本發(fā)明屬于物體測(cè)量領(lǐng)域的具體應(yīng)用，尤其涉及一種用于物體外形特檢測(cè)的ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

工業(yè)控制中的視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字、從集中式到分散式的發(fā)展過(guò)程。早期的視覺(jué)系統(tǒng)，采用模擬攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，并通過(guò)同軸電纜進(jìn)行視頻信號(hào)的傳輸，計(jì)算機(jī)利用圖像采集板卡將模擬量視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量視頻信號(hào)后再對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一 步的處理。對(duì)于模擬視覺(jué)系統(tǒng)，由于受視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的限制，圖像分辨率和采集頻率受到制約，無(wú)法滿足高速、高清圖像采集和處理的要求；目前這類(lèi)模擬視覺(jué)系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的安防監(jiān)控領(lǐng)域。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視覺(jué)系統(tǒng)得以快速發(fā)展和應(yīng)用，它主要采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行圖像采集，通過(guò)LVDS，CameraLink，USE，IEEE 394/Firewire通信接口將數(shù)字圖像傳輸給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理，伴隨數(shù)字通信帶寬和計(jì)算機(jī)處理能力的提高，數(shù)字視覺(jué)系統(tǒng)能滿足大部分的實(shí)際應(yīng)用需求。面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的視覺(jué)系統(tǒng)需滿足本地化快速采集處理、整體結(jié)構(gòu)緊湊的要求。基于嵌入式的智能攝像機(jī)得到了發(fā)展，它一般由DSP、FPGA、ARM高性能微處理器和CCD或CMOS圖像傳感器組成，由智能攝像機(jī)本身完成圖像采集、處理和通信傳輸?shù)墓δ堋Ｅc基于PC的視覺(jué)系統(tǒng)相比，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功耗、體積方面有很大優(yōu)勢(shì)。但在現(xiàn)階段智能攝像機(jī)的應(yīng)用存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在：首先作為高端設(shè)備，其成本較高，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中不太適合作為通用視覺(jué)測(cè)量傳感器進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用；其次，智能攝像機(jī)的接口多采用標(biāo)準(zhǔn)視頻接口和以太網(wǎng)接口，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常 使用的現(xiàn)場(chǎng)總線和控制信號(hào)輸出接口方式不適應(yīng)；最后，智能攝像機(jī)的二次開(kāi)發(fā)難 度較大，特別是針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的不同應(yīng)用需求而進(jìn)行的不同圖像處理的編程設(shè)置比較復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程師的技術(shù)水平要求較高。

本發(fā)明面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出了一種嵌入式智能視覺(jué)測(cè)量傳感器，它通過(guò)圖形化組態(tài)軟件進(jìn)行編程設(shè)置，自主完成圖像的采集和處理，配以線結(jié)構(gòu)光投射器，可根據(jù)三角測(cè)量原理將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量量或狀態(tài)量，測(cè)量結(jié)果可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)通信接口輸出，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)視覺(jué)測(cè)量功能。本發(fā)明利用圖形化組態(tài)的編程方式降低了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，面向工業(yè)應(yīng)用的通信接口提高了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性，對(duì)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用推廣具有重要意義。該系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、適用范圍廣、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了設(shè)計(jì)一款符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求的嵌入式智能視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的目的在于，提供一種具有檢測(cè)精度高、適用范圍廣、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行速度快的ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由嵌入式處理器、線結(jié)構(gòu)光投射器、圖像傳感器、應(yīng)用程序、CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口、存儲(chǔ)設(shè)備組成；具體的，線性結(jié)構(gòu)光投射器發(fā)出一定模式的結(jié)構(gòu)光，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物體表面形成特征光條，然后由圖像傳感器獲取的所有激光條紋上的三維坐標(biāo)信息蘊(yùn)含著的被測(cè)物體的三維外廓特征，通過(guò)嵌入式處理器對(duì)獲取到的信息進(jìn)行處理和分析，執(zhí)行應(yīng)用程序，借助于三維重建相關(guān)技術(shù)，進(jìn)而復(fù)原被測(cè)物體的三維輪廓，從而完成測(cè)量，同時(shí)通過(guò)CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口完成系統(tǒng)的調(diào)試、PC通信以及與其他設(shè)備之間的通信。

