嵌入式旋转对称三角测量传感器硬件设计.doc

嵌入式旋转对称三角测量传感器硬件设计* 安徽省优秀青年科技基金择优项目（08040106901），安徽省科技攻关项目(2008AKKG0384)凌虎 张旭东 胡良梅（合肥工业大学图像信息处理研究室 合肥 230009）摘要 旋转对称三角传感器的旋转对称特点使其比其他传统的激光传感器具有更强的测量环境适应能力。将该种传感器应用于工业，实时性和便携性十分重要。根据传感器的特点，我们设计了基于高性能DSP的嵌入式处理平台和CMOS传感器，在相应的嵌入式软件的测试中，实现了测量的实时性，同时也实现了处理平台的小型化。关键词 旋转对称三角传感器；TMS320DM643；硬件处理平台Hardware Design of Embedded Rotationally Symmetric Triangulation SensorLing Hu Zhang Xudong Hu Liangmei(Lab. of Images Information Processing, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract The rotationally symmetric triangulation(RST) sensor has a stronger environmental adaptability than the traditional laser triangulation because of the rotational symmetrical characteristicsReal-time and portability is important to the sensors used for industry. According to the rotationally symmetric characteristics of the sensors, we design high-performance DSP-based embedded processing platforms and CMOS sensors, by testing with the embedded codes, achieving real-time testing and system miniaturization.Key words Rotationally Symmetric Triangulation; TMS320DM643; Hardware Processing Platform; 中图分类号：TP212.6 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：510.40501 引 言 激光三角原理的测距系统具有非接触、高精度、易于自动控制等优点，目前是精密仪器领域研究的热点。本文研究的嵌入式旋转对称三角测量传感器，由于其传感器结构的特点，充分利用测量信息，使传感器具有很高的测量精度，且具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强及使用灵活方便等优点，在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用 。2 三角测量原理及旋转对称三角测量探头激光三角测距法的原理是激光器发出的一束激光经过聚焦后，形成一束很细小的光斑照射到待测物体表面上，反射的光被位置敏感传感器(Position Sensitive Detector)接收，传感器的控制部分根据激光在PSD传感器上的位置计算出待测物体到传感器的距离。如图1是根据激光三角测量原理的示意图。图1 激光三角测量原理示意图传统的激光三角法具有良好的特性，它已经被广泛的应用于工业领域。然而，传统三角测量方法的最大的缺点是方向依赖性，当物体表面不具有各向同性的散射特性时，传感器就将无法工作。典型的例子如图2所示，当激光扫描到沟槽中时，由于散射光线被物体本身所遮挡，使得接收器无法检测到信号，导致传感器在某些位置上无法工作。图2 传统激光三角传感器的检测缺陷为缓解这种三角测量法上的方向依赖问题，我们改进传感器的结构和工作原理，使得传感器具有旋转对称性。如图3所示，光学设计是由使用两片具有旋转对称性的放射镜面实现的，激光被投影到被测物体表面，来自表面的散射光线被光学系统收集，在检测器上产生一幅圆环图像。通过检测圆环的半径，我们可以获得被测物体表面到传感器的距离。仿真实验证明：检测对象与检测圆环的半径r基本上满足线性关系，证明这种检测方法的可行性。经镜面反射和聚焦形成的激光圆环图像，由高分辨率的CMOS图像传感器接收，将光信号转变为计算机可以处理圆环图像，这个圆环由离散的点构成，通过滤波、统计、等一系列复杂运算即可得到圆环半径，根据此半径可得到待测物件测量点到CMOS传感器的距离。图3 旋转对称传感器的光学设计原理3 嵌入式旋转对称三角测量传感器DSP硬件平台总体设计在传感器探头和处理算法确定的条件下，测量精度由算法的像素量决定，CMOS分辨率的增加会增加运算量，影响传感器测量的实时性。我们的实验显示，通用计算机在计算半径需要花费较多时间，不能达到实时测量。为提高运算能力和传感器便携性能，我们使用专门的高性能图像处理芯片，根据旋转对称传感器的特点设计嵌入式DSP平台,采用TI TMS320DM643作为系统的处理器平台。他是一款高速定点多媒体处理器，主要特点：TMS320DM643内核时钟达600MHz，机器周期为1.67ns，拥有8个独立功能单元(两个乘法器和六个ALU)，可达4800MIPS，采用哈佛总线结构，独立的程序和数据总线，外围接口资源丰富，低功耗等特点。如图，是嵌入式处理平台设计方案的模块图：图4 嵌入式DSP平台模块图上图示，嵌入式处理平台主要由四个功能模块构成：处理器模块、存储器模块、CMOS传感器模块和以太网模块。