CN103108165A - 一种基于dsp的嵌入式浮选泡沫图像监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DSP的嵌入式矿物浮选泡沫图像监控装置,由图像采集装置、图像处理核心板模块和通讯接口板模块组成，三个部件集成在防护罩内，图像处理核心板和通讯接口板分别由独立的板卡实现，通过总线插槽相连；图像采集装置由高分辨率工业摄像机、高频光源、防护等级为IP65的双防护罩组成；计算处理核心板主要由处理器构成，负责图像的实时处理和分析；通讯接口底板负责传送图像由摄像机至视频芯片和外部显示设备及上位机进行通讯。本发明用于矿物泡沫浮选过程监控、实时处理及优化控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DSP的嵌入式矿物泡沫浮选图像监控装置，是一种用于获取矿物泡沫浮选视觉信息，对图像进行本地处理以避免大数据量的图像传输，并具有多种外围端口的一种小型低功耗高性能装置。
背景技术
浮选是矿物加工中应用最广泛的一种选矿方法，通过极其复杂的物理化学反应过程进行矿化起泡。浮选泡沫是由气固液三相组成的三维复杂体，包含着如气泡大小、颜色、速度等与浮选状态及指标的视觉信息。多年来选厂主要靠生产工人观察泡沫来调节操作，但泡沫状态呈随机性，而不同操作人员对泡沫状态的判断没有统一定量的标准，导致操作的主观性和随意性较大，是浮选过程难以处于最优运行状态，常出现生产过程不稳定，浪费矿物资源等问题。随着自动控制、计算机、嵌入式系统等技术的发展，研究开发浮选泡沫嵌入式机器装置，利用图像信息定量地反映浮选过程状态，并给出参考操作信息已成为可能。目前，浮选泡沫上应用的机器视觉系统大多是基于PC构架的，基于PC构架的图像处理系统的优势主要体现在其通用性、可扩充性上。但是，这种视觉系统价格昂贵，软件需要定制，其开发工作复杂，开发周期长，而且受工作环境限制，移动性能较差。另外，基于PC构架的图像处理系统的处理器只有一个，难以通过并行处理来提高多组矿物泡沫浮选设备的响应速度，而且PC计算机使用的是功能复杂的Windows操作系统，较多的系统资源消耗在系统服务中，从而影响系统的整体计算性能，而且其较大的体积和重量对于工作设备的可移动性而言也是一种缺陷。
发明内容
为了解决现有PC架构的泡沫浮选监控技术中存在的不足和缺陷，本发明目的在于设计一种基于DSP的体积小、功耗低、计算能力强的嵌入式矿物浮选泡沫图像监控装置。
一种基于DSP的嵌入式浮选泡沫图像监控装置，包括：
图像采集装置，负责图像的采集；
图像处理核心板，负责图像的实时处理和分析；
通讯接口板，负责图像的输入解码与外部显示设备通讯和输出最后的决策控制信号；
所述图像采集装置与通讯接口板通过BNC电缆相连；图像处理核心板和通讯接口板通过总线插槽相连；
图像采集装置包括：内装有矿物泡沫的浮选槽、防护罩、摄像机、高频光源、电源，其中摄像机与通讯接口板、图像处理核心板通过电缆相连，并均嵌在防护罩内，由铆钉固定，且在防护罩、高频光源及电源外再套浮选槽，所述的高频光源由电源提供电力并对矿物泡沫进行照明，所述的摄像机拍摄被高频光源照射下的矿物泡沫，通讯板的以太网端口通过网线与PC机相连。
图像处理核心板包括：动态随机存储器DRAM、FLASH存储器、DSP处理器；DSP处理器的数据总线和地址总线与动态存储器和FLASH存储器相连，DSP处理器通过指定的地址访问动态存储器内所存储的动态数据和FLASH存储器内存储的静态数据；
通讯接口板包括：摄像头输入端口、视频解码芯片、以太网控制器、以太网端口、通用异步收发器、RS232收发器、RS232端口、数字量IO端口；
摄像头输入端口与摄像机相连，用于采集摄像机的模拟图像；
视频解码芯片分别与摄像头输入端口和DSP处理器相连，用于接收摄像头输入端口的模拟图像并进行解码，生成的数字图像输出到DSP处理器，且DSP处理器对解码芯片进行控制；
以太网控制器分别与DSP处理器和以太网端口相连，用于实现DSP处理器与以太网之间通信数据的物理层协议封装；
