CN208781018U - 一种一体化集成式机器视觉控制系统 - Google Patents

Abstract

一种一体化集成式机器视觉控制系统，包括中央处理器，其包括通过总线连接起来的运算单元、寄存器和内存；高速缓存存储器；用于存储指令和数据的主存储器；用于控制系统与外部交互的外部接口和将高速缓存存储器、主存储器和外部接口通过总线连接起来的I/O桥；以及热管加鳍片的无风扇式设计。控制系统采用一体化的设计，通过总线将各个部件集成到一起，实现了控制系统模块化，将电源、光源、隔离DIO、编码器、控制模块甚至一些传感器与集成式机器视觉系统集成在一起，集图像采集、处理与通信功能、控制功能于一体，构成了一个更完整意义的视觉系统，提供了具有多功能、模块化的机器视觉解决方案，整体化的可靠性设计保证了控制系统的可靠性和稳定性。

Description

一种一体化集成式机器视觉控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种机器视觉检测领域，具体涉及一种集中式机器视觉控制系统。

背景技术

在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检查、测量和零件识别应用，例如汽车零配件尺寸检查和自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，饮料瓶盖的印刷质量检查，产品包装上的条码和字符识别等。这类应用的共同特点是连续大批量生产、对外观质量的要求非常高。通常这种带有高度重复性和智能性的工作只能靠人工检测来完成，给工厂增加巨大的人力成本和管理成本的同时，仍然不能保证100％的检验合格率，有些时候，如微小尺寸的精确快速测量，形状匹配，颜色辨识等，人眼根本无法连续稳定地进行检测，其它物理量传感器也难有用武之地。

以此人们开始考虑把计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此逐渐形成了一门新学科—机器视觉。视觉控制是指通过视觉系统接收和处理图像，并通过视觉系统的反馈信息进行相应的操作。目前多数的视觉控制器都是采用分离式设计，利用工业控制电脑通过千兆网口或者USB接口与相机连接，通过光源控制器完成光源亮度的调节，通过IO卡完成数据的交互通信，运动控制部分通过独立的编码器进行控制。该方案实现的视觉系统体积大，接线复杂，系统的封闭性差，出现问题时定位问题时间长，需要逐一排查。分体式机器视觉系统通过PC工业电脑与其他通信、存储功能、编码器等部件通过线缆连接。

当前分体式的视觉控制系统，主要存在以下缺点：

1、稳定性差

分体式视觉系统由图像采集单元、图像处理单元、网络通信装置等多个模块构成，并未通过整体化的可靠性设计和测试，同时，硬件兼容性受到从不同制造商购买的板卡、PC、编码器等部件的限制，稳定性较差，并且使用前需要经过3～6个月较长周期的测试工作，才能实现选型配置的批量运用。另外，传统分体式视觉系统的采用风扇式的散热方式，当其在振动较大的条件下应用时，风扇会在振动下脱落，进而影响系统的性能。

2、体积大

分体式的机器视觉系统结构分散，需要通过复杂额配线连接安装在工业生产线和各种设备上，不易于装卸和移动，同时体积大。

3、成本高

分体式视觉系统需要配置PC系统、图像采集卡、IO卡等部件，繁多的组成部件，易于导致更多的故障，从而大大提高了维护成本。

发明内容

本申请提供一种多功能、模块化的一体化集成式的机器视觉控制系统，包括中央处理器，包括通过总线连接起来的运算单元、寄存器和内存；高速缓存存储器，为中央处理器与外部信息交互的中间缓存机构，与寄存器和内存通过总线相连接；I/O桥，数据信息交互的中间桥梁，并通过系统总线与高速缓存存储器相连接；主存储器，用于存储指令和数据，并通过内存总线与I/O桥相连接；外部接口，用于控制系统与外部的交互，包括电源接口、光源接口、光源触发接口、串口、I/O适配器、编码适配器、网络适配器和图形适配器，外部接口通过I/O桥与高速缓存存储器和主存储器相连接。

其中，中央处理器为兼容Celeron、i3-i7系列的中央处理器。I/O适配器为DIO模块，包括隔离DI和隔离DO：隔离DI为8路隔离输入，用于连接传感器开关量信号，并对输入的脉冲进行计数；隔离DO为8路隔离输出，支持通过外部配线配置灌/源电流DO，用于驱动开关量设备，DIO模块为具有编码器功能的可编程模块，用于支持等间距和离散数的位置比较。光源接口用于与外部光源连接，光源触发接口通过编程对输入控制光源的控制信号进行调节，且控制系统集成4路数字式光源控制。网络适配器包括支持4通道PoE图像采集功能的PoE网口和支持网络通讯以及接千兆以太网相机的千兆网口和用于通讯和远程管理的LAN接口。外部接口还包括用于与外部部件相连的USB控制器。光源和DIO模块均为可编程模块，可以通过软件进行控制。控制系统还包括散热器，散热器包括热管和采用全铝制设计的鳍片，热管的一端与中央处理器相连，另外一端与鳍片相连，鳍片为控制系统的外壳。

