（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式机器视觉控制系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 在本设计中，图像采集部分利用s a a 7 1 1 1 a 视频解码芯片完成视频信号的 采集，利用f p g a 完成复杂高速的逻辑控制及时序设计，将采集的数字视频信 号存储在外扩存储器s r a m 中，以供后续图像处理。 在构建n i o s l ic p u 时，自定制了s r a m 控制器、i r d a 红外接口、o ci 2 c 接 口、p w m 接口和v g a 显示接口等相关外设组件，提供了必要的人机及控制接 口，方便系统的控制及调试。 关键字：嵌入式系统：机器视觉；s o p c ；n i o si i ；i - t c o s i i n 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n e m b e d d e dm a c h i n ev i s i o n p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s c a n d i d a t e ：y o uz h i y us u p e r v i s o r ：d o n gx i u c h e n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , t h ep e o p l er e q u e s tv a r i o u s d e v i c e so fi n t e l l e c t u a l i z e dd e g r e em o r ea n dm o r eh i g h a so n eo ft h eb e s tr e p r e s e n t i n f o r m a t i o nf o r mo fv i s u a li m a g ea n dp r o c e s s i n gh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ef u s i o no f m a n yd i s c i p l i n e s a p p l i e dt op r a c t i c a lp r o d u c t i o n , f o rh u m a nb r i n g sh u g ee c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t s v i s i o ni st h em a i ni n f o r m a t i o ns o u r c eo fh u m a nb e i n g w i t ha u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，a n di t s r e s e a r c ho nc o n t r o l s y s t e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o no c c u p ya ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp o s i t i o n i ft h e m a c h i n ev i s i o nc o n t r o ls y s t e mb u i l to ne m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m ，b a s e d o n e m b e d d e di nm a c h i n ev i s i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，w i l lg r e a t l ye x p a n dt h es c o p eo f a p p l i c a t i o n o fm a c h i n ev i s i o n ，a n dc a ng r e a t l yi m p r o v et h ec u r r e n ti n d u s t r i a l c o n t r o la u t o m a t i o n1 e v e la n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , m a c h i n ev i s i o ns y s t e m sa n de m b e d d e dc r o s s p o i n ts e l e c t i o n , t h e m a c h i n ev i s i o na n de m b e d d e ds y s t e m sc o m b i n et h es t u d yo fe m b e d d e dm a c h i n e v i s i o n b a s e dc o n t r o ls y s t e mf o ran u m b e ro fa s p e c t s t oe x p l o r e ，t oe x p a n dt h es c o p e o fa p p l i c a t i o no fm a c h i n ev i s i