基于DM642機器視覺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯基于DM642機器視覺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-技術(shù)方案1、引言

機器視覺自起步發(fā)展到現(xiàn)在，已有15年的發(fā)展歷史。應(yīng)該說機器視覺作為一種應(yīng)用系統(tǒng)，其功能特點是隨著工業(yè)自動化的發(fā)展而逐漸完善和發(fā)展的。

目前，國際上視覺系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，1998年的市場規(guī)模為46億美元。在國外，機器視覺的應(yīng)用普及主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%-50%都集中在半導(dǎo)體行業(yè)。具體如PCB印刷電路。主要的機器視覺公司諸如德國克朗斯公司，美國的工業(yè)動力機械有限公司等等。

而在國內(nèi)，工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導(dǎo)入期，導(dǎo)致以上各行業(yè)的應(yīng)用很少，即便是有，也只是低端方面的應(yīng)用，大多數(shù)國內(nèi)公司多代理國外公司產(chǎn)品，自主研發(fā)的相對較少，這樣產(chǎn)品在國內(nèi)售價相對很高，導(dǎo)致很多工廠在權(quán)衡利弊之后，放棄了使用機器視覺的想法。

但隨著我國配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對采用圖像和機器視覺技術(shù)的工業(yè)自動化、智能化需求開始廣泛出現(xiàn)，同時也由于視頻采集系統(tǒng)硬件產(chǎn)品的價格下降，國內(nèi)有關(guān)大專院校和研究所近兩年在圖像和機器視覺技術(shù)領(lǐng)域進行了積極思索和大膽的嘗試，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。另外，各行業(yè)的企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動化的問題以后，已開始將目光轉(zhuǎn)向視覺測量自動化方面。這些應(yīng)用大多集中在如藥品檢測分裝、印刷色彩檢測等。真正高端的應(yīng)用還很少，因此，以上相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用空間還比較大。

嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化是機器視覺系統(tǒng)發(fā)展的兩個趨勢：

1）嵌入式系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)采集、自動控制和圖像檢測集成得更加緊密，另外基于嵌入式系統(tǒng)的機器視覺系統(tǒng)具有極低的功耗。

2）網(wǎng)絡(luò)化是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，機器視覺于網(wǎng)絡(luò)通信等先進技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌。

當前，機器視覺與運動控制，網(wǎng)絡(luò)通訊等先進技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌，而同時具備運動控制，機器視覺，網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的企業(yè)無疑將走在前列。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計以啤酒瓶檢測為設(shè)計背景，結(jié)合機器視覺的這兩大發(fā)展趨勢，開發(fā)以TI公司TMS320DM642為的嵌入式系統(tǒng)，并應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)進行圖像傳輸。

2.1視頻采集模塊

模擬視頻信號采用非標準制式，相機工作在外觸發(fā)方式下，由FPGA提供觸發(fā)信號，每觸發(fā)，相機傳送一場信號。進入電路板的視頻信號幅值為1V，先經(jīng)過視頻運算放大器EL4089放大并嵌位，使幅值升為2V.之后信號分兩路，一路送ISL59885視頻同步分離芯片產(chǎn)生行同步、場同步信號，一路經(jīng)AD9200進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將視頻信號解碼出行同步、場同步及8位的亮度信號送入FPGA模塊。

2.2FPGA模塊

Altera公司的EP1K100系列是性價比較高的可編程邏輯器件，它具有10萬等效系統(tǒng)門，核電壓為2.5V，端口電壓兼容5V、3.3V，工作頻率可達250MHz，可滿足本卡多電壓高頻率工作要求。

這一部分主要負責整個板卡的邏輯控制，時序調(diào)整。FPGA接收視頻的行、場同步及亮度信號，并在FPGA中進行圖像的預(yù)處理，可以在FPGA中進行二值化、sobel邊緣分割、中值濾波。將處理后的亮度信號送入DM642的視頻口。由于ISL59885產(chǎn)生的行同步信號每兩行分離出一個，為了正確的采集，F(xiàn)PGA須在每兩個行同步的中間加入一個行同步信號，送往DM642的視頻口。另外FPGA還負責視頻采集部分的采樣頻率、嵌位信號的產(chǎn)生，并行IO控制信號的產(chǎn)生，以及串行接口部分通信協(xié)議RS-232、RS-442的選擇等等。

2.3DM642模塊與存儲模塊

2.3.1TMS320DM642模塊：

DM642是TI公司新近推出的一款應(yīng)用于視頻和圖像處理方面的芯片，他采用TMS320C64X系列DSPs的內(nèi)核，集成了一些面向視頻及圖像處理的外圍設(shè)備，例如集成了三個可配置的視頻口，10/100MbpsEthernetMAC，多通道串行音頻接口（McASP）及66MHz32位PCI總線。TMS320DM642采用TI公司開發(fā)的第二代高性能超長指令字結(jié)構(gòu)VelociT1.2TM，在每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行2個16*16位的乘法或4個8*8位的乘法。TMS320DM642內(nèi)含6個算術(shù)邏輯單元，在每個時鐘周期內(nèi)都可執(zhí)行2個16位或4個8位的加減比較移動等運算。在600MHz的時鐘頻率下，DM642每秒可以進行24億次16位的乘累加或48億次8位的乘累加。這樣強大的運算能力，使得DM642可以進行實時的多視頻處理和圖像處理。