本实用新型的集成式的机器视觉控制系统采用了一体化的设计，通过总线将各个部件集成到一起，实现了系统模块化，系统集图像采集、处理与通信功能于一体，构成了一个更完整意义的视觉系统，提供了具有多功能、模块化的机器视觉解决方案，整体化的可靠性设计保证了系统的可靠性和稳定性，同时大大减小了系统的体积。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成模块图；

图2为本实用新型的视觉控制系统的外部接口示意图；

图3为本实用新型的视觉控制系统的鳍片设计示意图；

图4为本实用新型的视觉控制系统与外部设备的连接示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。

在本实用新型提供了一种集成式机器视觉系统，集图像采集、处理与通信功能于一身，提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。

一种一体化集成式机器视觉控制系统，如图1所示，包括中央处理器(CPU)、与CPU通过总线连接的高速缓存存储器、通过系统总线与高速缓存存储器相连接的I/O桥、通过内存总线与I/O桥相连接的主存储器、以及通过I/O桥与中央处理器和主存储器相连接的外部接口。

中央处理器包括运算单元、寄存器和内存，其中运算单元为执行各种算术和逻辑运算操作的部件，基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作、以及移位、比较和传送操作，在本申请中为图像处理单元；寄存器为有限存储容量的高速存储部件，用来暂存指令、数据和地址。如图1，寄存器将需要处理的数据信息传送给运算单元，待运算单元处理完毕后再将处理后的结果存储在寄存器中。

存储在寄存器中的信息通过高速缓存存储器通过I/O桥与主存储器相连接，高速缓存存储器虽然容量比较小但速度比主存储器高得多，接近于CPU的速度。高级缓存存储器与主存储器之间的信息调度和传送由I/O桥进行，其中，高级缓存存储器与I/O桥之间通过系统总线连接，主存储器与I/O桥之间通过内存总线连接。

如图1与I/O直接相连的还包括外部接口，包括电源接口、光源接口、光源触发接口、串口、I/O适配器、编码器适配器、网络适配器、图形适配器和USB控制器。如图2，在本实施例中，电源接口包括两组通道，用于提供16-36伏特的直流电，优选的使用160瓦特的直流开关电源。本实施例中控制系统集成4路数字式光源控制，用于数字光源控制和控制脉冲宽度调制(PWM)输出，支持对光源的亮度调节和外部触发，最大可驱动1安培的光源，方便用户根据实际情况外接光源设备；光源接口也具有4路通道，用于与外部光源相连，提供外部触发光源实时照明。串口在本实施例中为COM口，能够支持RS-232和RS-485模式，其最大波特率为115200比特每秒。I/O适配器为连接DIO模块，支持8路隔离DI和8路隔离DO，两者皆为光耦合器隔离，包括NPN和PNP型，其中隔离DI可以选择电平输入和边沿触发，能够连接各种传感器等开关量，并可对输入的脉冲进行计数，提供可编程的防抖动滤波，实时动态触发，在本实施例中，可通过将光源触发接口与隔离DI连接，通过对隔离DI编程对光源进行控制；隔离DO的设计支持通过外部配线配置灌/源电流DO，能够设置电平输出或者脉冲输出，脉冲宽度可调，可驱动电磁阀，继电器，气缸等开关量设备。编码器适配器用于连接编码器，编码器用于支持等间距和离散数的位置比较，其为带隔离输入。网络适配器包括千兆网口、LAN接口和PoE网口，千兆网口包括两通道，用于支持网络通讯以及接千兆以太网相机，其不支持PoE,需要单独电源，优选的使用Intel芯片I211-AT；LAN接口通过与LAN相连以用于通讯和远程管理，优选的使用Intel芯片WGI219LM；PoE网口包括4通道，优选的使用Intel I350芯片，遵从IEEE 802.3af标准，每通道15W，其中千兆网口和LAN接口为千兆以太网口。图形适配器即为图2中的显示接口，工作在CPU和显示器之间，控制系统通过图形适配器与显示器直接相连，以控制计算机图形输出。USB控制器，包括4个用于接USB相机、鼠标等外部部件的USB3.0和1个可用于安装加密狗的内置USB2.0。此外，外部接口还包括一个PE，用于与设备的保护地相连接，保护用户的用电安全。此外，系统还包括三个指示灯，用于分别指示硬盘、Watchdog和电源的工作状态。

