f e r e n t i a lv a l u ei nu n d e r s t a n d i n gi e e e l3 9 4 a n d d e v e l o p i n gt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t k e yw o r d s ： i m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g et r a n s f e r , i e e e 一13 9 4 h i g h s p e e ds e r i a lb u s ，d s p 图表清单 2 1 协议模型 2 - 21 3 9 4 的6 针线缆与连接 2 一l 线缆信号 2 - 31 3 9 4 拓扑简介 2 2 地址格式 2 - 3 异步传输的最大数据块长度， 2 4 等时传输的最大数据块长度 2 4 在不同的操作阶段串行的节点配置 2 - 5 总体线缆配置时间 2 - 6 重置前的节点树 2 7 添加新设备并且重置总线后的节点示例 2 - 8 树标识过程之后的总线 2 - 9 自标识过程之后的总线图 2 - 5 正常仲裁期间的线状态 2 1 0 两个节点通过发出仲裁信号开始仲 2 1 1 仲裁信号到达根节点和授权信号返回 2 1 2 仲裁结束2 传输数据包的开始 2 1 3 异步仲裁和公平间隔 2 1 4 等时仲裁 2 一】5 数据选通信号， 2 - 1 6 异步包的通用格式( 表中单位为b i t ) 2 1 7 确认包格式 2 18 等时包的格式 2 19 异步事务 2 2 0 等时事务 3 一l 管制玻璃瓶视觉检测系统功能框图 3 2 系统工作流程 3 3 管制瓶质量检测实验系统平台 3 4 检测系统成像装置示意图 4 1t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 芯片结构 4 2t s b 4 3 a a 8 2 a 的内部结构 4 3 读写时序关系图 4 4b u l k y 接口模式 4 。l 数据包字段描述 4 - 2 数据包字段描述 一舯m他肥他h h”m”甜姐”m抖弱”如如加蛆铊 图图表图表表表图图图图图图表图图图图图图图图图图图图图图图图图图图表表 4 - 3 事务代码 4 - 5d s p 与外围器件接口框图 4 - 6 外部器件接口示意图 4 7t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 与t s b 4 3 a a 8 2 a 的接口 4 8t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 与f l a s h 的接口， 4 9t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 与s b s r a m 的接口 4 1 0t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 与s d r a m 的接口 4 - 1 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 时钟系统 4 1 2d s p 监控复位系统 4 - 1 3d s p 与u s b 控制器的接口 4 一1 4d s p 电源供电系统 5 1 系统软件的主体结构图 5 2 从a r f 接收数据包的流程 5 3 从a r f 发送数据包的流程 5 - 4 寄存器数据的存储顺序 5 。5 最小配置r o m 格式 5 - 6 一般r o m 格式 5 7b u si n f ob l o c k 的格式 5 - 8 接1 ：3 板系统的c o n f i g r o m 格式 5 9 系统采集的源图像 5 1 0 处理结果 4 3 4 3 4 3 4 4 4 5 4 5 4 6 4 7 4 7 4 9 4 9 5 1 5 4 5 4 5 5 5 5 5 5 5 6 5 7 5 8 5 8 表图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所学交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒目b 