o n t h i sp a p e rf i r s t i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ， r e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e ，r e s e a r c h s t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，p r o p o s e db a s e do ne m b e d d e dm a c h i n ev i s i o nc o n t r o l s y s t e mf o rr e s e a r c h a n dt a k et h i sa st h eb a s i s ，h a sd e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n g h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r es y s t e m ，a n da p p l i c a t i o nt ot h ei n t e l l i g e n tt r a c i n gc a r i i i 西华大学硕士学位论文 c o n t r 0 1 ， p a p e r s 、析ma l t e r ac y c l o n ei i s e r i e s c h i po fe p 2 c 8 q 2 0 8a st h e c o r eb u i l d f p g a b a s e ds o p ce m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h i sp l a t f o r ms o p c b a s e d e m b e d d e ds y s t e m si n - d e p t hs t u d yo ft h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t m e t h o d ，d e t a i l e dt e s t i n ga n dv e r i f i c a t i o ns y s t e ms t o r a g em o d u l e sa n de x t e m a l m o d u l e s ；a n dw i mn i o s l ie m b e d d e dp r o c e s s o ri pc o r ed e s i g no ft h ev i s u a l - b a s e d c o n t r o l s o f t w a r e i n t r o d t m i n gi x c o s - i i o fr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m i nt h e a p p l i c a t i o n ，a n di n t r o d u c e st h er e l a t e dc o n c e p t sa n dm e t h o d so fi x c o s - i i n l ed e s i g n o ft h er e l e v a h tu n d e r l y i n gt r a j e c t o r yi m a g er e c o g n i t i o ns o f t w a r ea n da l g o r i t h m s ， s p e c i f i ca p p l i c a t i o n sw i l lb ed i v i d e di n t oan u m b e ro ft a s k s ，t h eu l t i m a t er e a l i z a t i o n o ft h er e a l - t i m ev i s u a li m a g e p r o c e s s i n ga n d r e a l - t i m ec a l c o n t r 0 1 i nt h i sd e s i g n , t h ei m a g ea c q u i s i t i o np a r to ft h eu s eo f + v i d e od e c o d e rc h i p s a a 7111ac o m p l e t ev i d e os i g n a la c q u i s i t i o n , u s i n gt h ef p g a c o m p l e t ec o m p l e x l o g i cc o n t r o lo fh i g h - s p e e da n dt i m i n g t h ed i g i t a lv i d e os i g n a lc o l l e c t i o nw i l lb e s t o r e di nt h em e m o r yo fa ns r a mo u t e re n l a r g e m e n t , f o rt h ef o l l o w - u pi m a g e p r o c e s s i n g i nc o n s t r u c t i n gn i o s l ic p u ，c u s t o mm a d ea