專利名稱：嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種視覺系統(tǒng)，更具體地說涉及一種嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)的檢測(cè)一般由工人通過千分表、定中心表、卡尺等工具來完成對(duì)加工物件的檢查，而隨著工業(yè)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)己經(jīng)很難再適應(yīng)現(xiàn)有工業(yè)化大生產(chǎn)的需求。視覺系統(tǒng)通過對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的圖像采集分析，可快速、準(zhǔn)確和高重復(fù)性自動(dòng)完成對(duì)目標(biāo)的測(cè)量工作而廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中。同時(shí)在很多自動(dòng)化生產(chǎn)線上，既要對(duì)加工件進(jìn)行高速高復(fù)雜度的檢測(cè)，但留給檢測(cè)設(shè)備的安放空間又往往受限，因此對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的尺寸又提出了要求，所以高度集成化是視覺檢測(cè)系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)中常用的視覺系統(tǒng)
包括兩種 一種是基于PC的視覺系統(tǒng)， 一般由光源、光學(xué)鏡頭、CCD或CMOS相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件以及一臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成。其可達(dá)到理想的精度及
速度，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢測(cè)功能，但系統(tǒng)尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)周期較長(zhǎng)。另一種是智能相機(jī)，對(duì)不同的應(yīng)用，通過手持編程設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧，操作簡(jiǎn)單，開發(fā)速度快，但應(yīng)用復(fù)雜度受限，而且不提供圖像輸出，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程。因此如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能和高集成化是急待解決的問題，也是影響視覺系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題所在
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足之處而提供一種高集成化的、高性能的、具有人機(jī)交互能力的、用于高速流水線上工件實(shí)時(shí)檢測(cè)的嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的是通過以下措施來實(shí)現(xiàn) 一種嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)，其
特征是:具有多態(tài)電源控制單元，圖像采集控制以及預(yù)處理單元，圖像分析單元,人機(jī)交互單元；系統(tǒng)工作起始于圖像采集控制以及預(yù)處理單元，其通過控制總線和圖像傳輸總線DMA方式與人機(jī)交互單元通信，通過控制總線及DSP視頻接口 VIP與圖像分析單元通信，同時(shí)圖像的分析單元和人機(jī)交互單元交互信息通過并行接口HPI相連接，多態(tài)電源控制單元給上述模塊提供電源電壓；其中
所述的圖像采集控制及預(yù)處理單元，其由圖像采集前端接口電路，F(xiàn)PGA器件以及周邊的SDRAM， FLASH, DDR存儲(chǔ)器件構(gòu)成；其中的圖像采集前端接口由CVBS，千兆以太網(wǎng)，Camera Link接口，模擬視頻AD，光電隔離/非隔離輸入輸出I/O電路構(gòu)成；在FPGA內(nèi)部用HDL語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的圖像采集控制器，GAMMA校正、濾波、圖像格式轉(zhuǎn)換單元，以及圖像銳化，圖像增強(qiáng)，圖像縮放，圖像裁剪預(yù)處理單元，同時(shí)在FPGA還內(nèi)嵌Altera特有的統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)上述各處理單元工作的可配置處理器NIOS II;
所述的圖像分析單元含有:DSP TMS320DM642主芯片，32M的SDRAM,4M的NOR FLASH, PC104Plus擴(kuò)展端口 ；
所述的人機(jī)交互單元包括S3C2440 ARM處理器，主頻400Mhz， 64MSDRAM， 2M Nor Flash, 64MNand Flash,提供通用的10/100 Ethernet, RS232,USB， SD Socket接口用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳遞，提供LCD接口，外接用于實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測(cè)的工業(yè)液晶屏；所述多態(tài)電源控制單元為專用的電源管理系統(tǒng)，主要由DC/DC電源管理和