些叁堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同_ t 作 的同占对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者婶考亩粥签字臁加占年多月舳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目b 王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采_ f j 影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名务尚店 签字日期：加占年6 月偿日 学何论文作者毕业后去向 t 作单1 ：i 7 = ： 通讯地址i 导师签名 签字日期 电话 邮编 ，77日 致谢 转瞬间，近三年的硕士研究生求学生涯即将结束，虽然短暂而匆忙，但这 期间，在合肥工业大学所度过的美好而充实的时光将是我终生无法忘却的记忆! 在走向人生的另一个阶段之际，我向所有关心、支持我的人表示深深的敬意和 诚挚的感谢! 本论文是在鲁昌华教授的悉心指导和关怀下完成的。鲁老师渊博的学识、 丰富的实践经验、求实创新的开拓精神、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作 风以及活跃的思维使我认识到了学海无崖和时间的紧迫，也引导我在学习中不 断进步，同时鲁老师忘我的工作热情、坦诚待人、豁达开朗和积极进取的生活 态度深深地感染了我，他的言传身教将使我终生受益，激励着我更加从容、更 加坦然地面对学习、工作、生活中所遇到的困难和挫折。 感谢所有传授给我知识的老师，您们的博学和精深使我感到谦卑，也使我 远离浮躁，走向宁静。 感谢合肥工业大学智能检测研究室的蒋微微老师，乔永伟、张菲菲、苌凝 凝等同学，以及已毕业的张平等学兄学姐和正在刻苦钻研的学弟学妹们，在课 题实验、论文撰写过程中他们给我提出了宝贵的意见，感谢他们的无私帮助和 兄弟般的友爱。 最后，谨以此文献给养育我的父母和一直默默支持我的爱人以及我天使般 的女儿，她们给了我家庭的温暖也使我明白了肩上的责任，也使我愈加走向成 熟。 常怀感恩之心回味生活，体验人生! 在此唯有感谢! 张尚庙 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 计算机视觉是利用计算机等技术模拟人的视觉功能，从图像中提取信息的 技术科学。视觉检测是建立在计算机视觉基础上的一门新兴的检测技术，利用 计算机视觉手段获取被测物体图像( 或提取出其特征参数) 与预先已知标准进行 比较、判断，从而确定被测物体的状况。并做出相应的反应。视觉检测具有非 接触、速度快、现场抗干扰能力强等突出优点。 管制药用玻璃瓶在生产以及药品厂家罐装之前必须对玻璃瓶进行多项指标 的检测。传统的检测方式为人工检测，精度和速度都难以保证。利用基于视觉 的空瓶验瓶技术来对玻璃瓶进行精确的非接触性检测，极大的提高了空瓶检测 的速度和准确性，同时也降低了人力成本、提高了生产效率。 本章主要介绍了视觉检测技术的概述与发展，视觉检测的必要性及意义， 以及基于机器视觉的管制药用玻璃瓶检测技术及其国内外目前的研究现状。最 后，对本文的主要研究工作、章节安排进行了说明。 1 1 视觉检测技术概述与发展 1 1 1 视党检测概念的引入【1 h 3 l 检测技术是现代工业的基础技术之一，是保证产品质量的关键。在现代工 业生产中，涉及到各种各样的检测，例如汽车零配件尺寸和自动装配的完整性， 电子装配线的元件自动定位，饮料瓶盖的印刷质量，产品包装上的条码和字符 识别，电路板焊接的好坏等。这类应用的共同特点是连续大批量生产、带有高 度重复性和智能性、对质量的要求非常高。有些时候，不仅仅要求外观的检测， 同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度，圆孔的直径，形状的匹配，以 及基准点的坐标等。 现代产品的制造精度大大提高，要求相应高精度的检测方法，用人眼根本 无法连续稳定地进行。现代制造业强调实时、在线、非接触检测，确保对制造 过程实现全面控制，提高生产效率和产品的合格率。如靠人工检测来完成，在 给工厂增加巨大的人工成本和管理成本的同时，仍然不能保证检测的精度和速 度。传统的检测技术己不能满足现代制造业的需要，制造业的发展要求相应的 新的产品检测技术。