在該NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)中，所述嵌入式處理器采用采用Samsung的S3C6410作為核心處理器，它由ARM1176JZF-S內(nèi)核、幾個(gè)多媒體協(xié)處理器和各種外設(shè)IP組成，主頻為553/667MHz，ARM1176處理器通過(guò)64位AXI總線連接到幾個(gè)內(nèi)存控制器上，滿足了帶寬的需求，支持ITU R BT-601/656 YCbCr 8位標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部存有預(yù)覽DMA和編解碼DMA，并支持圖像鏡像旋轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)縮放功能。

在該NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)中，所述的NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述線結(jié)構(gòu)光投射器選用波長(zhǎng)為650nm的HLM1230紅色激光器，其最大功耗為5mW，其具有體積小，功耗低，輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，便于集成使用，在傳感器硬件設(shè)計(jì)中，將線結(jié)構(gòu)光投射器與傳感器的外觀結(jié)構(gòu)做剛性連接，使投射器和圖像傳感器的相對(duì)位置固定，以確保線結(jié)構(gòu)光平面在圖像傳感器坐標(biāo)系中相對(duì)位置固定，此時(shí)，對(duì)視覺(jué)測(cè)量傳感器整體結(jié)構(gòu)而言，在圖像傳感器坐標(biāo)系下的線結(jié)構(gòu)光平面方程參數(shù)為定值，在實(shí)際使用中只需對(duì)線結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定一次即可。

在該NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)中，所述圖像傳感器選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，它具有1300×1028個(gè)有 效可用圖像陣列，支持SXGA(1280×1024)，VGA(640×480)，QVGA(320×240)的圖像輸出格式，在SXGA時(shí)最大速率是15fps，在VGA時(shí)為30fps，可通過(guò)SCCB協(xié)議對(duì)其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行不同分辨率格式的設(shè)置。

在該NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)中，所述CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口借助于Bootloader的操作模式，可通過(guò)串口輸入調(diào)試命令并打印出相關(guān)的輸出信息，以太網(wǎng)通信除可在調(diào)試階段實(shí)現(xiàn)與宿主機(jī)的NFS、tftp的服務(wù)外，還可傳輸嵌入式智能視覺(jué)測(cè)量傳感器執(zhí)行所需的組態(tài)序列，以及將采集到的圖像和處理得到的三維點(diǎn)坐標(biāo)信息傳送給PC軟件客戶端，CAN總線主要實(shí)現(xiàn)與其他終端的通信功能，以及完成PC端傳感器控制命令的下發(fā)。

在該NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的U-Boot引導(dǎo)程序工作流程如下所示：

步驟1、開(kāi)始；

步驟2、初始化IRQ/FIQ模式的棧；

步驟3、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘；

步驟4、初始化定時(shí)器；

步驟5、檢查Flash上的環(huán)境參數(shù)是否有效；

步驟6、初始化串口控制臺(tái)；

步驟7、檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射；

步驟8、初始化NOR Flash；

步驟9、將環(huán)境參數(shù)讀入內(nèi)存指定位置；

步驟10、初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

步驟11、調(diào)用主循環(huán)函數(shù)；

步驟12、判斷是否設(shè)置環(huán)境參數(shù)，是則轉(zhuǎn)到步驟13，否則轉(zhuǎn)到步驟15；

步驟13、判斷時(shí)限內(nèi)串口是否有輸入，是則轉(zhuǎn)到步驟15，否則轉(zhuǎn)到步驟14；

步驟14、執(zhí)行系統(tǒng)啟動(dòng)命令；

步驟15、循環(huán)讀取串口數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)命令。

在該NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)中，系統(tǒng)圖像傳感器的圖像采集流程如下所示：