该视觉控制系统图像处理单元支持Intel Celeron和Intel Core系列的CPU，能够满足不同客户对图像处理能力和性价比的需求。控制系统支持4通道PoE图像采集功能，可支持30万像素到2900万像素千兆以太网相机接入。DIO模块还具有先进的编码器功能，支持等间距和离散数的位置比较功能，配合IO控制卡的其他功能，基于此用户可以搭建起自己理想的视觉方案系统。其中，光源和DIO模块都为可编程模块，可以通过软件进行控制。

控制系统还包括散热器，散热器采用了热管加鳍片的无风扇式设计，将传统由风扇辅助的主动式散热方式变为被动式散热方式。为了提高系统的散热效率，系统采用了热管的设计，优选的使用8个热管，热管一端与中央处理器相连，另一端与鳍片相连。如图3为鳍片设计的示意图，当控制系统按图2所示放置时，为了加大散热面积，鳍片位于控制系统的左右两个侧面。此外，鳍片采用了散热性能较好的全铝制设计，且鳍片之间的间隔能根据实际应用做相应的调节，优选的，选用10毫米。

无风扇式设计的散热器相对于风扇式设计应用范围广泛，其不用担心由于应用场景振动剧烈导致风扇脱落等一系列不稳定性问题；其次，传统设计中，风扇带来的噪声巨大，给用户带来了巨大的困扰，热管加鳍片的无风扇式设计很好的解决了这一问题；另外被动式散热方式，也大大节约了能源。总线式无线缆设计省去了电缆配线布线的时间和成本，其与无风扇设计都达到了降低系统的体积和功耗的目的。

图4为系统与外部设备连接的连接示意图，从图中可以看出系统可以与多种周边设备便捷对接，能够同时与丰富的外设进行连接和控制。

本实用新型采用一体化集成式机器视觉系统，处理器采用CPU进行设计，可以兼容Celeron、i3-i7系列的CPU，实现多个处理器协同工作。系统采用一体化的设计，通过总线将各个部件集成到一起，实现了系统模块化，将电源、光源、隔离DIO、编码器、控制模块甚至一些传感器与集成式机器视觉系统集成在一起，集图像采集、处理与通信功能、控制功能于一体，构成了一个更完整意义的视觉系统，提供了具有多功能、模块化的机器视觉解决方案，整体化的可靠性设计保证了系统的可靠性和稳定性，与分离式相比，系统的体积也大大减小。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (9)

1.一种一体化集成式机器视觉控制系统,其特征在于，包括：

中央处理器，包括通过总线连接起来的运算单元、寄存器和内存；

高速缓存存储器，为所述中央处理器与外部信息交互的中间缓存机构，所述高速缓存存储器与所述寄存器和内存通过总线相连接；

I/O桥，所述I/O桥作为数据信息交互的中间桥梁通过系统总线与所述高速缓存存储器相连接；

主存储器，用于存储指令和数据，并通过内存总线与所述I/O桥相连接；

外部接口，用于所述控制系统与外部的交互，包括电源接口、光源接口、光源触发接口、串口、I/O适配器、编码器适配器、包括支持POE图像采集功能的POE网口的网络适配器和图形适配器，所述外部接口通过I/O桥与所述高速缓存存储器和所述主存储器相连接。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述中央处理器为兼容Celeron、i3-i7系列的中央处理器。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述I/O适配器为DIO模块，包括隔离DI和隔离DO：

所述隔离DI为8路隔离输入，用于连接传感器开关量信号，并对输入的脉冲信号进行计数；

所述隔离DO为8路隔离输出，支持通过外部配线配置灌/源电流DO，用于驱动开关量设备。

4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述DIO模块具有编码器功能的可编程模块，用于支持等间距和离散数的位置比较。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述光源接口用于与外部光源连接，所述光源触发接口通过编程对输入控制光源的控制信号进行调节。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统集成4路数字式光源控制。

7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述网络适配器还包括支持网络通讯以及接千兆以太网相机的千兆网口和用于通讯和远程管理的LAN接口，所述千兆网口和LAN。

8.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述外部接口还包括用于与外部部件相连的USB控制器。

9.如权利要求1-8任一项所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括散热器，所述散热器包括热管和采用全铝制设计的鳍片，所述热管的一端与所述中央处理器相连，另外一端与所述鳍片相连，所述鳍片为所述控制系统的外壳。