这时，人们开始考虑把计算机的快速性、可靠性、结果的 可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了计算机视 觉的概念。 计算机视觉是研究用计算机模拟人和生物的视觉系统功能的技术科学，就 是让计算机具有对周围世界的空间物体进行传感、抽象、判断的能力，从而达 到识别、理解的目的。视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的门新 兴检测技术，和计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉 检测技术利用计算机视觉研究成果，重点研究物体的几何形状尺寸及物体的空 间状态。它作为一种检测手段己经越来越引起人们的重视，并逐步形成一种新 的检测技术一一计算机视觉检测技术，广泛的应用于工业、商业等领域。 利用光学技术、高分辨率摄像技术和图像处理技术等计算机视觉手段对被 测对象的形状、尺寸、距离和运动特征( 方向和速度) 等进行测量和判断，具有 在线非接触检测，生产效率和产品合格率高等诸多优势，这是许多传统的检测 手段无法提供的。 视觉检测的一般过程：首先，采用c c d 摄像机摄取目标的图像信息，传送 给专用的图像处理系统，转变成数字信号，然后采用先进的硬件与软件技术对 图像信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：边缘、面积、长度、数量、位 嚣等，并由此实现模式识别，坐标计算，灰度分布图等多种功能；最后，根据 预设的阈值和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、个数、合格不合格等，并 发出指令，配合执行机构完成位置调整，好坏筛选，数据统计等自动化流程。 1 1 2 视觉检测技术在工业生产中的应用 视觉检测技术强调的是精度和速度，以及工业现场环境下的可靠性，具有 非接触、可在线、客观、自动化等突出优点，极其适用于大批量生产过程中需 要重复检测相同部件或产品的场合，非常适合于现代制造业的产品检测，可用 于工业的很多方面。一些不适于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足 要求的领域，如：零件尺寸、角度测量，零件形状、位置、加工精度、缺陷检 查，零件装配完整性，特性、字符识别，微电子器件检测，工业机器人视觉引 导，锅炉火焰检测等，视觉检测技术都有重要的应用价值【5 7 1 - 6 0 1 。 其最大的应用行业为电子工业，如高速贴片机上对电子元件的快速定位， 对管脚数目的检查，对i c 表面印字符的辨识：其次是汽车、制药、纺织、包装、 食品加工、医学等，如对汽车仪表盘加工精度的检查、胶囊生产中对胶囊壁厚 和外观缺陷的检查、轴承生产中对滚珠数量和破损情况的检查、食品包装上面 对生产日期的辨识、对标签贴放位置的检查。此外，在许多其它方法难以检测 的场合，利用视觉检测系统可以有效地实现。 己经研究的汽车车身视觉检测系统、无缝钢管直线度、截面尺寸视觉检测 系统、微电子器件封装引脚平面度视觉检测系统、啤酒瓶在线视觉检测系统等 实际应用系统显示了视觉检测技术具有良好的应用前景，【”卜【6 “。 2 1 1 3 视觉检测技术的发展 计算机视觉是一门新兴的发展迅速的学科，八十年代以来，计算机视觉的 研究已经历了从实验室走向实际应用的发展阶段。从简单的二值图像处理到高 分辨率多灰度的图像处理，从一般的二维信息处理到三维视觉机理以及模型和 算法的研究都取得了很大的进展。而计算机性能的飞速提高以及人工智能、并 行处理和神经元网络等学科的发展，更促进了计算机视觉系统的实用化和应用 于许多复杂视觉过程的研究。大部分工业视觉系统主要用在检测方面，用于提 高生产效率、控制生产过程中的产品质量、采集产品数据等。 国外对视觉系统的研究时间长，技术比较成熟。目前已经有几家公司生产 和出售该类产品，主要集中在美国和德国，以美国n i 公司和德国s i e m e n s 公司 为代表。美国n i 公司的基于p c 的视觉检测系统，在使机器视觉和运动控制功 能与其被广泛应用的l a b v i e w 虚拟仪器软件相结合方面做的比较突出 3 1 。 德国s i e m e n s 公司在1 9 9 9 年推出的智能化工业视觉系统s i m a t i c v s 7 1 0 ， 提供了一体化的、分稚式的高档图像处理方案】。