步驟1、開(kāi)始；

步驟2、打開(kāi)視頻設(shè)備；

步驟3、查詢視頻設(shè)備能力；

步驟4、設(shè)置視頻采集格式；

步驟5、申請(qǐng)內(nèi)核空間的視頻緩沖區(qū)；

步驟6、查詢申請(qǐng)的視頻緩沖區(qū)空間信息；

步驟7、將視頻緩沖區(qū)空間映射到用戶空間；

步驟8、空視頻緩沖區(qū)入視頻輸入隊(duì)列；

步驟9、啟動(dòng)視頻采集；

步驟10、判斷是否繼續(xù)采集，是則轉(zhuǎn)到步驟11，否則轉(zhuǎn)到步驟13；

步驟11、空視頻緩沖區(qū)入視頻輸入隊(duì)列；

步驟12、視頻數(shù)據(jù)出視頻緩沖輸出隊(duì)列；

步驟13、關(guān)閉視頻采集；

步驟14、解除內(nèi)存映射；

步驟15、關(guān)閉視頻設(shè)備；

步驟16、結(jié)束。

本發(fā)明的有益效果是：

NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由嵌入式處理器、線結(jié)構(gòu)光投射器、圖像傳感器、應(yīng)用程序、CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口、存儲(chǔ)設(shè)備組成；其中，嵌入式處理器采用采用Samsung的S3C6410作為核心處理器，支持ITU R BT-601/656 YCbCr 8位標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部存有預(yù)覽DMA和編解碼DMA，并支持圖像鏡像旋轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)縮放功能；線結(jié)構(gòu)光投射器選用波長(zhǎng)為650nm的HLM1230紅色激光器，具有體積小，功耗低，輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)；圖像傳感器選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，支持SXGA(1280×1024)，VGA(640×480)，QVGA(320×240)的圖像輸出格式；CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口借助于Bootloader的操作模式，可通過(guò)串口輸入調(diào)試命令并打印出相關(guān)的輸出信息，還可傳輸嵌入式智能視覺(jué)測(cè)量傳感器執(zhí)行所需的組態(tài)序列，以及將采集到的圖像和處理得到的三維點(diǎn)坐標(biāo)信息傳送給PC軟件客戶端；該系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、適用范圍廣、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說(shuō)明。

圖1是NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)總體框架圖；

圖2是圖像傳感器接口電路原理圖；

圖3是串行通信接口原理圖；

圖4是以太網(wǎng)接口原理圖；

圖5是CAN接口原理圖；

圖6是U-Boot引導(dǎo)程序工作流程圖；

圖7是圖像采集流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施方式為：所述的NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)，其線結(jié)構(gòu)光投射器與嵌入式處理器雙向連接；圖像傳感器通過(guò)FPC接插件與嵌入式處理器雙向連接；CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口直接與嵌入式處理器雙向連接；存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)USB接口與嵌入式處理器雙向連接；具體的，線性結(jié)構(gòu)光投射器發(fā)出一定模式的結(jié)構(gòu)光，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物體表面形成特征光條，然后由圖像傳感器獲取的所有激光條紋上的三維坐標(biāo)信息蘊(yùn)含著的被測(cè)物體的三維外廓特征，通過(guò)嵌入式處理器對(duì)獲取到的信息進(jìn)行處理和分析，執(zhí)行應(yīng)用程序，借助于三維重建相關(guān)技術(shù)，進(jìn)而復(fù)原被測(cè)物體的三維輪廓，從而完成測(cè)量，同時(shí)通過(guò)CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口完成系統(tǒng)的調(diào)試、PC通信以及與其他設(shè)備之間的通信。

圖1是NEXT系列產(chǎn)品ARM和LINUX測(cè)量系統(tǒng)總體框架圖，該系統(tǒng)由嵌入式處理器、線結(jié)構(gòu)光投射器、圖像傳感器、應(yīng)用程序、CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口、存儲(chǔ)設(shè)備組成；其中，嵌入式處理器采用S3C6410型芯片；線結(jié)構(gòu)光投射器選用HLM1230紅色激光器，與嵌入式處理器雙向連接，用于向被測(cè)物體發(fā)出光信號(hào)；圖像傳感器選用OV9650型CMOS圖像傳感器，通過(guò)FPC接插件與嵌入式處理器雙向連接，用于獲取被測(cè)對(duì)象表面的結(jié)構(gòu)光信息；應(yīng)用程序用于系統(tǒng)的流程執(zhí)行和硬件設(shè)備的控制；CAN總線接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口直接與嵌入式處理器雙向連接，用于完成系統(tǒng)的調(diào)試、PC通信以及與其他設(shè)備之間的通信；存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)USB接口與嵌入式處理器雙向連接，用于系統(tǒng)的緩存及信息存儲(chǔ)。