这四个部分以DSP处理器为核心，总筹各模块和数据处理；CMOS Sensor部分是激光图像采集部分，将旋转对称传感器输出的激光图像转换为DSP可以处理的图像数据；EMIFA（外部存储器扩展接口）扩展的CE0空间64位 32MB SDRAM用于加载DSP/BIOS、操作系统、应用程序和占用内存较多的图像数据等；CE1空间扩展了1MB Flash ROM存储DSP/BIOS、操作系统、应用程序等固件程序，CE2空间扩展了1MB Flash ROM存储计算时需要的参数和查表信息；DSP的EMAC(增强型媒体访问控制接口)和MDIO（管理数据输入输出）接口扩展了100Mbps快速以太网用于嵌入式平台与上位机的通信；DSP的GPIO（通用输入输出）接口与传感器激光控制电路连接，负责根据待测件特性和测量环境特征动态调整激光强度。4 处理平台和CMOS传感器的电路实现4.1 处理平台的电路实现TMS320DM643丰富和可灵活配置的接口使以上的模块实现起来很简单，下面是具体实现的电路和方法。1) 外部存储器扩展接口(EMIFA)的CE0空间扩展了64位字长、时钟频率133MHz、总存储量32MB的SDRAM用于存储嵌入式的程序和图像数据，我们选用了Hynix HY57V283220(L)T(P)-7芯片2片并行运行来达到设计要求。如图5是SDRAM与EMIFA的连接示意图：图5 HY57V283220(L)T(P)-7和DM643连接示意图2) 选择EMIF Boot模式。EMIF Boot模式在DSP上电启动时将自动读取EMIF CE1空间的程序到内存中执行，因此我们按EMIF Boot的建议，在CE1空间上扩展1MB Flash，工作在8位异步方式，用于嵌入式系统上电后自动从外部存储器加载DSP的硬件驱动、操作系统和应用程序。3) 在CE2空间扩展Flash存储器1MB用于存储图像处理时需要的常量和查表数据，按16位工作；图6 Flash与DM643连接示意图如图6是CE2上扩展Flash的电路图，其中数据线16位。CE1上扩展的Flash电路图与图6基本相同，只是选用8为数据宽的芯片或是16位工作在BYTE模式。4) DM643内嵌了以太网的MAC层设备，配备相应的PHY收/发设备、线路变压器等即可用于与上位机通信。PHY收发设备设计选用了Intel LXT971A，起隔离作用的电磁变压器XFMR选用了Pulse公司的10/100BASE-T单口表面贴装电磁变压器H1101。如图是其原理示意图：图6 DSP内嵌的EMAC、MDIO与PHY连接示意图4.2 CMOS 图像传感器设计传感器采用红光激光器作为测量光源，嵌入式处理平台使用CMOS Image Sensor来采集激光圆环图像，CMOS图像传感器的分辨率直接决定精度，同时分辨率也决定运算量和运算时间，以致决定是否系统能达到实时运算的要求。我们采用了Micron的MT9T001P12STC图像传感器，该传感器为3百万像素，24位真彩色，之所以选择3百万像素是因为这样可以满足测量精度要求且运算和传输所需时间能满足要求，选择24位真彩色，是为了以后能进行扩展和再次开发。Micron的MT9T001P12STC传感器采用了DigitalClarityTM技术，使其传感器具有使性能上达到了CCD(电荷耦合元件)图像传感器的性能，即高信噪比、高弱光灵敏度，这一点对减少测量时可见光对激光图像的影响很重要；该传感器还具有高拍摄帧速，控制简单，增益、帧速率、帧尺寸、曝光度可编程调节等特点。为了尽可能减少图像采集造成的圆环信息的损失，MT9T001P12STC工作在RAW Capture模式，所谓RAW Capture模式即直接从CMOS Image Sensor中抓取的未经处理的图像，我们称为RAW格式图像，由于未经处理，这种图像最大程度的保留的原始信息。MT9T001P12STC与Video Port的连接如图5所示：图7 MT9T001与TMS320DM643的连接示意图5 系统调试我们设计了嵌入式DSP系统主板和CMOS图像传感器子板，由于电路板是第一版，经过调试系统初步达到了设计要求，可以进行激光图像采集、计算和数据传输，并且DSP还有较多的时间冗余量进行处理算法的扩展和功能增加。如图8是采集的圆环图像和图9是圆环局部的图像：图8 CMOS采集的激光圆环图像图9 激光圆环图像的局部特征结束语本论文的主要研究工作依托国际自然科学基金国际合作项目“Augmented optical distance measure ment system by integrated vision capability”(2007)，实现了基于旋转对称三角传感器嵌入式DSP处理硬件平台，通过测试达到测量精度高(可达10微米级)和实时测量的要求，并且通过后端软件的处理，可实现对待测工件的三维重建。参考文献1 王晓嘉旋转对称三角传感器智能信号处理系统研究D合肥：合肥工业大学计算机与信息学院，20072 陈果，高隽，赵莹. 旋转对称位移测量系统在DSP上的实现. 仪器仪表学报，2007，28(8)，增刊：23-273 Wang Xiaojia，Gao Jun，Wang LeiSurvey on the laser triangulationJChinese Journal of Scientific Instrument，2004，25(4)：601604.4 Ott POptical design of rotational symmetric triangulation sensors with low cost detectors based on reflective optics CSPIE 5144，International Conference on Optical Measurement Systems for Industria