它将c c d 、图像处理器、i o 集成在一个小型机箱内，提供p r o f i b u s 的联网方式或集成的i o 和r s 2 3 2 接 口。通过p cw i n d o w s 下的p r o v i s i o n 参数化软件进行组态。具有集成数字化照 相机和快速图像处理器，标准连接接口，p r o v i s i o n 组态软件等优点。 而在国内，工业视觉系统尚处于概念导入期，各行业的领先企业在解决了 生产自动化的问题以后，已开始将目光转向视觉测量自动化方面，主要代表有 中科院自动化所和北京凯瑞德公司。总之，随着机器视觉技术自身的成熟和发 展，可以预计它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。 1 2 视觉检测的必要性和意义 3 1 通常，检测和质量控制都是由人工来完成的。虽然人工检测在很多场合可 以比机器检测效果更好，但是人工慢于机器，并且在一些乏昧和条件恶劣的检 测场合，很容易使人变得疲劳，降低检验的准确性。在一些场合需要快速重复 的获得确切的信息，还有一些危险场合，如水下、化工、核工业等检测场合对 人体有害，靠人工很难实现。 因此，随着生产过程的高度自动化和产品质量的日益提高，在有些工业生 产中，必须使用更有效、更精确和高速度自动检测手段。图像处理技术的日益 完善和可靠，成本日益降低，推动视觉检测技术广泛应用于工业领域。利用图 像处理及计算机视觉技术进行检测可以有效的解决上述诸多的现实问题，取代 人工检测。 视觉检测的应用正越来越多地代替人去完成许多工作，很好的满足了现代 制造业的需求，这无疑在很大程度上提高了生产自动化水平和检测系统的智能 水平。用视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产自动化程度，保证产品质 量，而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术，是 一种很有前途的产品检测手段。 1 3 课题来源和意义 本课题来源于合肥市重点科研计划项目( 合科2 0 0 6 2 7 】) 一一管制药用玻璃 瓶综合特性检测系统研制。 管制药用玻璃瓶在生产以及药品厂家罐装之前必须对玻璃瓶进行多项指标 的检测，空瓶检测主要包括瓶底检测、瓶壁检测、瓶口检测、内径、外径、垂 直轴偏差和瓶内残留液检测几个部分，具有处理信息量大，速度快，精度要求 高等特点。目前，在罐装速度为5 0 0 0 只班产的管制药用玻璃瓶生产线己相当 普遍，快的可以达到8 0 0 0 只班产左右。按此情形，单靠人眼在如此之高的速 度下进行检测，很难保证检验结果的正确性和稳定性。 由于视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计 信息以及加工控制信息集成。因此，基于机器视觉的空瓶验瓶机便逐渐为玻璃 瓶生产厂家所接受。空瓶验瓶机主要依靠高分辨率摄像技术和光学技术来对生 产线上的玻璃瓶进行精确的检测，瓶口、瓶底、瓶壁等每个检测项目都有c c d 摄像镜头对其进行摄像，图像处理单元将模拟视频图像转化成数字图像，并通 过高速计算和分析来判断输送带上高速运动的空瓶是否有异物或瑕疵，识别出 其中不合格的瓶子，将驱动机械联动装置进行筛选。采用视觉检测技术避免了 人工检验时，长时间工作在强光照射下对眼睛的伤害，并杜绝了人的主观随意 性而造成的误判，提高了空瓶检测的速度和准确性，同时也降低了人力成本， 提高了生产效率。 该技术跨越了多个学科的专业知识范围，需要各学科的融合。检测系统主 要涉及到了机械工程技术、电气、自动化、计算机软硬件技术、人机接1 3 技术、 电子电路设计、光源照明技术、光学成像技术、模拟和数字视频技术、传感器 技术、数字信号处理，数字图像处理技术、模式识别和人工智能等各个方面的 知识和经验，这些相关技术相互协调才能构成一个成功的玻璃瓶各项参数和杂 质检测系统。 在国外发达国家，对玻璃瓶检测研究时间长，技术比较成熟，已经有几家 公司生产出售该类产品。美国工业动力机械有限公司开发了两种检测系统p 】： 采用传感器技术的空瓶验瓶机和采用摄像技术的全方位空瓶检测机。传感器技 术空瓶验瓶机采用高分辨率的双基座扫描系统检测瓶底的异物。