新型嵌入式机器视觉系统的设计
时间：2021-01-04 12:01:39 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 针对传统机器视觉系统采集存储速率慢，外围电路连接导致系统不稳定等原因，提出一种新型嵌入式机器视觉系统，其核心芯片选取TI公司最新生产的的双核嵌入式芯片TMS320DM8168，实现三路不同分辨率的图像信号的高速采集处理、160 MB/s高速固态硬盘写入及Linux操作系统下人机交互，该系统具有良好的实时性和稳定性，可以为机器视觉的研究和应用提供很好的视频采集与处理硬件平台。
关键词： Cameralink接口； 多路采集； SATA2接口； Linux操作系统
中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）17?0131?04
0 引 言
机器视觉系统，是一种非接触式的光学传感系统。它同时集成软硬件，能够自动地从所采集到的图像中获取信息或者产生控制动作。自起步发展到现在，机器视觉已有15年的历史，主要经历了数字电路组成、PC机和输出设备组成、嵌入式三个阶段[1]，其中，嵌入式机器视觉系统依托专业计算机技术[2]，具有实时多任务操作系统、高效压缩芯片和功能强大的微处理器，可将视频压缩、传输与处理工作全部内置到芯片上，通过内部处理后可以直接连入以太网或广域网，完成网络实时远程监控，是目前的研究热点之一[3]。
在国内外研究中，嵌入式机器视觉系统实现方式主要有三种：
（1）基于标准总线，采用DSP作为运算和控制处理器的系统。DSP芯片虽然能够处理大量信息和高速运行，但其I/O接口单一，不易扩展，控制能力较弱，尚存在一定局限性[4]。
（2）基于DSP+FPGA的机器视觉系统[5?8]。FPGA与DSP的结合，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度，但FPGA使用的是硬件描述语言，其算法开发具有很大的难度，功能实现由硬件控制，系统受环境影响较大。
（3）采用ARM微处理器或采用ARM+DSP构建方式的机器视觉系统[9?10]，这种构建方式人机交互功能强大，集成度高、实时性好、支持多任务，但该系统中ARM与DSP的数据交换方法仍采用外部电路连接，增加了系统的不稳定性。
综合上述技术方案的优点和缺点，本文提出了一种新型机器视觉系统，实现图像信息的高速采集与存储。其核心芯片选取TI公司最新生产的先进的双核嵌入式芯片，将ARM处理器和DSP处理器集成在一个芯片中，通过软件编程即完成ARM与DSP的协调工作。由该芯片构建开发的机器视觉处理系统，凭借植入Linux系统的ARM处理器的优异的控制性能，配合DSP的强大运算处理能力将保证系统拥有良好的实时性和稳定性，可以为机器视觉的研究和应用提供很好的视频采集与处理硬件平台。
1 系统功能
本系统为一高速图像数据采集存储系统，通过软硬件设计能够实现：两路分辨率640×480，帧频60 f/s，12 b/pixel；一路分辨率1 024×1 024，帧频60 f/s，12 b/pixel三路输入信号实时采集。实时无压缩存储。
如图1所示，系统通过串口控制图像传感器，使三路图像数据信号、时钟以及各种同步信号按要求输入，系统依次进行图像信号的采集、数据处理、存储。系统利用自带的接口可实现显示、上位机通信、键盘控制等更多的功能，能够实现友好的人机对话。
2 硬件设计
本系统选取TI公司达芬奇系列最新的TMS320DM8168芯片。此芯片集成了1 GHz ARM Cortex?A8、1 GHz TI C674x浮点DSP、若干二代可编程高清视频影像协处理器、一个创新型高清视频处理子系统（HDVPSS）以及综合编解码器，支持包括高清分辨率的H.264、MPEG?4以及VC1。并且包含千兆以太网、PCI Express、SATA2、DDR2、DDR3、USB 2.0、MMC/SD、HDMI以及DVI等多种接口，可支持更多功能的扩展和复杂应用。
利用该芯片设计并实现两路或三路不同分辨率的图像信号的采集、处理与显示，硬件原理图如图2所示。实现该系统的开发与设计所涉及的硬件模块有：图像采集接口模块、图像采集模块、图像存储模块、外围接口模块。
2.1 图像采集接口模块
作为图像传感器和高速采集系统的连接模块，该模块可对USB接口相机或Camera Link接口相机进行图像采集与控制。USB接口连接十分方便，由于系统具有USB外围接口，按照USB标准协议连接即可。Camera Link接口具有开放式的接口协议，使得不同厂家既能保持产品的差异性，又能互相兼容，因此系统中的图像采集接口模块采用了Camera Link接口协议。该模块分别使用了DS90CR288A 、DS90LV049、DS90LV047完成图像传感器的控制、图像信息的采集及图像传感器与图像采集系统的双向通信。
2.2 图像采集模块
TMS320DM8168的HDVPSS（HD Video Processing Subsystem）提供了视频输入接口和视频输出接口。视频输入接口提供了外部图像设备（如图像传感器、视频解码器等）的接入。
HDVPSS可支持高达3 个60 f/s的1080p通道、同时支持16个通道的CIF 数据流的H.264 高画质D1 编码与8通道D1解码；支持2个独立的视频捕捉输入端口，每个视频输入端口支持缩放、像素格式转换。两个视频输入捕捉端口均能以1个16 b输入通道（带分离的Y和Cb/Cr输入），或2个时钟独立的8 b输入通道操作（带交织的Y/C数据输入）。第一个视频输入端口能以24 b模式操作以支持RGB捕捉。所有采集模式捕捉时钟高达165 MHz，可满足高速率的图像采集。
高清视频处理子系统（HDVPSS）有两个独立视频捕捉输入端口VIP0与VIP1。VIP0可配置成24 b、16 b、和两个独立的8 b模式，VIP1可配置成16 b、和两个独立的8 b。从捕捉频率和各种配置模式可看出，针对不同的流量，可以有多种实现方法。为了存储设计简单，本方案将VIP0配置为24 b进行采集。在此模式下，最高流量为[165M×248=495]MB/s，可以满足流量要求。从最高捕捉时钟可知，每次采集间隔在[1165M，]约为6.1 ns。经计算，也为了设计方便，拟采用三个帧频均为200 f/s的Base配置的Camera Link相机，帧频控制均为外部触发方式，该Camera Link相机一次输出两个像素，每像素12 b，即2×12 b，刚好可以和VIP0的24 b匹配采集。以三路信号分时采集为例，如图3所示，3路信号的采集方法为3个相机轮流采集，即一个循环内每个相机各采一帧，这就需要实现3路分时采集的时序信号。由定时器产生一个1/200 s的脉宽，经延时环节使帧频高电平分时分路送入三个相机；3路采集信号时序关系为一个相机不进行延时，一个相机延时1/200 s，最后一个延时2/200 s。
