（检测技术与自动化装置专业论文）基于dm6437的嵌入式机器视觉系统的研究与开发.pdf

摘要 i i i i r lh f f l l r f liii l li ii i f l i t y 18 8 9 3 3 1 随着科学技术的发展，工业生产的自动化程度越来越高，市场对产品质量和性能的 要求越来越高，这就要求产品检测装置应具有更高的智能化。具有非接触式、检测精度 高、检测速度快、高度智能化以及安装方便等优点的机器视觉检测技术正是在这种强大 的市场需求驱动下发展起来的。 目前，国外对机器视觉技术的研究比较成熟，其机器视觉产品已经应用到了各行各 业的产品检测上，而国内对机器视觉技术的研究尚处于起步阶段，国内的机器视觉检测 行业一直被国外机器视觉产品垄断。 本文采用美国德州仪器( t i ) 公司的d m 6 4 3 7 芯片作为核心处理器，并结合嵌入式实 时操作系统技术、图像处理技术、光学技术、网络通信技术、串口通信技术等，设计实 现了一款嵌入式机器视觉系统。 系统的硬件电路以d m 6 4 3 7 芯片为核心，采用模块化设计，包括了图像采集模块、 图像处理模块、存储模块和通信模块等，各模块之间协调工作。采用c m o s 传感器和 d m 6 4 3 7 直接相连的方式，简化了采集模块的电路设计；d m 6 4 3 7 外扩d d r 2 存储器和 n a n df l a s h 存储器构成了系统的存储模块，可以存储大量的图像数据和配置信息数 据：系统还提供了丰富的通信接口，如以太网接口、r s 4 8 5 串口、i o 口等，可以方便 地与很多工业现场设备进行通信。 系统的软件实现基于d s p b i o s 嵌入式实时操作系统，采用多任务并行处理机制， 包括图像采集、图像处理、以太网通信、串口通信等任务，各任务之间通过信号量同步。 图像处理算法以模块的行式封装并存于n a n df l a s h 存储器中，程序在运行的时候根 据配置信息可以快速方便的调用算法模块，提高了系统图像处理的效率；以太网通信的 软件实现基于n 公司的n d k ( n e t w o r kd e v e l o p e r sk i t ) 开发包，加快了系统的开发进度， 并提高了网络通信的可靠性。 实验证明，该系统具有检测精度高、检测速度快、通信接口丰富、安装方便等优点， 能够与国外多数嵌入式机器视觉产品相媲美，并且已经应用于工业控制的机器视觉检测 现场。 关键词：机器视觉，嵌入式系统，图像处理，d m 6 4 3 7 ，d s p b i o s ，c m o s a b s t r a c t a b s t r a c t 、m t l lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a u t o m a t i o nd e g r e eo fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o ni n c r e a s i n gh i g h , d e m a n do ft h em a r k e tf o rp r o d u c t s q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e i n c r e a s i n gh i g l l ，w h i c hr e q u i r e sp r o d u c tt e s t i n gd e v i c eh a sah i g h e ri n t e l l i g e n c e m a c h i n e v i s i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e df o rt h es t r o n gm a r k e td e m a n d ，w i t ht h ea d v a n t a g e s o fn o n c o n t a c t ，h i g hp r e c i s i o n ，d e t e c t i o ns p e e d ，h i g h l yi n t e l l i g e n t ，a n de a s yt oi n s t a l l c u r r e n t l yr e s e a r c ho nt h em a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yi sr e l a t i v e l ym a t u r ea b r o a da n dt h e i r p r o d u c t si nt h i sf i l e dh a v eb