LDO電源管理芯片構(gòu)成；系統(tǒng)從外部接收12V， 5V電源，采用TPS54310，PTH05000 ， LD1117電源管理芯片提供系統(tǒng)內(nèi)的芯片工作所需要的1.2V、 3.3V、2.5V、 1.25V電源。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型結(jié)合了PC視覺系統(tǒng)和智能相機(jī)的特點(diǎn)，系統(tǒng)在高性能和人機(jī)交互能力上都得了體現(xiàn)，同時(shí)系統(tǒng)體積重量大大減小，功耗也顯著降低，并且在由該系統(tǒng)提供的多種視頻接口輸入，可以同時(shí)滿足高、中實(shí)時(shí)，高、中分辨率、中遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測(cè)的不同應(yīng)用。其完全可以用于高速流水線上物件的高復(fù)雜度檢測(cè)，輕巧的體積使它可靈活地安裝在空間受限的生產(chǎn)線上，并提供實(shí)時(shí)的檢測(cè)圖像輸出，讓工程技術(shù)人員隨時(shí)了解生產(chǎn)線上的檢測(cè)情況，減少了工作的復(fù)雜度。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為圖像采集控制及預(yù)處理單元框圖。
圖3為FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
圖4為圖像分析單元框圖。
圖5為圖像分析單元軟件架構(gòu)圖。
圖6為人機(jī)交互框圖。
圖7為人機(jī)交互單元軟件架構(gòu)圖。
圖8為多態(tài)電源控制單元框圖。
具體實(shí)施方式
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以下結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明圖1給出了本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)框圖。 一種嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)，其具有多態(tài)電源控制單元，圖像采集控制以及預(yù)處理單元，圖像分析單元和人機(jī)交互單元。系統(tǒng)起始于圖像采集控制以及預(yù)處理單元，其通過控制總線及圖像傳
輸總線(DMA方式)與人機(jī)交互單元通信，通過控制總線及DSP視頻接口 VIP
與圖像分析單元通信，同時(shí)圖像的分析單元和人機(jī)交互單元交互信息通過并行
接口 HPI相連接，多態(tài)電源控制單元給上述模塊提供電源電壓。
圖2為圖像采集控制及預(yù)處理單元框圖。CVBS、 CameraLink，千兆以太網(wǎng)等圖像采集接口是為了適應(yīng)不同的應(yīng)用，CVBS是為了適應(yīng)高實(shí)時(shí)，中低分辨率，近距離目標(biāo)檢測(cè)；CameraLink為了實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)，高速高分辨率，近距離目標(biāo)的檢測(cè)；千兆以太網(wǎng)中實(shí)時(shí)，高速高分辨率，中遠(yuǎn)距離目標(biāo)的檢測(cè)。圖像數(shù)據(jù)通過這些接口被視覺系統(tǒng)所采樣，然后放入FPGA內(nèi)部做圖像預(yù)處理。
圖3中的千兆以太網(wǎng)接口、CameraLink接口、模擬視頻接口用于控制FPGA外對(duì)應(yīng)的接口硬件電路，并接收來至外部輸入的數(shù)字圖像信號(hào)。光電隔離I/0接口主要用于控制外部相機(jī)、鏡頭和光源。為了補(bǔ)償圖像傳感器的非線性關(guān)系，在圖像預(yù)處理單元中，做了 Gamma校正，同時(shí)對(duì)所采集的圖像做了濾波處理。為了節(jié)省圖像存儲(chǔ)空間，F(xiàn)PGA內(nèi)建立了顏色查找表用于圖像信息索引。經(jīng)過上述單元視頻采樣、Gamma校正、濾波和格式轉(zhuǎn)換后的圖像放入RGB幀緩存中，然后根據(jù)來自人機(jī)交互單元的指令對(duì)圖像進(jìn)行銳化、對(duì)比度增強(qiáng)、裁剪、縮放預(yù)處理，以提高目標(biāo)的檢測(cè)特征和劃定圖像處理區(qū)域，再將預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)放入DDR存儲(chǔ)器，等待送給圖像分析單元(DSP)做進(jìn)一步檢測(cè)之用。FPGA內(nèi)的NIOSII處理器用來協(xié)調(diào)采集控制，銳化、增強(qiáng)、裁剪和縮放等單元的動(dòng)作，SDRAM、 FLASH、 DDR控制器是用來控制外部的存儲(chǔ)器件，進(jìn)行數(shù)據(jù)和代碼的傳遞。
