CN101393010B

CN101393010B - 嵌入式视觉检测系统

Info

Publication number: CN101393010B
Application number: CN2008100415767A
Authority: CN
Inventors: 张育民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-08-11
Also published as: CN101393010A

Abstract

本发明涉及一种嵌入式视觉检测系统。其具有多态电源控制单元，图像采集控制以及预处理单元，图像分析单元，人机交互单元；系统工作起始于图像采集控制以及预处理单元，其通过控制总线和图像传输总线(DMA方式)与人机交互单元通信，通过控制总线及DSP视频接口VIP与图像分析单元通信，同时图像的分析单元和人机交互单元交互信息通过并行接口HPI相连接，多态电源控制单元给上述模块提供电源电压。与现有技术相比，本发明结合了PC视觉系统和智能相机的特点，系统在高性能和人机交互能力上都得了体现，在由该系统提供的多种视频接口输入，可以同时满足高、中实时，高、中分辨率、中远距离目标检测的不同应用，完全可以用于高速流水线上物件的高复杂度检测并输出检测结果。

Description

嵌入式视觉检测系统

技术领域：

本发明涉及一种视觉系统，更具体地说涉及一种嵌入式视觉检测系统。

背景技术：

传统的检测一般由工人通过千分表、定中心表、卡尺等工具来完成对加工物件的检查，而随着工业化的发展，传统的检测技术已经很难再适应现有工业化大生产的需求。视觉系统通过对检测目标的图像采集分析，可快速、准确和高重复性自动完成对目标的测量工作而广泛应用于工业自动化生产中。同时在很多自动化生产线上，既要对加工件进行高速高复杂度的检测，但留给检测设备的安放空间又往往受限，因此对检测系统的尺寸又提出了要求，所以高度集成化是视觉检测系统的必然发展趋势。现在工业自动化检测中常用的视觉系统包括两种：一种是基于PC的视觉系统，一般由光源、光学镜头、CCD或CMOS相机、图像采集卡、图像处理软件以及一台PC机构成。其可达到理想的精度及速度，能实现复杂的检测功能，但系统尺寸大、结构复杂，开发周期较长。另一种是智能相机，对不同的应用，通过手持编程设备进行简单的编程，其系统结构轻巧，操作简单，开发速度快，但应用复杂度受限，而且不提供图像输出，无法实时监测生产过程。因此如何实现系统的高性能和高集成化是急待解决的问题，也是影响视觉系统发展的关键问题所在。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种高集成化的、高性能的、具有人机交互能力的、用于高速流水线上工件实时检测的嵌入式视觉检测系统。

本发明的目的是通过以下措施来实现：一种嵌入式视觉检测系统，其特征是：具有多态电源控制单元，图像采集控制以及预处理单元，图像分析单元，人机交互单元；系统工作起始于图像采集控制以及预处理单元，其通过控制总线和图像传输总线(DMA方式)与人机交互单元通信，通过控制总线及DSP视频接口VIP与图像分析单元通信，同时图像的分析单元和人机交互单元交互信息通过并行接口HPI相连接，多态电源控制单元给上述模块提供电源电压；其中：

所述的图像采集控制及预处理单元，其由图像采集前端接口电路，FPGA器件以及周边的SDRAM，FLASH，DDR存储器件构成；其中的图像采集前端接口由CVBS，千兆以太网，Camera Link接口，模拟视频AD，光电隔离/非隔离输入输出I/O电路构成；在FPGA内部用HDL语言设计实现的图像采集控制器，GAMMA校正、滤波、图像格式转换单元，以及图像锐化，图像增强，图像缩放，图像裁剪预处理单元，同时在FPGA还内嵌Altera特有的统一管理和协调上述各处理单元工作的可配置处理器(NIOS II)；

所述的图像分析单元含有：DSP(TMS320DM642)主芯片，32M的SDRAM，4M的NOR FLASH，PC104Plus扩展端口；

所述的人机交互单元包括：S3C2440 ARM处理器，主频400Mhz，64MSDRAM，2M Nor Flash，64M Nand Flash，提供通用的10/100 Ethernet，RS232，USB，SD Socket接口用于数据存储传递，提供LCD接口，外接用于实时图像监测的工业液晶屏；

所述多态电源控制单元为专用的电源管理系统，主要由DC/DC电源管理和LDO电源管理芯片构成；系统从外部接收12V，5V电源，采用TPS54310，PTH05000，LD1117电源管理芯片提供系统内的芯片工作所需要的1.2V、3.3V、2.5V、1.25V电源。