e e na p p l i e di n t ot h ed e t e c t i o no fp r o d u c t si na l lw a l k so fl i f e h o w e v e r , t h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ha th o m ei si ni t se m b r y o a n dm o n o p o l yb ym a c h i n e v i s i o np r o d u c t sf r o ma b r o a di sal o n g t e r mp h e n o m e n o ni nd o m e s t i cm a c h i n ev i s i o nd e t e c t i n g i n d u s t r y w i t l ld m 6 4 3 7o ft ic o m p a n ya st h ec o r ep r o c e s s o r , t h et h e s i sd e s i g n sa ne m b e d d e d m a c h i n ev i s i o nd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hi n t e g r a t e saf u l lr a n g eo ft e c h n o l o g i e s ， l i k ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n g ，o p t i c a lt e c h n i q u e ，n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s ，a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n se t c t h eh a r d w a r ec i r c u i ta d o p t st h em o d u l a rd e s i g nw i 也c h i pd m 6 4 37a st h ec o r ea n d i n c l u d e sm o d u l e sl i k et h ei m a g e - a c q u i s i t i o n ，i m a g e - p r o c e s s i n g ，m e m o r y , c o m m u n i c a t i o na n d s oo n 。刀把d e s i g no ft h ec i r c u i to ft h ea c q u i s i t i o nm o d u l ei ss i m p l i f i e db yt h em e a n so ft h e d i r e c tc o n n e c t i o no fs e n s o rc m o sa n dd m 6 4 3 7 ；t h em e m o r ym o d u l eo ft h es y s t e mc o n s i s t s o fd m 6 4 3 7e x t e r n a l l ye x p a n s i o n a r ym e m o r yd d i 之2a n dn a n df l a s hm e m o r y , s oi tc a n s t o r eal a r g ea m o u n to fd a t ao fi m a g ea n dc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n b e s i d e s ，t h es y s t e m a l s op r o v i d e saw e a l t ho fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s ，s u c h 嬲e t h e m e ti n t e r f a c e ，r s - 4 8 5 s e r i a lp o r t ，i op o r t ，t h u sc o m m u n i c a t i o n sw i t hm a n yi n d u s t r i a lo n - s i t ee q u i p m e n t sc a i lb e a c h i e v e dc o n v e n i e n t l y o nt h eb a s i so ft h ed s p b i o so p e