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

　　本文將機(jī)器視覺與網(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(jī)器視覺作為一種應(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(jī)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(jī)器視覺公司諸如德國克朗斯公司，美國的工業(yè)動(dòng)力機(jī)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(duì)較少，這樣產(chǎn)品在國內(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(duì)采用圖像和機(jī)器視覺技術(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)化的問題以后，已開始將目光轉(zhuǎn)向視覺測量自動(dòng)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(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展的兩個(gè)趨勢：

　　1) 嵌入式系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和圖像檢測集成得更加緊密，另外基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)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(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，機(jī)器視覺于網(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，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(jì)

　　本次設(shè)計(jì)以啤酒瓶檢測為設(shè)計(jì)背景，結(jié)合機(jī)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(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)傳送一場信號(hào)。進(jìn)入電路板的視頻信號(hào)幅值為1V，先經(jīng)過視頻運(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)每兩行分離出一個(gè)，為了正確的采集，F(xiàn)PGA須在每兩個(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。一場圖像數(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。

　　2.3.2 存儲(chǔ)器模塊

　　外擴(kuò)了SDRAM及FLASH兩種存儲(chǔ)器。

　　1 )SDRAM存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)設(shè)備控制，在133MHz的最佳運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行。SDRAM的刷新由TMS320DM642自動(dòng)控制。

　　2 )FLASH存儲(chǔ)器

　　本系統(tǒng)擴(kuò)展了1M的FLASH，映射在CE1空間的低位。FLASH存儲(chǔ)器選用1M*8的MBM29DL800。FLASH存儲(chǔ)器主要用于DSPs程序的存儲(chǔ)。CE1空間被配置成8bit，異步接口，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器也是8bit。復(fù)位后的默認(rèn)地址是000，并進(jìn)行1K數(shù)據(jù)的上電自動(dòng)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(gè)有效的接口。他支持10Base-T、100 Base-TX，可工作在10Mbits/second 和 100Mbits/second的速度下進(jìn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，支持標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于480*480大小的8位灰度的圖像，每秒可傳送20幅。

　　2.5 IO模塊與串行接口模塊

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

　　串行接口使用TI公司的TL16C752B UART，他與ST16C550 UART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(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理算法

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

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

　　之后，就可以對(duì)提取出來的像素點(diǎn)，進(jìn)行各種算法的處理。

　　以下是用Verilog語言描述的3*3 Sobel算子：

　　wire[10:0] temp1，temp2，temp3，temp4;

　　wire[7:0] sobel1，sobel2，sobel3，sobel4;

　　wire[7:0] dataout;

　　assign temp1 = temp[1] + temp[2] + temp[3];

　　assign temp2 = temp[7] + temp[8] + temp[9];

　　assign temp3 = temp[1] + temp[4] + temp[7];

　　assign temp4 = temp[3] + temp[6] + temp[9];

　　assign sobel1 = (temp1>temp2)?(temp1-temp2)：0 ;

　　assign sobel2 = (temp3>temp4)?(temp3-temp4)：0 ;

　　assign sobel3 = (sobel1>8’d 255) ? 8’d255 ： sobel1;

　　assign sobel4 = (sobel2>8’d 255) ? 8’d255 ： sobel2;

　　assign dataout[7:0] = ((sobel3 > sobel4)?sobel3[7:0]：sobel4[7:0]);

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

　　4、結(jié)束語

　　本次設(shè)計(jì)為機(jī)器視覺系統(tǒng)搭建圖像處理部分的硬件平臺(tái)，結(jié)合機(jī)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Video Port和Ethernet Media Access Controller實(shí)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(shí)現(xiàn)必要的圖像預(yù)處理算法，減輕TMS320DM642的負(fù)擔(dān)，為后續(xù)的圖像實(shí)時(shí)檢測打下了良好的基礎(chǔ)。

　　本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于480*480的灰度圖像，通過以太網(wǎng)進(jìn)行25 Frames/s的流暢的傳輸。

　　以下為FPGA實(shí)現(xiàn)的Sobel邊緣提取算法的效果：

　　圖3.原始圖像與Sobel邊緣提取后的圖像