ns r a mc o n t r o l l e r , i r d ai n f r a r e d i n t e r f a c e ，o c i 2 ci n t e r f a c e ，p w mi n t e r f a c ea n dv g ad i s p l a yi n t e r f a c ea s s o c i a t e d p e r i p h e r a l sc o m p o n e n t s p r o v i d e st h en e c e s s a r yh u m a n - m a c h i n ea n dc o n t r o li n t e r f a c e ， c o n v e n i e n ts y s t e mc o n t r o la n dd e b u g g i n g k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；m a c h i n ev i s i o n ；s o p c ；n i o s l i ；r t c o s - i i i v 西华大学硕士学位论文 1 1 声明 本人声明呈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。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学攻读硕士学位期间在导师指导下取得 的，论文成果属西华大学所有，特此声明。 作者魏滟媳芎阳亿日 导师签 6 其j zo b 西华大学硕士学位论文 1 2 版权 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密凶毫用本授权书。 ( 请在以上口内划) 。 学位论文作者签名： 尧鲁走g 蹴硼专， j 指导教师签名： 日期： 、| i o 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 人类在生产和生活实践中，为了提高生产力，改善生活条件，发明和创造 了许多智能机器来辅助或代替人类完成某些任务。智能机器能模拟人类的功能， 感矢n # l - 部世界，并有效地解决一些人类难于解决的问题。人类感知外部世界主 要是通过视觉、听觉、触觉和嗅觉等感觉器官【l 】，其中，约8 0 的信息是由视 觉获取的。因此，对智能机器来说，赋予机器以人类视觉功能是极其重要的。 于是机器视觉的研究于6 0 年代应运而生，8 0 年代得到迅速发展，从实验室走 向实际应用。 目前，机器视觉系统【2 】正在广泛地应用于视觉检测、机器人视觉引导和自 动化装配领域中。但是，目前机器视觉基本都建立在p c b a s e d 系统或 p l c b a s e d 系统上，软硬件环境要求高、体积较大、成本较高，因而应用范 围受到定限制。另一方面，目前面向测控对象的单片机和基于单片机的嵌入 式系统以其体积小、价格低、开发环境简单、运用灵活、能e 很z 好地满足应用系 统的嵌入、面向测控对象、现场运行可靠等优点，在各领域得到广泛的应用。 因此，如果能将机器视觉建立在嵌入式系统平台上，不仅能拓展机器视觉的应 用范围，而且也是技术发展的趋势，这是本文研究的出发点。 从某种意义上讲，一个国家机器视觉技术水平的高低反映了这个国家综合 技术实力的高低。机器视觉已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的 速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。随着机器视觉技术的 多样化发展，小型和微型智能机器需要基于嵌入式的机器视觉系统，这是本文 选择智能寻迹小车作为应用对象的直接原因。 1 2 课题背景及意义 随着我国装备制造业的发展，信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统 的发展带来了巨大的机遇。目前，嵌入式系统已经成为制造业的核心技术，它被广 西华大学硕士学位论文 泛地应用到工业控制、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域。 随着嵌入式技术与机器视觉技术的结合，新的微处理器的推出，通用计算机上 使用的新技术、新观念逐步移植到嵌入式系统中，以及各类嵌入式操作系统的 迅速发展，嵌入式软硬件平台的进一步完善，推动了嵌入式技术的飞速发展， 使嵌入式系统逐渐成为计算机应用技术的一个重要组成部分和新的研究热点。 正由于此，围绕嵌入式系统展开研究和开发，已经成为计算机软硬件技术发展 最活跃的研究方向之一。 对于机器视觉控制系统，目前一般使用比较广泛的，也是比较传统的机器 视觉控制系统是基于计算机的机器视觉控制系统。它的硬件组成有图像输入设 备( 摄像机、录像机等) 、图像采集卡、计算机以及控制执行机构等。这些传统 的机器视觉控制系统，常常都离不开计算机，以计算机作为处理主机。这样的 系统结构复杂、庞大，使得系统在由于体积导致的额外成本及系统整体架构复 杂度方面的开销大大增加，系统的集成度、保密性也很低。同时视觉图像信号 需经过多路传输，易受干扰。 随着科学技术的发展，更高速，更可靠，更低成本成为各种技术开发的要 求。因此，设计能实现实时视觉图像采集、视觉图像处理控制，使其结构更紧 凑，甚至完全不需要计算机的介入，提高处理速度，并能有效降低成本的专用 机器视觉控制系统，使得该系统具有安装方便、配置灵活、便于携带等突出优 点。