r a t i n gs y s t e m ，s o f t w a r eo ft h es y s t e mf o l l o w st h e m e c h a n i s mo fm u l t i - t a s k sp a r a l l e l e d ，i n c l u d i n gt a s k so fi 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 ， e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n , s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw h i c ha r es y n c h r o n i z e dt h r o u g hs e m a p h o r e i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mi sp a c k e di nt h ef o r mo f m o d u l e sa n ds t o r e di nn a n df l a s h m e m o r ya n d c a nb eu s e dq u i c k l y a n dc o n v e n i e n t l yd e p e n d i n go nt h ec o n f i g u r a t i o n i n f o r m a t i o nw h e nt h ep r o g r a mi sr u n n i n g ，w h i c hi m p r o v e st h ei m a g ep r o c e s s i n gr a t e ；t h e a p p l i c a t i o no fe t h e r n e tc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h en e t w o r kd e v e l o p e r s 鼬t ，w h i c hs p e e d su pt h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e ma n dc o n s o l i d a t e st h er e l i a b i l i t yo f n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i th a sp r o v e dt h a tt h es y s t e me n j o y sa d v a n t a g e so fh i g hd e t e c t i o na c c u r a c y , f a s td e t e c t i o n s p e e d r i c hc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n dc o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n ds oo n a n di tc a nm a t c h m o s tc o u n t e r p a r t sa b r o a d i th a sb e e np u ti n t op r a c t i c ei nt h ed e t e c t i n gs i t eo fm a c h i n ev i s i o n f o ri n d u s t r i a lc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：m a c h i n ev i s i o n , e m b e d d e ds y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d m 6 4 3 7 ，d s p b i o s ， c m o s l i 目录 目录 摘要】 a b s t r a c t i i 第一章绪论。