此外还配合颜 色自动补偿系统、检测残余物的红外线检测技术、瓶1 3 破碎检测器、瓶高检测 4 器等，对空瓶的厚度、密度、瓶口及残余物等进行精确检测。 我国管制药用玻璃瓶除少数几种尺寸有国家统一标准外，大多数规格千差 万别，如瓶高、瓶底和瓶壁的厚度，以及药瓶的垂直度、对称度等参数指标都 有较大的差异，玻璃瓶生产厂家通常根据药液厂家的要求进行生产，这就使得 花巨资购进的进口设备难以发挥其应有的作用。因此，设计出具有自主知识产 权的空瓶验瓶机对我国管制玻璃瓶生产装备的国产化有重要的社会效益和经济 效益。 国内对玻璃瓶的自动检测于近几年开始起步，在空瓶检测技术上已经取得 了一些成果，但多是采用了国外公司比较成熟的技术和算法，产品也不成熟。 国内生产此种设备的比较先进的厂家主要有北京凯瑞德图像技术有限责任公 司，其设备主要采用p c 机作为平台，配以模拟c c d 加图像采集卡。这种系统 结构在低速测量情况下可获得较好的效果。但是随着生产工艺的不断改进，生 产效率的不断提高，这种系统结构固有的局限性限制了其进一步的应用：首先 模拟c c d 输出的视频信号其帧率固定为2 5 或3 0 f p s ，这就限制了设备的测试率 只能远小于每秒2 5 或3 0 个，这与日益提高的生产率是背道而驰的；再者，以 p c 机作为平台将使整个系统性能受制于p c 机，对于快速、连续的图像处理来 讲，专用的d s p 图像处理器更具优势。因此本课题结合当前电子技术和图象处 理技术的最新发展，设计了一套基于d s p 和高速数字面阵c c d 摄像机的分布 式检测系统。并对相关问题进行了研究。 根据市场调查发现，2 0 0 4 年国内年产各种型号管制玻璃瓶愈1 0 0 亿只”“， 生产厂家近千余家。另外还有使用管制玻璃瓶的药液生产厂家。为此研制管制 玻璃瓶综合参数检测系统，实现生产流水线在线自动测量瓶高、瓶口瓶颈瓶 壁厚度、直径、对称度、识别瓶壁中气泡、瓶中残留物并根据标定值进行判断， 同时驱动机械联动设备。解决目前我国在生产管制玻璃瓶过程中的综合参数测 试靠人工手动完成，存在速度慢、精度低、主观随意性大等问题。该系统不但 具有精度高、使用方便、功能齐全、价格低廉、工作可靠等特点。而且将采用 结构化方法设计，系统稍加修改即能适用于啤酒瓶、以及其他规则玻璃容器的 测试需要，可以拓宽系统的使用领域，可从整体上提高产品的质量，节约企业 成本的同时提高了企业的生产效率和经济效益。由此可见该项目的研究和科研 成果的产业化后，具有极其显藉的市场前景，同时该项目的实旌对我国自动测 试系统领域的技术进步起到积极促进作用。 1 4 本文的主要研究工作 本课题的最终目标是建立个完整的应用于管制药用玻璃瓶实时在线视觉 检测系统。本文从探索d s p 新应用领域的角度出发，将d s p 技术应用于视觉 检测领域。 通过对管制药用玻璃瓶实时在线检测系统的研制，为玻璃瓶的生产商或直 接选用玻璃瓶产品的药品厂家提供可借鉴的测试方法、设备及相应的理论依据。 研究了基于d s p 的图像处理技术，并在理论研究的基础上，开发了具有一 定通用性的基于d c a m ( 数字摄像机) 和d s p 的实时图像处理器，并对图像分 析、处理和识别等算法在d s p 上的实现技术作了研究。从课题实际情况来看， 本文主要围绕以下问题进行研究： 1 建立什么样的应用模型。 2 硬件的选取和设计。 3 系统的软件设计。 针对以上几个问题，本文作者主要完成了以下的任务： 设计了视觉检测系统中最重要的一部分一一基于d s p 的实时图像处理器。 采用d c a m + d s p 的新型结构，d c a m 采用逐行扫描，目前帧率可达6 0 1 2 0 f d s ， 可有效克服模拟c c d 摄像头的局限性，适合于高速的图像采集，而d s p 具有 运算速度快，存储量大等优点，适于图像运算，把d c a m 和d s p 有机的结合起 来，能适用系统实时图像采集和处理的需要。 根据图像处理器的模型，选取相应的硬件，完成了图像处理器的电路原理 图设计。 在c c s 2 0 开发平台上使用c 语言和d s p 汇编语言开发了图像处理与图像 识别算法软件，程序采用模块化结构，各算法可以独立运算，也可以组合起来 完成空瓶检测的任务。 1 5 本文章节安排 本文共分六章，第一章为绪论，首先对视觉检测技术的概述、发展及意义 等作了简单的介绍，然后介绍了基于视觉的管制药用玻璃瓶检测技术及其研究 现状，并在本章的最后简要介绍了本文的主要研究工作和本文的章节安排。