以太网端口连接至以太网，用于从以太网中接收数据或者发送数据到以太网；
通用异步收发器的控制器与DSP处理器相连，用于实现DSP处理器的并行数据与通用异步收发器的串行通信数据之间的协议转换；
RS232收发器分别与通用异步收发器和RS232端口相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS232通信数据之间的电平转换；
RS232端口是用于物理连接到外部RS232通信的端口；
数字量IO端口与DSP处理器相连，用于接收和发送数字量信号。
所述的浮选泡沫图像监控装置，防护罩为由铝合金材料构成滑盖式密封箱体，其中前侧壁为防护玻璃。
所述的浮选泡沫图像监控处理装置，高频光源功率为200W，发光频率为2.65MHz，照度为1500lux,色温为4500K。
所述的浮选泡沫图像监控处理装置，所述DSP处理器具有视频输入端口、数据总线、地址总线、数字量IO端口、I2C端口及以太网端口，其中：
DSP处理器的视频输入端口与通讯接口板的视频解码芯片相连，接收视频解码芯片解码的数字图像；
DSP处理器的数据总线和地址总线与通讯接口板的通用异步收发器相连，通过通用异步收发器接收或者发送串口数据；
DSP处理器的数字量IO端口与数字量IO端口相连，接收和发送数字量信号；
DSP处理器的I2C端口与视频解码芯片相连，对视频解码芯片进行控制。
本发明的有益效果是：开发了一个集成度高、结构灵活、图像处理软件功能丰富的视觉监控系统，通过嵌入式处理器减少数据量传输，分担上位机主处理器的计算负担，在保证图像处理性能的前提下同时减少系统的体积，提高了系统的移动能力。
本发明应用于矿物浮选过程的泡沫图像获取及监控，设计的DSP嵌入式图像监控装置配置了大容量的存储器，利用高速的DSP图像处理器，实现在本地实现图像处理和决策，并且通过网络直接输出处理结果到上位机，解决了大量的数字图像传输所需要的高速数据通道，其小巧的体积和丰富的外围端口提高了系统的可移动性和扩展能力。
附图说明
图1为基于DSP的嵌入式矿物浮选泡沫图像监控装置的工程示意图；
图2为基于DSP的嵌入式矿物浮选泡沫图像监控装置的硬件结构示意图；
图3为基于DSP的嵌入式矿物浮选泡沫图像监控装置用于实时图像监控信息流向示意图；
其中，1为浮选槽、2为防护罩、3为摄像机、4为图像处理核心板、5为通讯接口板、6为高频光源、7为电源、8为网线、9为PC机、10为动态随机存储器DRAM、11为FLASH存储器、12为DSP处理器、13为模拟摄像头接口、14为视频解码芯片、15为以太网物理层收发器、16为以太网接口、17为数字量IO接口、18为通用异步收发器、19为RS232收发器、20为RS232接口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对专利再作进一步详细说明。
图2为本DSP嵌入式矿物浮选泡沫图像监控图像采集监控装置的硬件结构示意图，其中包括：图像处理核心板4和通讯接口板5，两个板卡通过总线插槽相连。图像处理核心板4，它的功能是负责图像的实时处理和控制决策运算；通讯接口板5，它负责图像的输入解码、与外部上位机或者外接触摸显示屏的通讯、显示。
本专利把图像处理算法集成在DSP嵌入式图像采集板处理器中，进行本地的图像实时处理，减少了数据通讯的时间，且可实现多套基于DSP的嵌入式矿物浮选泡沫图像监控装置同时工作，由于每套装置都有独立的DSP嵌入式图像采集板卡进行图像的处理传输，相比传统的上位机处理图像，大大提高了计算速度，提高了泡沫浮选生产线的工作效率。其硬件结构示意图如图1所示。采用专用的视频图像DSP_TM320DM6446处理器和大容量的内存配置，解决了计算资源不足的问题；采用叠加式的硬件构架使得系统具有良好的可扩展性，DSP嵌入式图像采集板卡可以通过叠加扩展板卡添加各种形式的外围端口；由于移植了完整的微内核操作系统，DSP嵌入式图像采集板卡可以脱离上位机独立运行。