l 1 1 机器视觉技术概述1 1 2 嵌入式机器视觉技术概述2 1 3 国内外应用状况分析3 1 4 本课题来源及研究背景一3 1 5 本文研究内容及组织结构4 第二章系统整体设计方案5 2 1 系统设计指标5 2 2 系统总体方案5 2 3 系统硬件整体设计方案6 2 3 1 系统主处理器的选择6 2 3 2 系统硬件的整体架构设计7 2 4 系统软件整体设计方案8 2 4 1 系统软件开发平台的选择8 ” 2 4 2 软件整体架构设计9 2 4 3 系统文件对象设计1 l 2 4 本章小结1 2 第三章系统硬件的实现1 3 3 1 图像采集模块的硬件实现1 3 3 1 1 图像传感器的选择1 3 3 1 2 视频处理前端( v p f e ) 分析1 4 3 1 31 2 c 控制器分析1 5 3 1 4 图像采集模块接口实现1 6 3 2 存储模块的硬件实现1 6 3 2 1d d r 2s d ra m 存储器扩展1 7 3 2 2n a n df l a s h 存储器扩展1 9 3 3 通信模块的硬件实现2 0 3 3 1 以太网接口2 0 3 3 2r s - 4 8 5 串行接口2 2 3 4 电源模块的硬件实现2 2 3 5 本章小结。2 3 第四章系统软件的实现。2 5 4 1 图像采集模块的驱动实现2 5 目录 4 1 1m t 9 v 0 3 2 配置2 5 4 1 。2v p f e 配置2 5 4 1 31 2 c 读写时序2 6 4 2 存储器接口模块的驱动实现2 7 4 2 1d d r 2 控制器的初始化配置2 7 4 2 2e m i f 初始化配置2 8 4 3 图像处理算法模块的调用实现2 9 4 4 通信接口模块的软件实现- 31 4 4 1 以太网通信实现3 1 4 4 2r s 4 8 5 串口通信实现。3 4 4 5 系统启动程序的软件实现3 6 4 6 本章小结3 7 第五章系统应用测试3 9 5 1 图像采集模块测试3 9 5 1 1c m o s 芯片引脚信号测试3 9 5 1 2 在c c s 中查看采集图像3 9 5 2 存储模块测试4 1 5 2 1d d r 2s d r a m 存储器测试4 l 5 2 2n a n df l a s h 存储器测试4 1 5 3 通信接口模块测试4 2 5 3 1 以太网接口测试4 2 5 3 2r s 4 8 5 串口测试4 4 5 4 系统整体测试4 5 5 5 本章小结4 6 第六章总结与展望4 9 6 1 总结4 9 6 1 1 本文研究工作总结4 9 6 1 2 本课题产品与国内外同类产品的对比4 9 6 2 展望5 0 致谢5 3 参考文献5 5 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 9 i i 第一章绪论 第一章绪论 兴的工业检测技术，是人工智能技术、计算机技术、图像处 多学科的交叉学科。简而言之，机器视觉技术就是利用计算 能，但是它并不只具有简单的识别功能，机器视觉系统可以 信息，并对其进行处理，得到处理结果【。 典型的机器视觉系统应包含以下五个关键部分： l 、光源照明 一个机器视觉的应用能否成功，受光源照明的影响非常大，因此好的照明光源对于 机器视觉系统来说至关重要。在工业现场安装照明光源时，应遵循以下三个原则： ( 1 ) 尽可能地突出目标特征，增加目标对象( 即被检测物部分) 与背景之间的对比度， 使两者之间产生尽可能大的区别； ( 2 ) 保证光源有足够的亮度，并确定光源足够稳定； ( 3 ) 光源照射在物体表面的覆盖面应该均匀，保证在物体位置发生变化时不会影响 系统成像的质量【2 1 。 2 、光学镜头一f “ 光学镜头又简称镜头，主要功能是用于光学成像，它是机器视觉系统中的重要部件， 对成像的质量起着关键性的作用。镜头从外形和性能上可分为p 型、e 型、l 型和自动 变焦镜头等几类，镜头的接口一般有c 和c s 两种。在组装一个机器视觉系统时，硬件 设备要根据实际的需要选择合适口径和焦距的镜头【3 】。 3 、图像采集 图像采集的功能主要由摄像机和图像采集卡实现。摄像机的核心部件是c c d 或 c m o s 传感器芯片，作用是将客观物体的光学信号量转换为可用于计算机处理的数字信 号量。图像采集卡则是用于连接摄像机和图像处理器( 一般为计算机) 之间的接口，因为 摄像头采集图像数据的速度一般很快，通用的传输接口无法满足高速的传输速度，所以 在摄像机和图像处理器之间需要加一块图像采集卡【4 】。 4 、图像处理 机器视觉系统采集到被检测物体的图像后，需要对图像进行处理，并给出处理结果， 这是机器视觉系统的核心，也是机器视觉技术的难点之处。图像处理技术是一门复杂的 系统工程学科，常见的数字图像处理技术有图像增强、图像复原、图像分割、图像分析 等。文献 5 】和文献 6 】在数字图像处理方面进行了大量的分析研究。 5 、执行机构 机器视觉系统在对图像进行处理后得到的处理结果，最终还需要通过执行机构来实 现控制的功能。不同的应用场合，执行机构的类型也不同，一般可以分为机电系统、气 压系统、液压系统等几类。在安装执行机构的过程中，不仅要严格保证机构安装的精确 江南大学硕士学位论文 度和可靠度，还要保证执行机构具有良好的动态特性和实时响应特性。 