基于嵌入式图像处理与运动控制的测控系统设计*

2018-06-13姚志生许四祥翟健健李天甲

火力与指挥控制 2018年5期

姚志生，许四祥，翟健健，李天甲

（安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243002）

0 引言

运动控制通常是指在复杂条件下，利用预定的规划指令、控制方案实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，因其具有高精度、高速度等优势在机器人控制、半导体加工、电子装配系统等领域得到了广泛应用［1-2］。

机器视觉是利用计算机模拟生物视觉的技术，因具有观察范围广，观察时间长，环境适应能力强，对观察对象无损伤等优点，被广泛应用于汽车、电子、电气、包装等行业［3-5］。目前因机器视觉与运动控制技术结合而衍生的鞋大底点胶机、装片机等广泛应用于工业领域［6］，但以上设备均采用计算机机器视觉系统，存在系统笨重等缺点［7］。因此，将嵌入式机器视觉技术应用于运动控制系统是解决计算机视觉系统笨重问题的新思路。本文拟设计一种基于嵌入式图像处理与运动控制的测控系统，在目标检测、通讯、控制方面均取得了良好的效果。

1 测控系统平台构架

系统平台由3部分组成，分别为图像处理模块，通信模块，控制模块。图像处理模块采用TI的DM642芯片，该芯片是一款专用于数字媒体应用的高性能32位定点DSP，其工作主频高达720 MHz，该芯片同时配有8路数字输入输出I/O口，不仅处理能力强大，而且开发周期短、产品稳定性较高［8］。通信模块主要由DSP的数字量输入输出I/O口、光耦合器（简称光耦）、端子板构成，DSP的I/O口完成信号的输出；光耦完成电压的转换，具有抗干扰能力强、响应速度快、工作稳定可靠等优点［9］；固高科技GT2-400-ACC2-VB-G端子板实现对数字量输入信号的采集。控制模块由固高科技的GTS-400-PG-PCI系列运动控制器，配套台达ASDA-AB伺服驱动器以及ECMA-C30602E伺服电机组成［10］，用于控制伺服电机完成点位运动。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

系统上电后，首先初始化伺服驱动器与运动控制器的参数，其次在PC机上运行运动控制C#程序不断采集端子板通用数字量输入接口EXI3的电平信号［11］，初始信号为高电平；然后将图像处理C程序通过XDS560仿真器下载到DSP中运行，当DSP检测到目标后，DSP的I/O口输出高电平；接着光耦将高电平转换为低电平输入到EXI3中；最后运动控制器捕捉到EXI3输入的低电平信号后，控制伺服电机完成点位运动。

2 测控系统功能实现

测控系统功能实现包括图像处理模块实现目标检测、通信模块实现图像处理模块和控制模块之间的通信、控制模块实现控制系统的执行共3个部分。

2.1 图像处理与目标检测

图像处理硬件环境为TI的DM642芯片，软件环境为 CCS3.3（Code Composer Studio 3.3），编程语言为C语言。图像处理算法采用背景预测算法［12］，预测窗口采用7×7均值滤波窗口。预测窗口大小取7×7的原因是：经过大量仿真实验证明，预测窗口大小为5×5时，算法检测不到目标；预测窗口大小为9×9时，算法虽然能检测到目标，但实时性差；预测窗口大小为7×7时，算法既能成功检测到目标，又能保证实时性，算法流程如图2所示。

图2 检测算法流程图

算法首先采用7×7均值滤波窗口分别对目标出现前的原始图像A、目标出现后的原始图像B进行背景预测处理得到不含目标的背景预测图像A1、B1；其次对图像A和图像A1作差分运算得到不含目标的残差图A2，接着对图像B和图像B1作差分运算得到含有目标的残差图B2，消除大部分背景；再对残差图A2、B2作二次差分运算得到含有目标的图像C，消除残余背景；然后对图像C作阈值分割处理得到二值图像［13］D，消除大部分噪声；最后对图像D作形态学运算消除比结构元素小的噪声目标［14］，得到只含有弱小目标的图像。

2.2 通信电路设计及实现

测控系统的通信主要指图像处理模块DSP与控制模块运动控制器之间的通信，当DSP检测到目标后，运动控制器能及时响应DSP输出的I/O信号并控制伺服电机实现点位运动。由于端子板的通用数字量输入接口采用内部上拉，当没有信号输入时端子板EXI3接口为24 V高电平。为了检测到DSP输出的2.4 V高电平信号，EXI3有信号输入时其电平应发生变化，即应处于低电平，所以采用3.3 V转24 V的上拉输出型光耦可实现该功能，上拉光耦工作原理如下页图3所示。

1）当DSP的I/O口输出0 V低电平信号时，光耦获取低电平信号，光耦输出受上拉电阻影响，输出24 V高电平信号，其中EXI3接口高电平定义为大于19 V；

图3 上拉光耦工作原理

2）当DSP的I/O口输出2.4 V高电平信号时，光耦获取高电平信号，光耦输出6.5 V低电平信号，此时EXI3可成功采集到光耦输出的低电平信号，其中EXI3接口低电平定义为小于9 V。

2.3 运动控制系统设计

系统硬件采用深圳固高科技运动控制器，可实现高速的点位运动控制。运动控制器通过PCI总线连接多轴端子板，多轴端子板连接伺服驱动器，伺服驱动器连接伺服电机，构成运动控制硬件系统。软件通过Visual Studio 2010编程，编程语言为C#语言。控制系统主要实现的功能是响应端子板EXI3接口采集到的低电平信号，并控制伺服电机完成点位运动，控制系统对EXI3电平信号的响应方式为查询方式，即运动控制器轮询EXI3的电平信号，软件控制界面如图4所示。