与现有技术相比，该系统结合了PC视觉系统和智能相机的特点，系统在高性能和人机交互能力上都得了体现，同时系统体积重量大大减小，功耗也显著降低，并且在由该系统提供的多种视频接口输入，可以同时满足高、中实时，高、中分辨率、中远距离目标检测的不同应用。其完全可以用于高速流水线上物件的高复杂度检测，轻巧的体积使它可灵活地安装在空间受限的生产线上，并提供实时的检测图像输出，让工程技术人员随时了解生产线上的检测情况，减少了工作的复杂度。

附图说明：

图1为本发明实施例结构框图。

图2为图像采集控制及预处理单元框图。

图3为FPGA内部结构框图

图4为图像分析单元框图。

图5为图像分析单元软件架构图。

图6为人机交互框图。

图7为人机交互单元软件架构图。

图8为多态电源控制单元框图。

具体实施方式：

下面结合附图对具体实施方式作详细说明：

图1给出了本发明实施例结构框图。一种嵌入式视觉检测系统，其具有：多态电源控制单元，图像采集控制以及预处理单元，图像分析单元和人机交互单元。系统起始于图像采集控制以及预处理单元，其通过控制总线及图像传输总线(DMA方式)与人机交互单元通信，通过控制总线及DSP视频接口VIP与图像分析单元通信，同时图像的分析单元和人机交互单元交互信息通过并行接口HPI相连接，多态电源控制单元给上述模块提供电源电压。

图2为图像采集控制及预处理单元框图。CVBS、Camera Link，千兆以太网等图像采集接口是为了适应不同的应用，CVBS是为了适应高实时，中低分辨率，近距离目标检测；Camera Link为了实现高实时，高速高分辨率，近距离目标的检测；千兆以太网：中实时，高速高分辨率，中远距离目标的检测。图像数据通过这些接口被视觉系统所采样，然后放入FPGA内部做图像预处理。

图3中的千兆以太网接口、Camera Link接口、模拟视频接口用于控制FPGA外对应的接口硬件电路，并接收来至外部输入的数字图像信号。光电隔离I/O接口主要用于控制外部相机、镜头和光源。为了补偿图像传感器的非线性关系，在图像预处理单元中，做了Gamma校正，同时对所采集的图像做了滤波处理。为了节省图像存储空间，FPGA内建立了颜色查找表用于图像信息索引。经过上述单元视频采样、Gamma校正、滤波和格式转换后的图像放入RGB帧缓存中，然后根据来自人机交互单元的指令对图像进行锐化、对比度增强、裁剪、缩放预处理，以提高目标的检测特征和划定图像处理区域，再将预处理后的图像数据放入DDR存储器，等待送给图像分析单元(DSP)做进一步检测之用。FPGA内的NIOS II处理器用来协调采集控制，锐化、增强、裁剪和缩放等单元的动作，SDRAM、FLASH、DDR控制器是用来控制外部的存储器件，进行数据和代码的传递。

图4为图像分析单元框图。图5为图像分析单元软件架构图。图像分析单元硬件由DSP芯片，存储器模块组成。软件架构中的BIOS是DSP平台的实时操作系统内核，包括多线程内核、实时分析工具、外设配置库；DSP设备驱动和外设驱动程序是用于初始化DSP芯片内部和外部的诸如SDRAM控制器、图像VIP接口等控制单元，提供常用硬件操作例程，是用户应用程序和硬件平台的中间接口；库函数既是一些用汇编或是C语言编写的图像分析函数，我们统称为分析工具，它们将被用户程序调用进行图像分析。在系统工作中，所述的DSP芯片接受来自人机交互单元接口(ARM)的指令和FPGA传来的图像数据进行分析，过程是DSP接收到来至ARM的指令后，根据指令内容调用DSP单元的用户库函数，即分析工具包对图像进行分析。这些分析工具可检测工件边缘的相对移动或目标图像的相对移动来确定工件的平移和旋转，然后修正检测工具，使检测工具与工件所识别位置和方向一致。可控制边缘的到位情况，特征块的到位情况，确定图像的到位数量和位置，等级，尺寸，确定平均灰度值或根据要求进行灰度变换，测量两预置点之间的距离，确定边缘或中心点。可评估所选择的图像及分析工具的结果，确认被测物为良品还是次品，可进行逻辑性操作并实时输出，由工件的重心位置，再根据设定检测边缘点，进行曲线拟合。同时还可以实现临界计量、缺陷检测、位置检测、全套组装确认、形状分析、部分定位、颜色确认、部件方向确定、部件识别等检测功能。DSP芯片根据检测要求完成对图象的检测判断，输出检测结果。图中的32M SDRMA是实现DSP程序的运行区，4M NOR FLASH是DSP的代码的存储区。