1 2 嵌入式机器视觉技术概述 传统机器视觉系统是一种基于计算机( 以下简称p c ) 的视觉系统，一般由光源、c c d 或c m o s 相机、图像采集卡、图像处理软件以及p c 构成。相机和图像采集卡在光源的 配合下，完成图像的采集，图像处理软件在p c 中完成对采集图像的处理1 7 j 。 嵌入式机器视觉系统应用了嵌入式技术，包括数字信号处理器( d s p ) 、现场可编程 逻辑阵列( f p g a ) 及大容量存储器r ( d d r 2s d r a m 和n a n df l a s h ) 等，将图像采集、图 像处理和通信等功能集成于一体，实现了模块化、智能化的嵌入式机器视觉解决方案， 系统具有实时性高、可靠性高等特点【3 l 。嵌入式机器视觉系统的结构如图1 1 所示。 图1 - 1 嵌入式机器视觉系统示意图 f i g 1 - 1d i a g r a mo f t h ee m b e d d e dm a c h i n ev i s i o ns y s t e m s 嵌入式机器视觉系统通常包含一个或多个高性能的嵌入式微处理器( 如d s p 、 f p g a 、a r m 等) ，主要用于执行智能图像处理算法，完成对图像的处理功能。处理单 元从采集的图像中提取特征，对提取的图像特征进行分析或匹配，得到处理结果，并获 得最终的控制信号，用于控制执行机构进行相应的动作，如控制报警器报警、控制机械 手抓取、控制气动设备动作等。由于嵌入式机器视觉系统最终给出的控制信号一般为i o 信号或数字结果信号，而非庞大的图像数据信号，因此系统对输出带宽的要求较低例。 嵌入式机器视觉系统和基于p c 的机器视觉系统的差别主要体现在3 个方面： 1 、外观体积。嵌入式机器视觉系统与普通数码相机的体积相当，安装简单，可以 方便的装卸和移动；而基于p c 的视觉系统结构复杂，体积相对庞大，不仅包括采集摄 像机，在现场还需要提供一台用于图像处理的p c ，不便于工业现场的装卸与移动【j 叫。 2 、硬件结构。嵌入式机器视觉系统将图像采集单元、图像处理单元和网络通信单 元等集成于一体，并经过可靠的设计，系统工作效率和可靠性都得到了充分的保证。但 是由于系统的硬件电路已经固定，在后期开发和设计中系统电路缺乏灵活性，各模块之 间无法改装或装配。基于p c 的机器视觉系统主要有摄像机、图像采集卡和p c 组成， 只要各模块之间采用的是标准接口，用户便可以选择不同类型的产品，因此在后期开发 和设计上具有较高的灵活性。但是由于不同的产品来自不同的厂家，各产品之间存在兼 容性问题，这在某种程度上又影响了系统工作的可靠性【l 。 3 、软件架构。一般来说，嵌入式机器视觉系统主要用于工业产品的检测和识别应 2 第一章绪论 用，软件在功能上具有一定的通用性，是一种比较通用的产品。由于在嵌入式机器视觉 系统中已经固化了成熟的图像处理算法，因此用户无需编程，只需在提供的软件界面上 配置用于图像处理的参数( 即配置信息) ，就可以实现有无判断、工件定位、尺寸测量、 目标计数、字符识别、条码读取等功能，这在一定程度上提高了系统集成的效率和速度。 而基于p c 的机器视觉系统软件一般是用户针对某个特定的应用而开发，需要用户完全 或部分开发适合该应用的图像处理算法，对用户的编程要求较高。此外，由于每个用户 的开发水平和硬件的支持不同，不同用户开发的机器视觉系统也具有很大的差异【1 2 1 。 1 3 国内外应用状况分析 在国外，机器视觉的应用领域非常广阔，主要应用在工业、科学研究、军事以及民 用等四大领域。工业领域的应用，包括产品质量检测、产品分类、产品有无判断、产品 包装检测、机器人定位等，都需要借助机器视觉的检测；科学研究方面，机器视觉的应 用主要在材料分析、生物分析、化学分析和生命科学等方面；随着科学技术的发展，近 几年机器视觉在军事上的应用也取得了突飞猛进的成就，在航天、航空、兵器和测绘等 方面都用到了机器视觉检测：机器视觉在民用领域的应用也占有举足轻重的地位，主要 体现在智能交通、安全防范、文字识别和身份验证等，机器视觉在民用领域的应用面还 在不断扩大，具有广阔的市场前景f 1 3 1 。目前国外对机器视觉技术的研究和开发较为成熟， 比较知名的公司有康耐视( c o g n e x ) 、邦纳( b a n n e r ) 和基恩士( k e y e n c e ) 等。其中， 康耐视于2 0 0 0 年率先推出i n s i g h t 系列一体式产品，在图像处理，特别是特征识别上 较强；基恩士则推出了5 0 0 万高精度分辨率的c c d 工业相机，在高速精密测量上较强。 在国内，机器视觉的应用普及不及国外，导致机器视觉在各行业的应用几乎为零， 即使有也只是在低端方面的应用。