第 二章为i e e e 一1 3 9 4 协议介绍及通讯原理，对i e e e 一1 3 9 4 协议的提出、特点和发 展现状进行了综述；并简要地介绍1 3 9 4 协议的总体框架及通信原理。第三章阐 述了管制药用玻璃瓶视觉检测系统结构的总体设计方案，以及利用d s p 和 d c a m 实现的基于1 3 9 4 接口的实时图像处理器的总体设计。第四章首先根据建 立的应用模型选取了相应的硬件，然后分别针对各个功能单元的特点，介绍了 具体的硬件设计，并阐述了所设计的图像处理器的性能特点。第五章根据建立 的系统模型及硬件，讨论了实时图像处理器的软件实现技术，介绍了系统的软 件设计及调试。第六章对本文所作的工作做了一个简单的总结，并对后续的工 作提出了展望。 6 第二章i e e e - - 1 3 9 4 协议及通信原理 2 1ie e e 一1 3 9 4 概述阡【9 p c 机从其诞生以来就采用了总线结构方式。先进的总线技术对于解决系统 瓶颈，提高整个微机系统的性能有着十分重要的影响。因此在p c 机二十多年 的发展过程中，总线结构也不断地发展变化。当前总线结构方式己经成为微机 性能的重要指标之一。在微机系统中除了采用总线技术外，还采用了标准接口 技术，其目的也是为了便于模块结构设计，可以得到多个厂商的广泛支持，便 于生产与之兼容的外部设备和软件。接口一般是指主板和某类外设之间的适配 电路，其功能是解决主板和外设之间在电压等级、信号形式和速度上的匹配问 题。因此不同类型的外设需要不同的接1 ：3 ，不同的接口是不通用的。例如，硬 盘和软盘驱动器的接口是不兼容的，因此不能在硬盘接口上接入软盘驱动器。 另一方面，由于目前的一些新型接口标准，如i e e e 1 3 9 4 等，允许同时连接多 种不同的外设，因此也把它们称为外设总线【4 卜f 6 。 21 1e e 卜13 9 4 的提出 i e e e 1 3 9 4 是一种串行接口标准，这种接口标准允许把电脑、电脑外部设 备、各种家电非常简单地连接在一起。1 3 9 4 标准定义了两种总线数据传输模式， 即：b a c k p l a n e ( 背板1 模式和c a b l e ( 线缆) 模式。其中b a c k p l a n e 模式支持1 2 5 ， 2 5 ，5 0 m b p s 的传输速率；c a b l e 模式支持1 0 0 ，2 0 0 ，4 0 0 m b p s ( 1 3 9 4 a ) 的速 率。所以我们既可以把他称为总线，也可以把他称为接口。i e e e 一1 3 9 4 的原型 是运行在a p p l em a c 电脑上的f i r e w i r e ( 火线) ，由i e e e 采用并且重新进行了规 范。它定义了数据的传输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能， 以增强电脑与外设如硬盘、打印机、扫描仪，与消费性电子产品如数码相机、 d v d 播放机、视频电话等的连接能力。 2 1 2l e e e 一1 3 9 4 的特点 作为一种数据传输的开放式技术标准，i e e e 一13 9 4 被应用在众多的领域。 首先，i e e b 一1 3 9 4 总线是一种比并行总线便宜的设计。也许有人会认为像i d e 或p c i 这样的并行总线似乎更加可取，因为更多的导线将提供更大的带宽。其 实，并行端口非常复杂，相对于串行总线来说需要更多的软件控制，而且系统 开销也很大。因此，并行接口不一定能够提供更快的传输速率，此外，价格也 是一方面的因素。更多的控制软件和连接导线都会增加技术实现的成本。而且 并行导线容易产生信号干扰，解决这一问题同样也需要增加费用。相对于并行 总线，串行总线的另外一个优势就是节省空间。串联线体积更小，使用更加方 便。 此外，与同类的串行总线相比1 3 9 4 也具有很多优点： 可升级性：支持1 0 0 ，2 0 0 和4 0 0 m b s 的速度； 热插拔：无需将系统断电就可盼动态加入和移除设备： 即插即用：每次加入或移除设备时，总线会自动枚举，节点会自动配 置，无需主机干预； 支持点到点：串行总线设备能自主执行事务，无需主机c p u 的干预： 资源占用少：允许设备之间直接进行通信，占用的系统资源更少。 i e e e 一1 3 9 4 还有其他一些优点，由于这些优点使其可以实现一些其它的总 线所不能完成或不便完成的任务。 