为此，本课题提出了基于嵌入式机器视觉控制系统的研究，并对其可行性、 实现方法以及相应的理论进行深入的分析与研究。 本课题提出的基于嵌入式机器视觉控制系统的研究，主要是将目前广泛应 用的基于p c 的机器视觉控制系统移植到嵌入式处理器上，并在嵌入式系统上 实现实时视觉图像采集、视觉图像处理及控制，构成处理速度快，成本低，结 构紧凑，不需要计算机介入的专用嵌入式机器视觉控制系统。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 随着现代技术的高速发展，人们对各种设备的智能化程度要求越来越高。 作为信息最佳代表形式之一的视觉图像及其处理已经逐步成为众多学科的融合 2 西华大学硕士学位论文 点，应用于生产实际，为人类带来了巨大的经济和社会效益。随着科学技术的 迅猛发展，基于单片机、a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 、d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 等的嵌入式技术也已日臻成熟，将嵌入式技术和机器视觉技术相结合 形成新的发展方向。 1 3 1 嵌入式系统在国内外的应用现状 嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图 像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代 产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型 系统。反映出当代最新技术的先进水平。 嵌入式系统不仅和一般的p c 机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应 用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。它一般功能单一、简单，且在兼容性方 面要求不高，但是在体积小、成本低、可靠性高、功耗低等诸多方面具有优势。 因此它包含了十分广泛应用的各种不同类型的设备，其产品更新换代快，且具有 不断创新的特征。 嵌入式系统在国内外的应用情况： 1 、国外情况 a 、美国：水平较高 b 、日本：较普及 c 、欧洲：较好 d 、新加波：一般 2 、国内情况 a 、国内先进水平：一般 b 、台湾：较好 c 、香港：较高 d 、澳门：一般 随着微电子技术、集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高， 使得嵌入式系统由板级向芯片级过渡，形成片上系统一s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 。 将p l d 与嵌入式处理器i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 软核相结合，形成基于 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 的s o c 解决方案，使得更加灵活的s o p c 3 西华大学硕士学位论文 成为嵌入式系统设计新的发展方向及趋势。 目前，实现嵌入式系统的硬件方法主要有：定制逻辑( a s i c ) 、现场可编程 门阵歹0 ( f p g a ) 和嵌入式微处理器三种。在实际系统实施中，绝大多数系统是采 用嵌入式微处理器方式，如单片机、单板机或嵌入式微处理器芯片等。这是因 为用微处理器实现嵌入式系统是一种十分有效的方法，它使得在不同价位上设 计不同特性的产品系列成为可能，并且能够扩充新特性以满足飞速发展变化的 市场需求，系统开发工具比较成熟。随着s o p c 技术、可编程逻辑器件技术、 嵌入式处理器d 核的飞速发展，基于f p g a 的解决方案是目前飞速发展的方向， 也是目前研究的热点，有着广泛的应用前景。 1 3 2 机器视觉在国内外的应用现状 机器视觉自起步发展到现在，已有很长一段的发展历史了。应该说机器视 觉作为一种应用系统，其功能特点是随着工业自动化的发展而逐渐完善和发展 的。 目前全球整个视觉市场总量大概在6 0 - - - 7 0 亿美元，是按照每年8 8 的增 长速度增长的。而在中国，这个数字目前看来似乎有些庞大，但是随着加工制 造业的发展，中国对于机器视觉的需求将呈上升趋势。 机器视觉是计算机视觉的产业化部分，这两者之间存在的微妙区别就在于 前者假设计算机是能够模拟视觉的，而后者只是认为人类视觉的处理机制可以 用机器来模拟的。机器视觉既是工程领域，也是科学领域中的一个富有挑战性 的重要研究领域。它是一门综合性的学科，已经吸引了来自各个学科的研究者 参加到对它的研究之中。其中包括计算机科学和工程、信号处理、物理学、应 用数学和统计学，神经生理学和认知科学等。视觉是各个应用领域，如制造业、 检验、文档分析、医疗诊断和军事等领域中各种智能、自主系统中不可分割的 一部分。由于它的重要性，一些先进国家，例如美国把对机器视觉的研究列为 对经济和科学有广泛影响的科学和工程中的重大基本问题，即所谓的重大挑战 ( g r a n dc h a l l e n g e ) 。机器视觉的挑战是要为计算机和机器人开发具有与人类水 平相当的视觉能力。 在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概 4 0 5 0 都集中在半导体行业。另外机器视觉系统还在质量检测的各个方面也 4 西华大学硕士学位论文 已经得到了广泛的应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。