但是中国机器视觉市场的前景却非常广阔，根据美国 自动成像协会( a i a ) 的统计，到2 0 1 2 年全球机器视觉市场总量将达1 5 0 亿美元，而中国 的市场份额将达到3 7 ，为全球之最【1 4 1 。同时，随着我国相关配套设施建设的完善，以 及技术和资金的积累，各行各业对采用机器视觉检测的需求将出现井喷式增长。目前， 国内已经有部分高校、企业和研究所在机器视觉领域进行了大量的研究工作和积极的探 索，并开发出了少量应用于工业现场的机器视觉产品。由于国内从事嵌入式机器视觉系 统研究起步比较晚，在机器视觉领域做的比较出色的公司和产品还比较少，目前从事这 方面研究的代表公司有北京微视凌志、北京凌云和大恒图像等【1 5 】。 1 4 本课题来源及研究背景 本课题来源于和企业合作的实际项目“嵌入式机器视觉控制器的研究与开发 ( 合 同号：0 7 3 9 8 ) ，目标产品作为机器设备的眼睛和大脑，是工业自动化装备的核心部件， 主要用于代替人眼在制造业现场起引导、检测、判断的作用，具有非接触、高速检测、 精确定位、智能识别等优势，尤其适用于一些不适合人工作业的危险工作环境或人工视 觉难以满足要求的场合，在提升工业自动化水平，提高企业生产效率和产品质量方面具 有不可替代的作用。 长期以来我国的制造业一直存在工业自动化水平低，生产效率较低的问题，现场机 3 江南大学硕士学位论文 器的运行主要依靠人工的控制操作。将机器视觉系统代替人眼视觉控制，即可以提高识 别的速度，又可以提高检测的精度和准确度，具有人眼识别或检测无法比拟的优势【l 6 1 。 本课题的实施，可以改变制造业执行机构依懒人工控制的现状，使制造业由劳动密 集型向技术密集型转变，将带动半导体、电子、纺织、机械、医药、食品等一系列产业 的迅速发展，促进我国工业经济的发展! 此外，国外机器视觉产品价格昂贵，国内企业 难以接受，本课题的实施，可以减少国内企业对国外机器视觉产品的依赖，降低企业的 技术改造成本，对于提升整个产业的整体竞争力和水平具有不可估量的作用1 1 5 本文研究内容及组织结构 本文在广泛收集国内外技术文献和最新产品样本的基础上，对国内外目前生产及应 用嵌入式机器视觉产品及相关技术进行了深入的分析研究，同时确定了本文的研究路 线：采用d m 6 4 3 7 达芬奇处理器作为主控芯片，结合r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 技术、光学成像技术、图像处理技术、网络通信技术、串口通信技术等，设计实现了一 款基于d m 6 4 3 7 的嵌入式机器视觉系统。根据本课题的研究特点，结合d m 6 4 3 7 的软硬 件资源，指出了本文研究的主要内容和组织结构： 1 、分析了课题研究的背景，阐述了机器视觉系统、嵌入式机器视觉系统的概念以 及两者的关键技术和区别等，同时对国内外机器视觉系统的研究状况也进行了分析。 2 、结合系统功能需求和技术指标的分析，给出了基于d m 6 4 3 7 的嵌入式机器视觉 系统的设计原理，并给出了硬件和软件的整体设计方案。 3 、详细论述了系统的硬件架构和各个模块的硬件实现方案，并对主控芯片d m 6 4 3 7 进行了简单的介绍。 4 、详细论述了系统的软件架构和各个模块的软件实现方案，并简单介绍了嵌入式 操作系统d s p b i o s 及其开发过程。 5 、对系统各个模块进行全面的应用测试，以保证系统的可靠性和实时性。 6 、对本文研究的内容进行总结和展望，针对系统软硬件设计中存在的一些问题， 提出了一些改进和优化方法，对嵌入式机器视觉系统的发展方向进行了展望。 4 第二章系统整体设计方案 第二章系统整体设计方案 2 1 系统设计指标 嵌入式机器视觉系统集图像采集、处理、通信等功能于一体，具有智能化处理的功 能，而且系统可被嵌入到其他设备中，实现在工业现场的非接触式检测。总体来讲，嵌 入式机器视觉系统应考虑以下四个技术指标【1 7 】： l 、可靠性。机器视觉系统的检测结果直接影响了执行机构的动作，机器视觉系统 的一次失误都有可能导致整条生产线的进度，在生产线检测过程中，要求机器视觉系统 具有较高的可靠性。 2 、实时性。机器视觉系统主要用于工业生产线的检测，生产线及相关的执行机构 必须根据机器视觉系统的结果，即时作出相应的动作。机器视觉系统的检测时间，即系 统的实时性，将在很大程度上影响工业生产线的检测效率和速度，因此要求机器视觉系 统必须具有良好的实时性。 3 、通用性。随着科技的进步，产品更新换代加快，企业的生产线也需要经常变动， 尤其是生产中小批量产品的企业，其对产品生产线的可适应性要求更高，因此用于产品 质量检测的机器视觉系统为应对这种频繁的变更，因具备一定的通用性。 4 、易用性。工业控制现场环境复杂，干扰多，因此要求机器视觉系统可以方便地 和现场生产设备相连，同时要求机器视觉系统的操作简单，方便现场操作工的使用。 