下面我t 1 来分析一下常用视频和音频数据的传输速率( 标准情况下) ： 高品质视频图像数据= ( 3 0 帧秒) x ( 6 4 0 x 4 8 0 象素) x ( 2 4 位色象素) = 2 2 1 m b p s 高品质音频数据= ( 4 4 1 0 0 音频采样秒) x ( 1 6 位音频采样) x ( 2 立体声声 道) = 1 4 m b p s 压缩的视频图像数据= ( 1 5 帧秒) x ( 3 2 0 x2 4 0 象素) x ( 1 6 位色象素) = 1 8 m b p s 压缩的音频数据= ( 1 1 0 5 0 音频采样秒) x ( 8 位音频采样) x ( 1 立体声声 道1 ；o i mb p s 可以看出：采用i e e e 一1 3 9 4 可以轻而易举的完成这些数据的传输工作，所 以我们选用13 9 4 来作为我们的接口。我们主要是希望利用其速度上的优势来实 现大批量数据的实时传输。 2 1 3j e e e 一1 3 9 4 的发展现状州 i e e e 一1 3 9 4 在计算机家用电器以及工业自动化领域的应用已经很广泛了。 许多新的音频视频应用都采用了i e e e 13 9 4 接口，如数字电视( d t v ) ，家庭网 络等，而且随着市场的逐步扩大和应用的标准化，i e e e 1 3 9 4 成为数字录像机 的标准接口和欧洲数字视频广播d v b 的标准数字电视接口。此外大部分新外 设都支持i e e e 1 3 9 4 ，如具有1 3 9 4 接口的扫描仪和打印机。美国国家标准局定 义的串行总线协议s b p 中s c s i ，3 也支持i e e e 1 3 9 4 。从这些方面都反映出i e e e 1 3 9 4 规范已经越来越广泛的被大家认可和使用并进入了一个标准化的阶段。 随着i e e e 1 3 9 4 技术的不断发展，其应用领域也在不断扩大。目前 i e e e 一1 3 9 4 还主要应用于商业和民用产业，而且主要集中在要求高速率大批量 数据传输的场合，如多媒体数字视频，大容量存储器和家庭网络等。13 9 4 产品 的出现已经改变了我们现有的多媒体观念，突破了以往由于传输介质的限制， 实现了各种高速轻便的计算机设备。 作为一种数据传输的开放式技术标准，i e e e 1 3 9 4 被应用在众多的领域。 目前来说，i e e e 1 3 9 4 技术使用最广的还是数字成像领域，支持的产品包括数 字相机或摄像机等。然而i e e e 1 3 9 4 的潜在市场远非这些，无论是在计算机外 设还是网络互连等方面都有其广阔的用武之地。 本课题采用i e e e 1 3 9 4 接口进行图像的实时采集工作，同时对采集的图像 进行实时处理，为最终对运动图像进行分析开辟了一个高速通路，在此基础上 还可以对所采集的图像采用一定的视觉处理算法。即构成一个高速的机器视觉 处理系统。 考虑到本课题侧重于应用的目的，我们没有在协议本身上花费很大功夫， 而是主要分析了接口时序及控制芯片的使用，在完成图像采集的任务后，可以 适当考虑协议本身的问题。 、 2 2i 旺e 一1 3 0 4 协议什例 2 2 1 协议的总体框架 为简化硬件和软件的实现，i e e e - 1 3 9 4 共定义了4 个协议层，每层定义了 一套相关的服务用于支持配置、总线管理及在应用程序和1 3 9 4 协议层之间的通 信。单个节点中各层之间的关系如图2 1 所示。 软件驱动器 总线管理接 | 异步事务接口等时事务接口 管理层服务 总线 管理器 等时资源 管理器 节点控制器 事务层服务 事务层( 读、写和锁定) 链路层 圈凰匿 物理层 圆匾厨 圆圈圃固 图2 1 协议模型 4 个协议层包括： 总线管理层一一负责总线配置和每个节点的活动管理。 事务层一一支持有关异步传输读取、写入、锁定操作的控制及状态 寄存器( c s r ) 结构请求响应协议。该层在请求者和响应者中都存 在。此外，该层不提供任何用于等时传输的服务，等时传输是由应 用程序直接驱动的。 链路层一一将事务层请求和响应转化为相应的数据包，准备发送到 串行总线上。该层还对接收到的等时或者异步包进行地址或信号解 码，c r c 错误检测也在这里完成。 物理层一一提供了在串行总线上传送的数据比特( 包) 的传输和接收 必需的电子和机械接口，物理层也实现了仲裁进程，以确保同一时 间上只有一个节点在总线上传输数据。 