除此之 外，机器视觉还用于其他各个领域。 而在国内，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的 普及不够，导致以上各行业的应用很少，即便是有，也只是低端方面的应用。 目前在我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采用图 像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现。国内有关大专院 校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的 尝试，逐步开始了工业现场的应用。这些应用大多集中在如药品检测分装、印 刷色彩检测等低端方面的应用，一而真正高端的应用还很少。因此，以上相关行 业的应用空间还比较大。当然，其他领域如指纹检测等等领域也有着很好的发 展空间。 在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的， 但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对机器视觉需求的提升； 也决定了机器视觉将由过去单纯的采集、分析、传递数据，判断动作，逐渐朝 着开放性的方向发展，这一趋势也预示着机器视觉将与自动化更进一步的融合。 在未来，中国机器视觉的发展【3 】主要呈现以下特征： ( 1 ) 随着产业化的发展对机器视觉的需求将呈上升趋势 机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业，而据我国相关数据显 示，中国已成为全球集成电路的一个重要需求市场。在全国许多地区，特别是 长江三角洲地区，都有新的i c 制造线和封装线兴建，i c 设计公司的数量每年 成倍增长。强大的半导体产业将需要高质量的技术做后盾，同时他对于产品的 高质量、高集成度的要求将越来越高。恰巧，机器视觉将能帮助他们解决以上 的问题，因此该行业将是机器视觉最好的用武之地。 ( 2 ) 统一开放的标准是机器视觉发展的原动力 目前国内有近数家机器视觉产品厂商，与国外机器视觉产品相比，国内产 品最大的差距并不单纯是在技术上，而且还包括品牌和知识产权上。另一现状 是目前国内的机器视觉产品主要以代理国外品牌为主，以此来逐渐朝着自主研 发产品的路线靠近，起步较晚。未来，机器视觉产品的好坏不能够通过单一因 素来衡量，应该逐渐按照国际化的统一标准判定，随着中国自动化的逐渐开放， 将带领与其相关的产品技术也逐渐开放。因此，依靠封闭的技术难以促进整个 5 西华大学硕士学位论文 行业的发展，只有形成统一而开放的标准才能让更多的厂商在相同的平台上开 发产品，这也是促进中国机器视觉朝国际化水平发展的原动力。 ( 3 ) 基于嵌入式的产品将取代板卡式产品 从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠p c 技术，并且与数据采集等 其他控制和测量的集成会更紧密。且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品， 这是一个不断增长的趋势。主要原因是随着计算机技术和微电子技术的迅速发 展，嵌入式系统应用领域越来越广泛，尤其是其具备低功耗技术的特点得到人 们的重视。 一在未来的几年内，随着中国加工制造业的发展，对于机器视觉的需求也逐 渐增多；随着机器视觉产品的增多，技术的提高，国内机器视觉的应用状况将 由初期的低端转向高端。由于机器视觉的介入，自动化将朝着更智能、更快速 的方向发展，机器视觉的应用也将进一步促进自动化技术向智能化发展。 1 3 3 基于嵌入式机器视觉的应用现状 目前机器视觉系统基本上是建立在计算机系统之上的，即所谓的基于计算 机的机器视觉系统。基于计算机的机器视觉系统 4 1 具有高速度、高精度、高度 自动化的特点，集成了当今先进的传感器、计算机、数字图像处理和机器视觉 技术，它主要由计算机、图像采集卡、c c d 传感器、视觉处理软件等组成，已 广泛应有于工业控制之中。由于计算机本身的特点，使得基于计算机的机器视 觉系统在实际应用方面成在一些不足。 随着嵌入式技术与机器视觉技术的结合，微电子技术的发展，新的微处理 器的推出，通用计算机上使用的新技术、新观念逐步移植到嵌入式系统中，以 及各类嵌入式操作系统的迅速发展，嵌入式软硬件平台的进一步完善，提出了 基于嵌入式的机器视觉系统。基于嵌入式的机器视觉系统具有基于计算机的机 器视觉系统的优点，同时克服了基于计算机的机器视觉系统的不足，提高了机 器视觉系统的性能，使之成为机器视觉研究、发展的一个新方向及趋势。 同时随着自动控制技术及机器视觉技术的发展，其基于机器视觉控制系统 的研究占据越来越重要的地位。利用现有的嵌入式技术、机器视觉技术、自动 控制技术，形成基于嵌入式机器视觉的控制系统，可广泛应用于工业控制中， 并可大幅度提高现有工业控制的自动化水平，提高生产效率。故基于嵌入式机 6 西华大学硕士学位论文 器视觉控制系统的研究成为目前嵌入式研究的一个重要的方向，也是一种必然 发展的趋势。 1 4 本论文的主要工作 本文提出的基于嵌入式机器视觉控制系统的研究，以嵌入式d 软核处理器 n i o s l i 为核心，利用a l t e r a 提供的各种开发工具、资料和基于f p g a 的s o p c 技术，设计出基于f p g a 的嵌入式机器视觉控制系统。实现视觉图像的实时处 理，最终实现对小车的实时轨迹跟踪视觉控制。