2 2 系统总体方案 本文基于嵌入式技术和图像处理技术，设计实现了一款功能完善、配置灵活、连接 方便、运行可靠的嵌入式机器视觉系统。一个完整的嵌入式机器视觉测控系统结构如图 2 二1 所示，由嵌入式机器视觉系统( 以下简称“下位机”) 、计算机( 以下简称“上位机 ) 、 智能终端( h m i ) 、光源和执行机构等组成，其中下位机集图像采集、图像处理和结果输 出等功能于一体，为嵌入式机器视觉测控系统的核心部分，也是本文研究的重点。： 广神 _ - - _ _ _ - _ _ _ _ 一 图2 - 1 嵌入式机器视觉测控系统组成框图 f i g 2 1e m b e d d e dm a c h i n ev i s i o nc o n t r o ls y s t e m sb l o c kd i a g r a m 下位机通过将被测物体的光学图像信号转换为可处理的数字图像信号，并对其进行 处理得到正确的处理结果，最后将结果输出给执行机构执行相应的动作，完成物体的检 5 江南大学硕士学位论文 测与识别功能。因此系统设计时按照模块化设计要求，将下位机分为图像采集、图像处 理、通信接口等模块，各模块之间协调工作并完成特定的功能。图像采集模块的核心器 件为图像传感器( c m o s 或c c d ) ，作用是采集被测物体的图像，将光学图像转变为数字 图像；图像处理模块则是由嵌入式处理器( d s p 或a r m ) 构成，作用是根据像素分布和灰 度、颜色等信息来对数字图像进行处理；通信接口提供了下位机和外部设备交换数据的 功能，通信方式有以太网通信、r s 4 8 5 串口通信、i o 口通信等几种，它们集成在嵌入 式处理器中；系统根据处理结果输出相应的控制信号来控制执行机构进行动作。 上位机主要用于运行上位机组态配置软件和固件更新软件。上位机组态配置软件基 于v c + + 语言开发，软件集成了图像处理和网络通信的功能，以实现对下位机的运行控 制以及对图像处理算法的参数配置。系统的图像算法将以模块的方式封装起来，分别存 放在上位机和下位机软件中。在上位机软件中调用不同的算法对图像进行处理，得到正 确的处理结果，并获得适当的配置信息，然后上位机将该配置信息通过以太网下载至下 位机，下位机根据这个配置信息，也调用相应的算法对图像进行处理并输出结果，最终 实现下位机的智能检测与识别功能。此外，下位机的固件程序升级也需要在上位机借助 固件更新软件完成。固件更新时，上位机的固件更新软件将会生成一个固件程序文件， 并通过以太网将该文件下载并保存至下位机中，完成下位机的固件升级过程。 智能终端为基于w i n c e 嵌入式操作系统开发的智能触摸屏，主要用于工业现场对 下位机运行状况的实时监控以及对系统的简单参数配置和简单控制，因此智能终端因具 有运行可靠、操作简单等特点。智能终端和下位机之间的通信仍采用以太网的方式，为 保证一体式下位机与上位机p c 以及智能终端的兼容性，系统的通信均采用m o d b u s t c p 工业以太网通信协议。 2 3 系统硬件整体设计方案 2 3 1 系统主处理器的选择 嵌入式机器视觉系统处理信息量大、运算复杂、处理实时性要求高，同时由于是嵌 入式产品，必定对系统的整体结构和体积都提出了严格的要求，即在系统结构简单、体 积小巧的前提下，要做到处理快速、响应及时，这就对系统的核心处理器提出了较高的 要求。近年来，使用d s p 做为嵌入式机器视觉系统的主处理器一直是行业的主要选择 方向。但是使用传统的d s p ，使系统存在成本和性能两方面的制约：首先，传统的d s p 需要用到复杂的外围电路，并且需要专用的数据接口，导致了系统成本的上升；其次， 传统的d s p 缺乏针对图像处理的专用指令，使其在图像处理方面的性能受到制约。正 是在这种背景下，公司最新推出了专用于数字媒体应用的达芬奇( d a v i n c i ) 系列d s p ， 其中，i m s 3 2 0 d m 6 4 3 x 处理器是该类d s p 中首批仅基于d s p 的多媒体处理器产品，以 较低的价位提供了较高的处理性能，它们是在之前已经取得广泛应用的多媒体处理器 1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 的基础上升级的产品，处理器的性能更高，片上外设更加丰富，更加适 合于机器视觉、网络监控平台等图像视频领域的应用。 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 x 系列d s p 包括d m 6 4 3 1 、d m 6 4 3 3 、d m 6 4 3 5 、d m 6 4 3 7 等四种型 6 第二章系统整体设计方案 号，而d m 6 4 3 7 的片内外设最完善，性价比最高。