2 2 2 线缆和连接器及总线拓扑结构 1 ) 13 9 4 规范支持两种类型的线缆。 六针连接器和线缆：连接器在线缆两端是相同的并在节点间两端都可以插 入。图2 2 示例了1 3 9 4 的6 针线缆与连接器的结构图。 电源 5 3 1 8 4 2 线缆剖面 ”9 4 赣嚣侧 1 3 9 4 连接器 图2 - 2 13 9 4 的6 针线缆与连接器 对于六针的线缆，其信号的分配如表2 1 所示。 表2 - 1 线缆信号 标号信号线名称描述 lv p线缆电源( 电压范围8 - 4 0 v d c ) 2v g 线缆地线 3t p b +双绞线b 一一在t p b 上传送差分数据信 4t p b号，接收差分选通信号 5t p a +双绞线a 一一在t p a 上传送差分选通信 1 0 四针连接器和线缆：它们没有电源针。使用这种连接器的线缆可以是一端 拥有4 针连接器而另一端是6 针连接器，或两端都是4 针连接器。1 3 9 4 a 规 范对使用四针连接器的设备类型做了限制。电池驱动设备和手持设备( 比 如便携式摄像机) 多使用4 针的连接器。前者因为这些设备不用从线缆获 得电源，后者则主要因为索尼公司首先设计并使用了4 针连接器。 2 ) 总线拓扑结构： 1 3 9 4 串行总线的物理拓扑结构分为两种【5 】：底板环境( b a c k p l a n ee nv i r o m e n t l 和线缆环境( c a b l ee n v i r o n m e n t ) 。底板环境定义了在p c 主板中的使用情况，本 论文主要对线缆环境的使用进行了研究。线缆环境的拓扑结构如图2 3 所示， 图中的拓扑由不同的节点构成，每个节点又可以包含数目不等端口。在13 9 4 的拓扑结构中，拥有一个端口的节点被称为叶节点，拥有两个或多个端口的节 点称为分支节点。分支节点支持实现菊花链状的拓扑结构。在图2 3 中，a 。f 称为节点，其中b 节点带有2 个端口，c 节点带有3 个端口。 图2 - 31 3 9 4 拓扑简介 t 3 9 4 协议遵循了i s o i e c l 3 2 1 3 规范，即微机总线的控制和状态寄存器 ( c s r ) 体系结构规范，总线中的每个节点使用了6 4 位的地址，如表2 2 。其中 1 6 位定义了节点标识一1 0 个比特位表示总线地址，6 个比特位表示物理标识， 余下的4 8 比特位表示了节点中的地址空间。 表2 - 2 地址格式 根据地址的定义，在由同一个总线地址定义的1 3 9 4 网络中，最多可以连接 6 3 ( 2 6 - 1 ) 个设备，而1 3 9 4 线缆的最长距离为4 5 米，且两个相连节点间的距离 最大不超过7 2 米。 2 3i e e e 一1 3 9 4 通信原理 串行总线支持两种传输类型，异步传输和等时传输： 异步传输一一不需要以固定的带宽传送数据。这种传输通过唯一的地址， 即配置过程中每个节点获得物理标识，确定了某一特定的目标节点。尽管 节点不被分配任何特定的总线带宽，但仲裁机制能保证它在适当的时间问 隔内获得对总线的公平访问。异步传输最大的包长度列在表2 3 中。异步 传输也使用循环冗余校验( c r c ) 检查和响应代码来验证数据的传输。若传输 期间发生错误，重传数据由软件控制。 表2 - 3 异步传输的最大数据块长度 电缆速度 最大数据有效载荷( b y t e ) 1 0 0 m b p s 5 1 2 2 0 0 m b p s 1 0 2 4 4 0 0 m b p s 2 0 4 8 等时传输一要求数据以固定的间隔1 2 5 u s 传送。这种传输规定一个信道号 码而不是唯一的地址。等时数据流根据信道号码向一个或多个节点广播。 这种传输要求有规则的总线访问，因此比异步传输具有更高的总线优先权。 一个给定的等时传输支持的最大包长度受限于可用的总线带，且不超过表 2 - 4 中列出得最大包长度。 表2 - 4 等时传输的最大数据块长度 电缆速度 最大数据有效载荷( b y t e ) 1 0 0 m b p s 1 0 2 4 2 0 0 m b p s 2 0 4 8 4 0 0 m b p s 4 0 9 6 节点之间要以l3 9 4 协议进行通信，首先要形成13 9 4 特有的菊花链状的拓 扑。要构成此拓扑，必然要经过串行总线的配置。当总线配置完成，所有的节 点就可以开始执行各种通过总线的事务。既然是一