同时提供必要的人机接口，方 便系统调试及控制。 本论文主要研究内容有以下几个方面： 视觉图像采集子系统的设计； 基于f p g a 的s o p c 嵌入式系统的设计； 3 2 位嵌入式处理器i p 软核n i o s l i 的配置与构建； 系统外围人机接口设计； 嵌入式应用程序的设计； 视觉图像的实时处理算法及程序设计； 小车实时控制算法及程序设计； 针对本论文研究的内容，论文包括以下章节： 第一章，简要论述课题的背景及意义、国内外研究现状及发展趋势、论文 的主要工作内容。 第二章，简要的介绍机器视觉控制系统、嵌入式系统、基于嵌入式机器视 觉控制系统的基本概念、特点及应用。 第三章， 第四章， 第五章， 第六章， 第七章， 介绍s o p c 技术及软核n i o s l i 处理器的体系结构，并对s o p c 的 设计工具、设计方法进行论述。 介绍本论文研究的系统总体方案设计。 介绍本论文的系统硬件平台设计及硬件调试。 介绍本论文的系统软件设计及系统联调。 对本论文所做的主要工作进行总结和展望。 7 西华大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先介绍了机器视觉技术的发展及应用前景，分析了机器视觉技术在 国内外的应用现状及发展趋势，然后根据机器视觉技术应用的特点，提出本文 的研究目标：将机器视觉和嵌入式系统结合起来，开发基于嵌入式机器视觉的 的控制系统，并提出了本课题研究的内容和目标要求。 西华大学硕士学位论文 2 基于嵌入式机器视觉控制系统 2 1 机器视觉控制系统概述 2 1 1 机器视觉的概念 机器视觉产生于工业自动化。在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样 的检查、测量和零件识别应用，例如汽车零配件尺寸检查和自动装配的完整性 检查，电子装配线的元件自动定位，饮料瓶盖的印刷质量检查，产品包装上的 条码和字符识别等。这类应用的共同特点是连续大批量生产、对外观质量的要 求非常高。通常这种带有高度重复性和智能性的工作只能靠人工检测来完成， 我们经常在一些工厂的现代化流水线后面看到数以百计甚至逾千的检测工人来 执行这道工序，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1 0 0 的检验合格率，而当今企业之间的竞争，已经不允许哪怕是0 1 的缺 陷存在。有些时候，如微小尺寸的精确快速测量，形状匹配，颜色辨识等，用 人眼根本无法连续稳定地进行，其它物理量传感器也难有用武之地。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，由此逐渐形成了一门新学科一机器视觉p 】 机器视觉是研究用计算机来模拟生物宏观视觉功能的科学和技术。通俗地 说，就是用机器代替人眼来做测量和判蝌刚。首先采用c c d 照相机将被摄取目 标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色 等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的 特征，如：面积、长度、数量、位置等；最后，根据预设的容许度和其他条件 输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格不合格、有无等。机器视觉 的特点是自动化、客观和非接触，与一般意义上的图像处理系统相比，机器视 觉强调的是识别和判断，以及工业现场环境下的可靠性。 机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域。人们从2 0 世纪5 0 年 代开始研究二维图像的统计模式识别，6 0 年代r o b e r t s 开始进行三维机器视觉 的研究，7 0 年代中，m i t 人工智能实验室正式开设“机器视觉 课程，8 0 年代 开始了全球性的研究热潮，机器视觉获得了蓬勃发展，新概念、新理论不断涌 9 西华大学硕士学位论文 现。现在，机器视觉仍然是一个非常活跃的研究领域，与之相关的学科涉及： 图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、人工神经元网络等。 2 1 2 机器视觉系统的构成和分类 典型的机器视觉系统【7 】一般包括如下部分：光源，镜头，c c d 照相机，图 像处理单元( 或图像采集卡) ，图像处理软件，监视器，通讯输入输出单元等。 视觉系统的输出并非图像视频信号，而是经过运算处理之后的检测结果，如尺 寸数据或者判断分类。上位机如p c 和p l c 实时获得检测结果后，指挥运动系 统或i o 系统执行相应的控制动作，如定位和分选。其基本组成模块如图2 1 所示。 f i g 2 1c o m p o s i t i o nb l o c kd i a g r a mo fm a c h i n e v i s i o ns y s t e m 图2 1 机器视觉系统组成框图 根据运行环境的不同，目前机器视觉系统可分为p c b a s e d 系统和 p l c - b a s e d 系统。基于p c 的系统利用了其开放性，高度的编程灵活性和良好 的w i n d o w s 界面。系统内含高性能图像采集卡，一般可接多个镜头。配套软件 方面，从低到高有几个层次，如w i n d o w s 9 5 9 8 n t 环境下c c + + 编程用d l l ， 可视化控件a c t i v e x 提供v b 和v c + + 下的图形化编程环境，甚至w i n d o w s 下 的面向对象的机器视觉组态软件，用户可用它快速开发复杂高级的应用。