图6为人机交互框图。图7为人机交互单元软件架构图。其软件架构中的Linux系统内核用于初始化ARM，系统资源的管理和任务调度；Linux BSP负责系统基本硬件管理，网络的配置和文件系统的建立；ARM的设备和外设驱动程序依然负责诸如以太网、USB、SD等控制器的初始化和提供基本的硬件操作例程，并提供上层用户程序和库函数调用的接口；库函数和帮助文件主要是一些常用用户例程，如指令解释、图像的显示、数据传递和存储等。在系统工作中，该单元的作用是负责人机交互并实施实时的现场监控。图中的视频显示装置可设置图像的灰度级为256级，采用真彩LCD显示屏，通过手动触摸式完成系统任务的设定。其工作主要包括两个阶段，设定阶段：ARM分别发送指令到FPGA和DSP，指定工作区域的大小和工作的内容。用户可通过菜单命令、坐标输入或鼠标划定的方法发出该系列指令；工作阶段：FPGA根据划定的检测区域将图像数据送到DSP存储区，DSP根据来自ARM的工作内容指令，分析检测图像，并将处理结果给送还ARM，由ARM负责最终图形和检测结果的显示。另外，系统还提供角本语言解释器，用户可通过编程的方法来指定检测区域和检测方法，其中64M SDRAM是用来运行程序的区域，2M NOR FLASH和64M NANdFlash是用来存储系统代码和函数代码的区域，COM Debug和标准的10/100Ethernet接口是用于ARM部分调试的仿真接口。

图8为多态电源控制单元框图。FPGA需要有1.2V的核心电源，3.3V的I/O电源，DDR需要有2.5V的工作电压，1.25V的参考电压，ARM&DSP需要有1.4V的核心电源，3.3V的IO等电源。而这些器件都是高速器件，即自身工作需要的功耗很大，就要求电源管理系统能提供足够大的电流，比如FPGA的1.2V电源要求提供6A以上的额定电流，DSP的1.4V电源要求提供3A的额定电流。而系统只提供12V，5V电源电源输入，内部器件所需不同电源都要通过电源管理芯片转换得到，如果采用传统的LDO方式进行电源转换，纹波虽然小，但将有绝大部分的能量消耗在电源转换芯片上并产生大量热能，其转换效率低且影响系统稳定。所以，对于这些低压大电流的电源需求，我们采用了诸如TPS54310，PTH05000的DC/DC电源管理芯片和模块，其转换效率都可以到达85％以上，节约了功耗，降低了系统的热噪声。对于DC/DC带来的纹波问题，我们通过设计有效的多阶滤波电路，已经将电源纹波控制在40mV以下，远远小于传统的100mV标准。而对于低电压小电流的电源需求，我们仍采用LD1117这样的LDO芯片，它使用简单，节省空间，无需多余的电源滤波电路。

上述实施例并不构成对本发明的限制，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种嵌入式视觉检测系统，其特征是：具有多态电源控制单元，图像采集控制以及预处理单元，图像分析单元，人机交互单元；系统工作起始于图像采集控制以及预处理单元，其通过控制总线和图像传输总线DMA方式与人机交互单元通信，通过控制总线及DSP视频接口VIP与图像分析单元通信，同时图像的分析单元和人机交互单元交互信息通过并行接口HPI相连接，多态电源控制单元给上述模块提供电源电压；其中：

所述的图像采集控制及预处理单元，其由图像采集前端接口电路，FPGA器件以及周边的SDRAM，FLASH，DDR存储器件构成；其中的图像采集前端接口由CVBS，千兆以太网，Camera Link接口，模拟视频AD，光电隔离/非隔离输入输出I/O电路构成；在FPGA内部用HDL语言设计实现的图像采集控制器，GAMMA校正、滤波、图像格式转换单元，以及图像锐化，图像增强，图像缩放，图像裁剪预处理单元，同时在FPGA还内嵌Altera特有的统一管理和协调上述各处理单元工作的可配置处理器NIOS II；

所述的图像分析单元含有：DSP主芯片为TMS320DM642，32M的SDRAM，4M的NOR FLASH，PC104Plus扩展端口；

所述的人机交互单元包括：S3C2440ARM处理器，主频400Mhz，64MSDRAM，2M Nor Flash，64M Nand Flash，提供通用的10/100Ethernet，RS232，USB，SD Socket接口用于数据存储传递，提供LCD接口，外接用于实时图像监测的工业液晶屏；

所述多态电源控制单元为专用的电源管理系统，主要由DC/DC电源管理和LDO电源管理芯片构成；系统从外部接收12V，5V电源，采用TPS54310，PTH05000，LD1117电源管理芯片提供系统内的芯片工作所需要的1.2V、3.3V、 2.5V、1.25V电源。