本文选择d m 6 4 3 7 作为系统的核心处 理器，该处理器在功能结构上具有以下一些特性【1 8 1 。 l 、采用了高性能内核。d m 6 4 3 7 采用了t i 公司高性能定点d s p 内核： t m s 3 2 0 c 6 4 x + 。该d s p 采用了t i 第3 代超长指令集结构v e l o c i t i 。3 ，使得这些d s p 可 以适用于高级的多媒体应用。 2 、主频高，处理快。d m 6 4 3 7 主频高达7 0 0 m h z ，峰值处理能力达5 6 0 0 m i p s ，采 用2 级c a c h e 存储器体系结构，支持8 个8 位或4 个1 6 位的并行乘除运算，可以运算 复杂的算法，且运算速度快。 3 、具有增强型d m a 控制器。d m 6 4 3 7 片上集成一个具有“通道的增强型d m a 控制器e d m a 3 。e d m a 可以在c p u 不参与的情况下完成d s p 和外部存储器之间的数 据传输，并支持复杂的数据类型传输，非常适合大容量图像数据的传输。 4 、外部存储器接口丰富。d m 6 4 3 7 提供了两个外部存储器接口，包括一个d d r 存 储器接口和一个异步存储器接口e m i f 。 ( 1 ) d d r 2 存储器接口的作用是外扩大容量高速d d r 2 存储器，以存储系统程序代 码和数据，d d r 2 存储器接口的数据总线宽度为3 2 位，寻址空间容量可达2 5 6 m b ； ( 2 ) e m i f 接口的作用是外扩8 位异步存储器，如s r a m 、n o rf l a s h 或n a n d f l a s h 等存储器，以固化系统程序代码和数据，e m i f 接口的数据总线宽度为8 位，寻 址空间容量可达6 4 m b 。 一 一。一 5 、片上外设丰富。d m 6 4 3 7 的片上外设非常丰富，包括1 个以太网控制器e m a c ， 1 个1 2 c 控制器，2 个多通道缓冲串h ( m c b s p s ) ，1 个多通道音频串i z i ( m c a s p ) ，2 个6 4 位的定时器，1 个6 4 位的看门狗时钟，1 个用户可配置的1 6 位主机通信接e i ( h p i ) ，2 个异步串行接i z i ( u a r t ) ，1 个外围设备接e i ( p c i ) ，以及多达1 1 1 个的通用输入输出引脚 ( g p i o ) 。此外，值得一提的是，d m 6 4 3 7 自带了一个专用于视频图像应用的视频处理子 系统( v p s s ) ，v p s s 包括了一个视频输入前端( v p f e ) 和一个视频输出后端( v p b e ) 。v p f e 既可以方便地和各种接口的数字视频编解码器件相连，还可以对输入的图像数据进行预 处理，分担了d s p 处理的负担，加快了图像处理的速度。v p b e 既可以提供多种制式的 模拟视频输出，也可以提供多种格式的数字视频输出。 2 3 2 系统硬件的整体架构设计 嵌入式机器视觉系统硬件电路基于模块化设计，可分为图像采集模块、图像处理模 块、存储模块、通信接口模块等几部分，硬件电路的整体结构设计如图2 2 所示。 图像采集模块由c m o s 传感器和d m 6 4 3 7 的v p f e 构成。由c m o s 传感器将图像 光信号装换成电信号，在像素时钟和同步控制线的控制下，通过并行数据线传输给 d m 6 4 3 7 的v p f e 的c c d c 控制器，并存入d d r 2 内存中。d m 6 4 3 7 通过1 2 c 总线配置 c m o s ，控制c m o s 的工作。 图像处理模块由d m 6 4 3 7 的d s p 子系统实现。d m 6 4 3 7 的d s p 子系统采用了c 6 4 + 系列处理器，主频达到6 0 0 m h z ，能够快速的处理图像数据。图像处理模块主要接收来 自图像采集模块的图像数据，并对其进行处理，得到处理结构，最终输出控制信号。 7 江南大学硕士学位论文 图2 - 2 系统硬件整体结构图 f i g 2 - 2d i a g r a mo ft h eo v e r a l lh a r d w a r es t r u c t u r e 存储模块由d m 6 4 3 7 外扩d d r 2 和n a n df l a s h 存储器构成。d m 6 4 3 7 通过外部 存储器接口( e m i f ) 夕b 接n a n df l a s h ，用于固化系统代码和用于图像处理的配置参数 信息等，通过d d r 2 控制器外接d d r 2 存储器，用于存储图像数据和系统程序等。系统 上电后，程序从n a n df l