基于DSP和FPGA的機器視覺系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于DSP和FPGA的機器視覺系統(tǒng)設計與實現(xiàn)創(chuàng)新觀點：本文將機器視覺與網(wǎng)絡技術相結(jié)合，使用TI公司新近推出的6000系列DSPsTMS320DM642為核心，應用ALTERA公司的FPGA，用其實現(xiàn)圖像預處理，減輕了DSPs的負擔。應用網(wǎng)絡技術實現(xiàn)圖像傳輸。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。應該說機器視覺作為一種應用系統(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，機器視覺的應用普及主要體現(xiàn)在半導體及電子行業(yè)，其中大概40%-50%都集中在半導體行業(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)尚處于概念導入期，導致以上各行業(yè)的應用很少，即便是有，也只是低端方面的應用，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，導致很多工廠在權衡利弊之后，放棄了使用機器視覺的想法。但隨著我國配套基礎建設的完善，技術、資金的積累，各行各業(yè)對采用圖像和機器視覺技術的工業(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)有關大專院校和研究所近兩年在圖像和機器視覺技術領域進行了積極思索和大膽的嘗試，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場的應用。另外，各行業(yè)的領先企業(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。真正高端的應用還很少，因此，以上相關行業(yè)的應用空間還比較大。嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡化是機器視覺系統(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)絡化是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其在工業(yè)自動化領域的應用也越來越廣泛，機器視覺于網(wǎng)絡通信等先進技術的結(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)絡通訊等先進技術的結(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)絡通訊幾方面技術背景的企業(yè)無疑將走在前列。2、系統(tǒng)硬件設計本次設計以啤酒瓶檢測為設計背景，結(jié)合機器視覺的這兩大發(fā)展趨勢，開發(fā)以TI公司TMS320DM642為核心的嵌入式系統(tǒng)，并應用以太網(wǎng)技術進行圖像傳輸。設計模塊示意圖：

圖1硬件結(jié)構框圖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)一次，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)