本設(shè)計利用視頻口進行圖像采集，用以太網(wǎng)接口實現(xiàn)圖像傳輸。

視頻口能夠支持BT.656、HDTVY/C、MPEG-2Transportstreaminput等多種格式的視頻數(shù)據(jù)的輸入輸出。本次設(shè)計采用逐行掃描且只采集亮度數(shù)據(jù)，視頻口工作在YcbCr4：2：2方式下。視頻口與DM642的EDMA結(jié)合，每采集一行圖像數(shù)據(jù)便啟動EDMA同步事件，將數(shù)據(jù)從接收FIFO中倒到SDRAM中暫存下來。一場圖像數(shù)據(jù)采集之后，采用EDMA鏈接自動重新配置EDMA參數(shù)。整個圖像采集只消耗極少的CPU時間，使CPU能夠把精力集中到后面的圖像處理工作中。

2.3.2存儲器模塊

外擴了SDRAM及FLASH兩種存儲器。

1)SDRAM存儲器

在CE0空間連接了64bit的SDRAM總線。選取2片48LCHM3282來構(gòu)成SDRAM。這32M的SDRAM空間用來存儲程圖像數(shù)據(jù)和圖像處理中間結(jié)果等信息?？偩€由外部PLL驅(qū)動設(shè)備控制，在133MHz的運行狀態(tài)下運行。SDRAM的刷新由TMS320DM642自動控制。

2)FLASH存儲器

本系統(tǒng)擴展了1M的FLASH，映射在CE1空間的低位。FLASH存儲器選用1M*8的MBM29DL800。FLASH存儲器主要用于DSPs程序的存儲。CE1空間被配置成8bit，異步接口，F(xiàn)LASH存儲器也是8bit。復(fù)位后的默認地址是000，并進行1K數(shù)據(jù)的上電自動引導(dǎo)。

2.4以太網(wǎng)模塊

DM642上的EMAC接口為DSP處理內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)提供了一個有效的接口。他支持10Base-T、100Base-TX，可工作在10Mbits/second和100Mbits/second的速度下進行全雙工或半雙工傳輸。并提供硬件流量控制和QOS支持。

DM642的EMAC接口支持到計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，支持標準的MII接口（媒體無關(guān)接口）與物理層設(shè)備相連。物理層設(shè)備使用BROADCOM公司的BCM5221，加Pulse公司的1：1型隔離變壓器H1102。

網(wǎng)絡(luò)圖像及控制信息的傳輸采用非面向連接的UDP協(xié)議，對于480*480大小的8位灰度的圖像，每秒可傳送20幅。

2.5IO模塊與串行接口模塊

IO接口由FPGA控制，用于向機械部分、自動控制部分發(fā)送控制信號，并行IO接口有兩路，一路經(jīng)LV162245驅(qū)動輸出，一路經(jīng)光耦進行隔離輸出。

串行接口使用TI公司的TL16C752BUART，他與ST16C550UART引腳兼容，并具有更大的發(fā)送、接收FIFO緩存（發(fā)送、接收各64Byte），支持硬件、軟件流量控制。電平轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司的MAX3160，RS-232、RS-485、RS-422等多種傳輸協(xié)議。

3、FPGA實現(xiàn)圖像預(yù)處理算法

以FPGA實現(xiàn)3*3Sobel邊緣檢測為例，介紹FPGA實現(xiàn)圖像預(yù)處理的方法。

首先，應(yīng)從視頻信號中提取出3*3大小的圖像框。須使用三個FIFO，其大小與一行像素大小相同，將三個FIFO串行連接在一起。用視頻信號的前三行充滿三個FIFO，之后每來一個像素在寫入FIFO的同時，從每個FIFO中讀出一個像素的亮度值，分別放入三個移位寄存器。如此，在三個像素點之后就得到一個3*3的矩形框。隨著視頻信號的不斷流入，矩形框?qū)⒈闅v整個圖像區(qū)域。

之后，就可以對提取出來的像素點，進行各種算法的處理。

以下是用Verilog語言描述的3*3Sobel算子：

wire[10：0]temp1，temp2，temp3，temp4；

wire[7：0]sobel1，sobel2，sobel3，sobel4；

wire[7：0]dataout；

assigntemp1=temp[1]+temp[2]+temp[3]；

assigntemp2=temp[7]+temp[8]+temp[9]；

assigntemp3=temp[1]+temp[4]+temp[7]；

assigntemp4=temp[3]+temp[6]+temp[9]；

assignsobel1=(temp1temp2)(temp1-temp2)：0；

assignsobel2=(temp3temp4)(temp3-temp4)：0；

assignsobel3=(sobel18’d255)8’d255：sobel1；

assignsobel4=(sobel28’d255)8’d255：sobel2；

assigndataout[7：0]=((sobel3sobel4)sobel3[7：0]：sobel4[7：0])；

其中，考慮到了數(shù)據(jù)計算的溢出或結(jié)果為負值的情況，邊緣檢測效果良好。

4、結(jié)束語

本次設(shè)計為機器視覺系統(tǒng)搭建圖像處理部分的硬件平臺，結(jié)合機器視覺系統(tǒng)發(fā)展的兩大趨勢：嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；诿绹轮輧x器公司新近推出的6000系列DSPs芯片TMS320CDM642，利用TMS320DM642芯片上提供的VideoPort和EthernetMediaAccessController實現(xiàn)視頻采集與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。利用在線可編程技術(shù)，在FPGA中實現(xiàn)必要的圖像預(yù)處理算法，減輕TMS320DM642的負擔，