所述图像处理核心板4包括：动态随机存储器DRAM10、FLASH存储器11、DSP处理器12；DSP处理器的数据总线和地址总线与动态存储器DRAM10和FLASH存储器11相连，DSP处理器通过指定的地址访问动态数据和静态数据；
DSP处理器12采用TMS320DM6446处理器，DSP处理器12包括视频输入端口、以太网端口、数据总线和地址总线、I2C端口、数字量IO端口，其中图像处理核心板4的DSP处理器12的视频输入端口与I2C端口与通讯接口板5的视频解码芯片14相连接，接收视频解码芯片14解码的数字图像；图像处理核心板4的DSP处理器12的以太网端口与通讯接口板5的以太网控制器15相连，通过它传送或者接收数据；图像处理核心板4的DSP处理器12的数据总线和地址总线与通讯接口板5的异步收发器18相连接，通过通用异步收发器18接收或者发送串口数据；图像处理核心板4的DSP处理器12的数字量IO端口与数字量IO端口17相连接，以接收和发送数字量信号。
所述的动态随机存储器DRAM10存储量为64M字节，由DDRⅡ组成；所述静态存储器11采用32M X8bit NAND Flash memory，该大容量的存储器配置保证了可以同时处理多幅数字图像，及存储复杂的代码量大的程序。所述DSP处理器12采用TMS320DM6446，TMS320DM6446是TI公司开发的高性能数字处理器，工作频率高达594MHz，运算、处理能力强大。TMS320DM6446支持的外围设备非常丰富。所述的DSP处理器12使用TI公司的DSP/BIOS实时内核，包括一个小的实时软件库、一套使用实时库的API、一个易于使用的配置和分析工具。DSP/BIOS实时内核具有所有嵌入式操作系统具备的内存管理、中断管理和多任务调度功能，易于实现内核对象的分配和使用，对DSP处理器12的片内资源调试方便。该微内核是组件化的，只有使用到的部件被编译到应用程序中，避免了不需要的系统服务开销。
通讯接口板5包括：模拟摄像头接口13、视频解码芯片14、以太网控制器15、以太网接口16、通用异步收发器18、RS232收发器19、RS232接口20、数字量IO接口17，其中：
模拟摄像头接口13与模拟摄像机相连，用于采集外部的模拟图像；视频解码芯片14分别与视频输入端口、I2C端口和模拟摄像头接口13相连接，用于接收模拟摄像头端口13的模拟图像并对其进行解码，生成数字图像并输出到DSP处理器12；以太网控制器15与DSP处理器12的以太网端口相连，用于实现DSP处理器12与以太网之间通信数据的物理层协议封装；以太网接口16与以太网电缆相连，用于从以太网中接收数据或者发送数据到以太网；通用异步收发器18与DSP处理器12相连，用于实现DSP处理器12并行数据与通用异步收发器的的串行通信数据之间的协议转换；RS232收发器19与通用异步收发器18相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS232通信数据之间的电平转换；RS232接口20是用于连接到外部RS232通信开端口的物理连接；数字量IO接口17与DSP处理器12的数字量IO端口相连，用于接收和发送数字量信号；
摄像头接口13采用BNC连接端子，视频解码芯片14采用超低功耗视频解码芯片TVP5158，将摄像头的NTSC/PAL/SECAM制式的视频信号转换成8位ITU-R BT.656格式的数字视频信号。以太网控制器15采用LXT971ALE芯片，以太网接口16采用RJ45端子，通用异步收发器18采用双端口通用异步收发器TL16C752B，RS232收发器19采用MAX3221。RS232接口为4芯的接插件。数字量IO接口17为一个20芯的接插片。
如图3为本专利应用于泡沫浮选生产过程的实时图像监控示意图：摄像机与图像处理核心板的模拟摄像头接口13相连。远程控制室内的PC机通过以太网电缆8与DSP嵌入式浮选泡沫图像监控图像采集板卡的以太网接口16相连。图像处理核心板把摄像机采集到的模拟图像转化为数字图像后进行压缩，然后把压缩的图像以及经过算法处理得到的特征值通过以太网传送到远程控制室内的PC机进行显示，从而实现实时图像监控。