在基 于p l c 的系统中，机器视觉的作用更像一个智能化的传感器，图像处理单元独 立于系统，通过串行总线和i o 与p l c 交换数据。系统硬件一般利用高速专用 a s i c 或嵌入式计算机进行图像处理，系统软件保存在图像处理器中。基于p l c 的系统体现了可靠性高、集成化，小型化、高速化的特点。 2 1 3 机器视觉系统的应用 1 0 西华大学硕士学位论文 近年来在国际上机器视觉系统己在许多领域得到广泛的应用，而在我国尚 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 将目光转向智能化方面。下面是机器视觉的一些典型应用罔： ( 1 ) 工业视觉：如标签检查、瓶体分类及灌瓶液位测量、零部件测量、毛 刺检查等，如图2 2 所示。将机器视觉用于工业生产，不仅可以提高效率、保 证质量，还可以避免由于人的疲劳、精力不集中带来的误判。 f d i f i g 2 2s o m ea p p l i c a t i o no f m a c h i n e v i s i o n i n i n d u s t r y 图2 2 机器视觉在工业上的应用 ( 砷标签检查( b ) 瓶体分类及灌瓶液位测量( 0 零部件测量( d ) 毛刺检查 ( 2 ) 人机交互：如人脸识别、智能代理等，让机器借助人的手势、表情、 步态来了解人的愿望要求而执行相应的指令。 ( 3 ) 视觉导航：如飞机、导弹、自动行驶车辆、移动机器人等，既可避免 人的参与而带来的危险，也可提高精度和速度。 ( 4 ) 虚拟现实：如飞行员训练、医学手术模拟、战场环境表示等，可帮助 人们超越生理极限，亲临其境，提高工作效率。 ( 5 ) 图像自动解释：如对放射图像、显微图像、遥感图像、雷达图像等的 自动判读理解。 2 2 嵌入式系统概述 2 2 1 嵌入式系统的概念 西华大学硕士学位论文 计算机是应数值计算的要求而诞生的。在计算机发展的早期，电子计算机 技术一直是沿着满足高速数值计算的道路发展的。直到2 0 世纪7 0 年代，计算 机在数值计算、逻辑运算与推理、信息处理以及实际控制方面表现出非凡能力 后，在通信、测控和数据传输等领域，人们对计算机技术给予更大的期望。这 些领域的应用与单纯的高速海量计算要求不同，主要表现在直接面向控制对象， 嵌入到具体的应用体中而不以计算机的面貌出现，能在现场可靠地运行，体积 小，应用灵活，突出控制功能，特别是对外部信息的捕捉与丰富韵i o 功能等。 从此可以看出，满足这些要求的计算机与满足高速数值计算的计算机是不可兼 得的，因此m c u 得以产生并发展。通常，把满足海量高速数值计算的计算机 称为通用计算机系统；而把面向测控对象嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式 应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。从总体来说，通用 计算机系统主要用于数值计算信息处理，兼顾控制功能；而嵌入式计算机系统 主要用于控制领域，兼顾数据处理在一个综合系统中，会出现通用计算机系统 与嵌入式计算机系统的结合，各自扮演不同的角色，共同完成系统任务。 嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。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和各个行业 的具体应用相结合后的产物。 2 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统不同于一般的系统，它具有如下一些特点： ( 1 ) 体积小。在智能化设备、仪器仪表、信息家电等应用场合，出于对产 品的体积、成本等因素的考虑，一般要求将计算机控制部分安装在系统内部， 并且要求所占用的空间尽可能小。 ( 2 ) 良好的性能价格比。嵌入式系统要求开发周期短，性能优越，良好的 性能价格比是在市场上取得优势的关键，这也是嵌入式系统设计的目标之一。 ( 3 ) 存储容量小。嵌入式系统中一般没有硬盘等设备，而以r o m ，f l a s h 作为存储介质。 ( 4 ) 实时性比较强。嵌入式系统，一般作为应用的关键部分，时间特性要 求非常严格。 1 2 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 软硬件系统高效、紧凑。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，力争在同样体积和容量下实现更高的性能。 ( 6 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起。嵌入式系统是面向用户、 面向产品、面向应用的，不可能独立于应用自行发展。嵌入式处理器的功耗、 体积、成本、可靠性、速度、处理能力等方面均受到应用要求的制约。 2 2 3 嵌入式系统的应用领域 2 0 世纪8 0 年代以来，单片机和基于单片机的嵌入式系统的应用已深入到 工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活用品( 家电、玩具) 等各种领域。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外 部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、显示卡、显示器、 m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入 式处理器控制的。