圖4為圖像分析單元框圖。圖5為圖像分析單元軟件架構(gòu)圖。圖像分析單元硬件由DSP芯片，存儲(chǔ)器模塊組成。軟件架構(gòu)中的BIOS是DSP平臺(tái)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，包括多線程內(nèi)核、實(shí)時(shí)分析工具、外設(shè)配置庫；DSP設(shè)備驅(qū)動(dòng)和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是用于初始化DSP芯片內(nèi)部和外部的諸如SDRAM控制器、圖像VIP接口等控制單元，提供常用硬件操作例程，是用戶應(yīng)用程序和硬件平臺(tái)的中間接口；庫函數(shù)既是一些用匯編或是C語言編寫的圖像分析函數(shù)，我們統(tǒng)稱為分析工具，它們將被用戶程序調(diào)用進(jìn)行圖像分析。在系統(tǒng)工作中，所述的DSP芯片接受來自人機(jī)交互單元接口 (ARM)的指令和FPGA傳來的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，過程是DSP接收到來至ARM的指令后，根據(jù)指令內(nèi)容調(diào)用DSP單元的用戶庫函數(shù)，即分析工具包對(duì)圖像進(jìn)行分析。這些分析工具可檢測(cè)工件邊緣的相對(duì)移動(dòng)或目標(biāo)圖像的相對(duì)移動(dòng)來確定工件的平移和旋轉(zhuǎn)，然后修正檢測(cè)工具，使檢測(cè)工具與工件所識(shí)別位置和方向一致。可控制邊緣的到位情況，特征塊的到位情況，確定圖像的到位數(shù)量和位置，等級(jí)，尺寸，確定平均灰度值或根據(jù)要求進(jìn)行灰度變換，測(cè)量?jī)深A(yù)置點(diǎn)之間的距離，確定邊緣或中心點(diǎn)?？稍u(píng)估所選擇的圖像及分析工具的結(jié)果，確認(rèn)被測(cè)物為良品還是次品，可進(jìn)行邏輯性操作并實(shí)時(shí)輸出，由工件的重心位置，再根據(jù)設(shè)定檢測(cè)邊緣點(diǎn)，進(jìn)行曲線擬合。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)臨界計(jì)量、缺陷檢測(cè)、位置檢測(cè)、全套組裝確認(rèn)、形狀分析、部分定位、顏色確認(rèn)、部件方向確定、部件識(shí)別等檢測(cè)功能。DSP芯片根據(jù)檢測(cè)要求完成對(duì)圖象的檢測(cè)判斷，輸出檢測(cè)結(jié)果。圖中的32M SDRMA是實(shí)現(xiàn)DSP程序的運(yùn)行區(qū)，4MNORFLASH是DSP的代碼的存儲(chǔ)區(qū)。圖6為人機(jī)交互框圖。圖7為人機(jī)交互單元軟件架構(gòu)圖。其軟件架構(gòu)中的
Linux系統(tǒng)內(nèi)核用于初始化ARM，系統(tǒng)資源的管理和任務(wù)調(diào)度；LinuxBSP負(fù)責(zé)系統(tǒng)基本硬件管理，網(wǎng)絡(luò)的配置和文件系統(tǒng)的建立；ARM的設(shè)備和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序依然負(fù)責(zé)諸如以太網(wǎng)、USB、 SD等控制器的初始化和提供基本的硬件操作例程，并提供上層用戶程序和庫函數(shù)調(diào)用的接口；庫函數(shù)和幫助文件主要是一些常用用戶例程，如指令解釋、圖像的顯示、數(shù)據(jù)傳遞和存儲(chǔ)等。在系統(tǒng)工作中，該單元的作用是負(fù)責(zé)人機(jī)交互并實(shí)施實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。圖中的視頻顯示裝置可設(shè)置圖像的灰度級(jí)為256級(jí)，采用真彩LCD顯示屏，通過手動(dòng)觸摸式完成系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)定。其工作主要包括兩個(gè)階段，設(shè)定階段ARM分別發(fā)送指令到FPGA和DSP，指定工作區(qū)域的大小和工作的內(nèi)容。用戶可通過菜單命令、坐標(biāo)輸入或鼠標(biāo)劃定的方法發(fā)出該系列指令；工作階段FPGA根據(jù)劃定的檢測(cè)區(qū)域?qū)D像數(shù)據(jù)送到DSP存儲(chǔ)區(qū)，DSP根據(jù)來自ARM的工作內(nèi)容指令，分析檢測(cè)圖像，并將處理結(jié)果給送還ARM,由ARM負(fù)責(zé)最終圖形和檢測(cè)結(jié)果的顯示。另外，系統(tǒng)還提供角本語言解釋器，用戶可通過編程的方法來指定檢測(cè)區(qū)域和檢測(cè)方法，其中64M SDRAM是用來運(yùn)行程序的區(qū)域，2M NOR FLASH和64M NANdFlash是用來存儲(chǔ)系統(tǒng)代碼和函數(shù)代碼的區(qū)域，COM Debug和標(biāo)準(zhǔn)的10/100Ethernet接口是用于ARM部分調(diào)試的仿真接口 。
