基于DSP和FPGA的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　創(chuàng)新觀點(diǎn)：

　　本文將機(jī)器視覺(jué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使用TI公司新近推出的6000系列DSPsTMS320DM642為核心，應(yīng)用ALTERA公司的FPGA，用其實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理，減輕了DSPs的負(fù)擔(dān)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。

　　1、引言

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

　　目前，國(guó)際上視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，1998年的市場(chǎng)規(guī)模為46億美元。在國(guó)外，機(jī)器視覺(jué)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(jī)器視覺(jué)公司諸如德國(guó)克朗斯公司，美國(guó)的工業(yè)動(dòng)力機(jī)械有限公司等等。

　　而在國(guó)內(nèi)，工業(yè)視覺(jué)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(guó)內(nèi)公司多代理國(guó)外公司產(chǎn)品，自主研發(fā)的相對(duì)較少，這樣產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)售價(jià)相對(duì)很高，導(dǎo)致很多工廠在權(quán)衡利弊之后，放棄了使用機(jī)器視覺(jué)的想法。

　　但隨著我國(guó)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(duì)采用圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求開始廣泛出現(xiàn)，同時(shí)也由于視頻采集系統(tǒng)硬件產(chǎn)品的價(jià)格下降，國(guó)內(nèi)有關(guān)大專院校和研究所近兩年在圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了積極思索和大膽的嘗試，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。另外，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動(dòng)化的問(wèn)題以后，已開始將目光轉(zhuǎn)向視覺(jué)測(cè)量自動(dòng)化方面。這些應(yīng)用大多集中在如藥品檢測(cè)分裝、印刷色彩檢測(cè)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(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展的兩個(gè)趨勢(shì)：

　　1） 嵌入式系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和圖像檢測(cè)集成得更加緊密，另外基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)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(shì)，其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，機(jī)器視覺(jué)于網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌。

　　當(dāng)前，機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌，而同時(shí)具備運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器視覺(jué)，網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的企業(yè)無(wú)疑將走在前列。

　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本次設(shè)計(jì)以啤酒瓶檢測(cè)為設(shè)計(jì)背景，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)的這兩大發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)以TI公司TMS320DM642為核心的嵌入式系統(tǒng)，并應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸。

　　設(shè)計(jì)模塊示意圖：

　　
圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 視頻采集模塊

　　模擬視頻信號(hào)采用非標(biāo)準(zhǔn)制式，相機(jī)工作在外觸發(fā)方式下，由FPGA提供觸發(fā)信號(hào)，每觸發(fā)一次，相機(jī)傳送一場(chǎng)信號(hào)。進(jìn)入電路板的視頻信號(hào)幅值為1V，先經(jīng)過(guò)視頻運(yùn)算放大器EL4089放大并嵌位，使幅值升為2V.之后信號(hào)分兩路，一路送ISL59885視頻同步分離芯片產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步信號(hào)，一路經(jīng) AD9200進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將視頻信號(hào)解碼出行同步、場(chǎng)同步及8位的亮度信號(hào)送入FPGA模塊。

　　2. 2 FPGA模塊

　　Altera公司的EP1K100系列是性價(jià)比較高的可編程邏輯器件，它具有10萬(wàn)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(dá)250MHz，可滿足本卡多電壓高頻率工作要求。

　　這一部分主要負(fù)責(zé)整個(gè)板卡的邏輯控制，時(shí)序調(diào)整。FPGA接收視頻的行、場(chǎng)同步及亮度信號(hào)，并在FPGA中進(jìn)行圖像的預(yù)處理，可以在FPGA中進(jìn)行二值化、sobel邊緣分割、中值濾波。將處理后的亮度信號(hào)送入DM642的視頻口。由于ISL59885產(chǎn)生的行同步信號(hào)每?jī)尚蟹蛛x出一個(gè)，為了正確的采集，F(xiàn)PGA須在每?jī)蓚€(gè)行同步的中間加入一個(gè)行同步信號(hào)，送往DM642的視頻口。另外FPGA還負(fù)責(zé)視頻采集部分的采樣頻率、嵌位信號(hào)的產(chǎn)生，并行IO 控制信號(hào)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。

　　2.3 DM642模塊與存儲(chǔ)模塊

　　2.3.1 TMS320DM642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(gè)可配置的視頻口，10/100Mbps Ethernet MAC，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(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu) VelociT1.2TM，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行2個(gè)16*16位的乘法或4個(gè)8*8位的乘法。TMS320DM642內(nèi)含6個(gè)算術(shù)邏輯單元，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都可執(zhí)行2個(gè)16位或4個(gè)8位的加減比較移動(dòng)等運(yùn)算。在600MHz的時(shí)鐘頻率下，DM642每秒可以進(jìn)行24億次16位的乘累加或48億次 8位的乘累加。這樣強(qiáng)大的運(yùn)算能力，使得DM642可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的多視頻處理和圖像處理。

　　本設(shè)計(jì)利用視頻口進(jìn)行圖像采集，用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。

　　視頻口能夠支持BT.656、HDTV Y/C、MPEG-2 Transport stream input等多種格式的視頻數(shù)據(jù)的輸入輸出。本次設(shè)計(jì)采用逐行掃描且只采集亮度數(shù)據(jù)，視頻口工作在YcbCr 4：2：2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(dòng)一次EDMA同步事件，將數(shù)據(jù)從接收FIFO中倒到SDRAM中暫存下來(lái)。一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)采集之后，采用EDMA鏈接自動(dòng)重新配置EDMA參數(shù)。整個(gè)圖像采集只消耗極少的CPU時(shí)間，使CPU能夠把精力集中到后面的圖像處理工作中。