嵌入式系统的主要应用领域【9 】= ( 1 ) 工业方面 电机控制、物理量的检测与处理、工业机器人、过程控制、智能传感器等。 ( 2 ) 仪器仪表方面 智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波器等。 ( 3 ) 民用方面 电子玩具、电子字典、记事薄、高级电子游戏机、录像机、电冰箱、洗衣 机、抽湿机、消毒柜、照相机、空调机、电风扇、防盗控制等。 ( 4 ) 通信方面 调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换机等。 ( 5 ) 导航控制方面 智能武器装置、导弹控制、航天导航系统、电子干扰系统等。 ( 6 ) 数据处理方面 图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、打印机、打字机等。 ( 7 ) 汽车方面 点火控制、变速控制、排气控制、节能控制、冷气控制、汽车报警控制等。 可见，机器视觉与嵌入式系统的应用有很多共同的领域，但目前它们在这 些领域的应用是彼此分离的。本课题的研究目的就在于使两者结合起来，实现 西华大学硕士学位论文 优势互补。 2 3 基于嵌入式机器视觉控制系统概述 随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广 泛，尤其是其具备低功耗技术的特点得到人们的重视。从产品本身看，嵌入式 系统产品在应用高速器件之后的处理速度和精度越来越高，基本上可以满足高 端应用场合，这使得嵌入式产品已经可以覆盖高中低端的要求。并且面向测控 对象的嵌入式系统以其体积小、价格低、开发环境简单、运用灵活、能很好地 满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等优点，在各领域得到广 泛的应用。另外，嵌入式操作系统绝大部分是以c 语言为基础的，因此使用c 高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性的工作，使用高级语言的优点 是可以提高工作效率，缩短开发周期，更主要的是开发出的产品可靠性高、可 维护性好、便于不断完善和升级换代等。 因此，如果能将机器视觉建立在嵌入式系统平台上，构成基于嵌入式机器 视觉控制系统，将极大地拓展机器视觉的应用范围。随着机器视觉系统在国防 军事、工业控制、检验检测、医学图像、信息遥感等多方面扮演着越来越重要 的角色，研究基于嵌入式机器视觉控制系统具有重要的研究意义和应用价值， 也是本文研究的目的所在。 2 4 本章小结 本章首先对机器视觉的产生、发展和应用作了概述。针对机器视觉在实际 应用中存在的局限性，提出了将机器视觉建立在嵌入式系统平台上的观点。然 后，对嵌入式系统的概念、特点及应用进行了概述，并从机器视觉与嵌入式系 统的共同应用领域出发，引入基于嵌入式机器视觉的控制系统。 1 4 西华大学硕士学位论文 3 基于s o p c 的嵌入式系统 3 1s o p c 技术概述 3 1 1s o c 技术 自2 0 世纪五十年代以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工 艺技术水平有了很大的提高，单个芯片可以集成上亿个晶体管，从而使得将原 先由许多集成电路芯片i c ( i n t e g r a t e dc i r c u l t ) 组成的电子系统集成在一个单片硅 片上成为可能，构成所谓的片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 1 0 l 。s o c 把系统的 处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合，在一片 或数片单片上完成整个复杂系统的功能。 s o c 是以嵌入式系统结构为基础，集成硬件于一体的系统级芯片。其系统 功能可以全部由硬件完成，也可以由硬件和软件协同完成。目前，所谓的s o c 主要是指含有嵌入式处理器的s o c ，处理器是s o c 的一个组成部分，和其它 部件融合在一起。绝大多数s o c 的处理器采用了r i s c 体系结构，r i s c 处理 器具有指令效率高、电路面积小和功率消释低等特点，满足了s o c 高性能、低 成本和低功耗的设计要求【l l 】。 s o c 的设计以i p 核为基础，以分层次的硬件描述语言为系统功能和结构的 主要描述手段，借助以计算机为平台的e d a 工具进行设计。片内使用i p 核是 s o c 的一个重要特征。著名的美国d a t a q u e s t 咨询公司将半导体产业的i p 定义 为用于专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 或 f p g c p l d 中的预先设计好的电路功能模块。口分为软i p 、固i p 、硬i p 。 软m 核：用v h d l 、v e r i l o g h d l 硬件描述语言描述的功能模块。 固口核：完成了综合的功能模块，有较大的设计深度，以网表文件的形 式提交客户使用。 硬i p 核：提供设计的最终阶段产品一掩膜。 显而易见，在具体实现手段和工艺技术尚未确定的逻辑设计阶段，软i p 核 具有最大的灵活性，很容易借助e d a 综合工具与其它外部逻辑结合为一体。相 比之下，固