圖8為多態(tài)電源控制單元框圖。FPGA需要有1.2V的核心電源，3.3V的1/ O電源，DDR需要有2.5V的工作電壓，1.25V的參考電壓，ARM&DSP需要有1.4V的核心電源，3.3V的IO等電源。而這些器件都是高速器件，即自身工作需要的功耗很大，就要求電源管理系統(tǒng)能提供足夠大的電流，比如FPGA的1.2V電源要求提供6A以上的額定電流，DSP的1.4V電源要求提供3A的額定電流。而系統(tǒng)只提供12V， 5V電源電源輸入，內(nèi)部器件所需不同電源都要通過電源管理芯片轉(zhuǎn)換得到，如果采用傳統(tǒng)的LDO方式進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，紋波雖然小，但將有絕大部分的能量消耗在電源轉(zhuǎn)換芯片上并產(chǎn)生大量熱能，其轉(zhuǎn)換效率低且影響系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，對(duì)于這些低壓大電流的電源需求，我們采用了諸如TPS54310，PTH05000的DC/DC電源管理芯片和模塊，其轉(zhuǎn)換效率都可以到達(dá)85%以上，節(jié)約了功耗，降低了系統(tǒng)的熱噪聲。對(duì)于DC/DC帶來的紋波問題，我們通過設(shè)計(jì)有效的多階濾波電路，己經(jīng)將電源紋波控制在40mV以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的100mV標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于低電壓小電流的電源需求，我們?nèi)圆捎肔D1117這樣的LDO芯片，它使用簡(jiǎn)單，節(jié)省空間，無需多余的電源濾波電路。
上述實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限制，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求1. 一種嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是具有多態(tài)電源控制單元，圖像采集控制以及預(yù)處理單元，圖像分析單元，人機(jī)交互單元；系統(tǒng)工作起始于圖像采集控制以及預(yù)處理單元，其通過控制總線和圖像傳輸總線DMA方式與人機(jī)交互單元通信，通過控制總線及DSP視頻接口VIP與圖像分析單元通信，同時(shí)圖像的分析單元和人機(jī)交互單元交互信息通過并行接口HPI相連接，多態(tài)電源控制單元給上述模塊提供電源電壓；其中所述的圖像采集控制及預(yù)處理單元，其由圖像采集前端接口電路，F(xiàn)PGA器件以及周邊的SDRAM，F(xiàn)LASH，DDR存儲(chǔ)器件構(gòu)成；其中的圖像采集前端接口由CVBS，千兆以太網(wǎng)，Camera Link接口，模擬視頻AD，光電隔離/非隔離輸入輸出I/O電路構(gòu)成；在FPGA內(nèi)部用HDL語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的圖像采集控制器，GAMMA校正、濾波、圖像格式轉(zhuǎn)換單元，以及圖像銳化，圖像增強(qiáng)，圖像縮放，圖像裁剪預(yù)處理單元，同時(shí)在FPGA還內(nèi)嵌Altera特有的統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)上述各處理單元工作的可配置處理器NIOS II；所述的圖像分析單元含有DSP TMS320DM642主芯片，32M的SDRAM，4M的NOR FLASH，PC104Plus擴(kuò)展端口；所述的人機(jī)交互單元包括S3C2440ARM處理器，主頻400Mhz，64MSDRAM，2M Nor Flash，64M Nand Flash，提供通用的10/100Ethernet，RS232，USB，SD Socket接口用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳遞，提供LCD接口，外接用于實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測(cè)的工業(yè)液晶屏；所述多態(tài)電源控制單元為專用的電源管理系統(tǒng)，主要由DC/DC電源管理和LDO電源管理芯片構(gòu)成；系統(tǒng)從外部接收12V，5V電源，采用TPS54310，PTH05000，LD1117電源管理芯片提供系統(tǒng)內(nèi)的芯片工作所需要的1.2V、3.3V、2.5V、1.25V電源。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種嵌入式視覺檢測(cè)系統(tǒng)。其具有多態(tài)電源控制單元，圖像采集控制以及預(yù)處理單元，圖像分析單元，人機(jī)交互單元；系統(tǒng)工作起始于圖像采集控制以及預(yù)處理單元，其通過控制總線和圖像傳輸總線(DMA方式)與人機(jī)交互單元通信，通過控制總線及DSP視頻接口VIP與圖像分析單元通信，同時(shí)圖像的分析單元和人機(jī)交互單元交互信息通過并行接口HPI相連接，多態(tài)電源控制單元給上述模塊提供電源電壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型結(jié)合了PC視覺系統(tǒng)和智能相機(jī)的特點(diǎn)，系統(tǒng)在高性能和人機(jī)交互能力上都得了體現(xiàn)，在由該系統(tǒng)提供的多種視頻接口輸入，可以同時(shí)滿足高、中實(shí)時(shí)，高、中分辨率、中遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測(cè)的不同應(yīng)用，完全可以用于高速流水線上物件的高復(fù)雜度檢測(cè)并輸出檢測(cè)結(jié)果。
文檔編號(hào)G01B11/00GK201269744SQ20082015182
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者張育民 申請(qǐng)人:張育民