本专利的图像处理核心板4规格如下：板卡尺寸：141X93平方毫米；DSP处理器：TMS320DM6446处理器频率为：594MHz；动态随机存储器：64M字节；静态存储器：32M字节：外围端口包括：RS232，AO以及DIO；视频输入：NTSC/PAL符合端子；供电电源：图像处理核心板上为3.3V供电，通讯接口板为5V供电；空载电流/工作电流：240Ma/280mA；空载功耗/工作功耗：1.2w/1.4w。
Claims (4)
1.一种基于DSP的嵌入式浮选泡沫图像监控装置，其特征在于，包括：
图像采集装置，负责图像的采集；
图像处理核心板（4），负责图像的实时处理和分析；
通讯接口板（5），负责图像的输入解码与外部显示设备通讯和输出最后的决策控制信号；
所述图像采集装置与通讯接口板通过BNC电缆相连；图像处理核心板和通讯接口板通过总线插槽相连；
图像采集装置包括：内装有矿物泡沫的浮选槽（1）、防护罩（2）、摄像机（3）、高频光源（6）、电源（7），其中摄像机（3）与通讯接口板（5）、图像处理核心板（4）通过电缆相连，并均嵌在防护罩（2）内，由铆钉固定，且在防护罩（2）、高频光源（6）及电源（7）外再套浮选槽（1），所述的高频光源由电源（7）提供电力并对矿物泡沫进行照明，所述的摄像机拍摄被高频光源照射下的矿物泡沫，通讯板（5）的以太网端口通过网线（8）与PC机（9）相连，。
图像处理核心板包括：动态随机存储器DRAM、FLASH存储器、DSP处理器；DSP处理器的数据总线和地址总线与动态存储器和FLASH存储器相连，DSP处理器通过指定的地址访问动态存储器内所存储的动态数据和FLASH存储器内存储的静态数据；
通讯接口板包括：摄像头输入端口、视频解码芯片、以太网控制器、以太网端口、通用异步收发器、RS232收发器、RS232端口、数字量IO端口；
摄像头输入端口与摄像机相连，用于采集摄像机的模拟图像；
视频解码芯片分别与摄像头输入端口和DSP处理器相连，用于接收摄像头输入端口的模拟图像并进行解码，生成的数字图像输出到DSP处理器，且DSP处理器对解码芯片进行控制；
以太网控制器分别与DSP处理器和以太网端口相连，用于实现DSP处理器与以太网之间通信数据的物理层协议封装；
以太网端口连接至以太网，用于从以太网中接收数据或者发送数据到以太网；
通用异步收发器的控制器与DSP处理器相连，用于实现DSP处理器的并行数据与通用异步收发器的串行通信数据之间的协议转换；
RS232收发器分别与通用异步收发器和RS232端口相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS232通信数据之间的电平转换；
RS232端口是用于物理连接到外部RS232通信的端口；
数字量IO端口与DSP处理器相连，用于接收和发送数字量信号。
2.根据权利要求1所述的浮选泡沫图像监控装置，其特征在于：防护罩（2）为由铝合金材料构成滑盖式密封箱体，其中前侧壁为防护玻璃。
3.根据权利要求1所述的浮选泡沫图像监控处理装置，其特征在于：高频光源（6）功率为200W，发光频率为2.65MHz，照度为1500lux,色温为4500K。
4.根据权利要求1所述的浮选泡沫图像监控处理装置，其特征在于：所述DSP处理器具有视频输入端口、数据总线、地址总线、数字量IO端口、I2C端口及以太网端口，其中：
DSP处理器的视频输入端口与通讯接口板的视频解码芯片相连，接收视频解码芯片解码的数字图像；
DSP处理器的数据总线和地址总线与通讯接口板的通用异步收发器相连，通过通用异步收发器接收或者发送串口数据；
DSP处理器的数字量IO端口与数字量IO端口相连，接收和发送数字量信号；
DSP处理器的I2C端口与视频解码芯片相连，对视频解码芯片进行控制。
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