基于DSP和FPGA的機器視覺系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　創(chuàng)新觀點：

　　本文將機器視覺與網(wǎng)絡技術(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(shù)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(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)場的應用。另外，各行業(yè)的領(lǐng)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(guān)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(lǐng)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(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為核心的嵌入式系統(tǒng)，并應用以太網(wǎng)技術(shù)進行圖像傳輸。

　　設(shè)計模塊示意圖：

　　
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. 2 FPGA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。

　　2.3 DM642模塊與存儲模塊

　　2.3.1 TMS320DM642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(shè)備，例如集成了三個可配置的視頻口，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、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。