圖2是圖像傳感器接口電路原理圖，圖像傳感器選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，它具有1300×1028個(gè)有 效可用圖像陣列，支持SXGA(1280×1024)，VGA(640×480)，QVGA(320×240)的圖像輸出格式，在SXGA時(shí)最大速率是15fps，在VGA時(shí)為30fps，可通過(guò)SCCB協(xié)議對(duì)其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行不同分辨率格式的設(shè)置；圖像傳感器數(shù)字接口電路電壓 DOVDD采用3.3V供電；為了提高傳感器數(shù)字內(nèi)核邏輯的穩(wěn)定性，DVDD單獨(dú)采用1.8V電源供電；CMOS與微處理器的接口采用FPC接插件設(shè)計(jì)。

圖3是串行通信接口原理圖，根據(jù)RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)中的電氣特性規(guī)定，輸出電壓相對(duì)于地信號(hào)在-5V~-15V之間的電壓表示邏輯1電平，在+5V~+15V之間的電壓表示邏輯0電平，這與微處理器管腳的TTL邏輯電平不一致，文中選用 MAX202E實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換；MAX202E內(nèi)含有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)接收器，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)120Kbit/s；工作時(shí)采用+5V電源供電，只需配給4個(gè)0.1uF的電容即可完成電路搭建。

圖4是以太網(wǎng)接口原理圖，因微處理器S3C6410未集有以太網(wǎng)接口，需借助網(wǎng)絡(luò)接口芯片外擴(kuò)以太網(wǎng)口；常見(jiàn)的以太網(wǎng)接口芯片有CS8900A、DM9000，本發(fā)明選用DM9000A，設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)總線寬度為16位，DM9000A采用16位工作模式；因DM9000A的數(shù)據(jù)信號(hào)和地址信號(hào)為分時(shí)復(fù)用，將ADDR2直接接至CMD管腳，當(dāng)為低電平時(shí)數(shù)據(jù)總線上傳遞地址信號(hào)，當(dāng)為高電平時(shí)數(shù)據(jù)總線上傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)；IOR，IOW分別為控制器的讀寫(xiě)命令端口；CS#為片選信號(hào)；中斷請(qǐng)求信號(hào)連接至XEINT7中斷引腳；網(wǎng)口插座選用帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口，可通過(guò)RJ45接口用直連網(wǎng)線將傳感器連接至交換機(jī)或路由器，也可使用交叉網(wǎng)線直接將傳感器連 接至PC機(jī)。

圖5是CAN接口原理圖，為了擴(kuò)展CAN總線接口，分別使用了CAN控制器和收發(fā)器芯片。其中，MCP2510是一款帶有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器，能夠收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展的信息幀，同時(shí)具有接收濾波和信息管理的功能，其內(nèi)部含有兩個(gè)接收緩沖器和三個(gè)發(fā)送緩沖器，與MPU通過(guò)SPI總線接口進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀寫(xiě)操作，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)5Mbps。MCP2551能為MCP2510提供差分收發(fā)功能，作為總線的物理接口，能把控制器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，并承當(dāng)了CAN控制器與總線間的緩沖器，其傳輸速率可達(dá)1Mb/s。

圖6是U-Boot引導(dǎo)程序工作流程圖，該系統(tǒng)的U-Boot引導(dǎo)程序工作流程如下所示：

步驟1、開(kāi)始；

步驟2、初始化IRQ/FIQ模式的棧；

步驟3、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘；

步驟4、初始化定時(shí)器；

步驟5、檢查Flash上的環(huán)境參數(shù)是否有效；

步驟6、初始化串口控制臺(tái)；

步驟7、檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射；

步驟8、初始化NOR Flash；

步驟9、將環(huán)境參數(shù)讀入內(nèi)存指定位置；

步驟10、初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

步驟11、調(diào)用主循環(huán)函數(shù)；

步驟12、判斷是否設(shè)置環(huán)境參數(shù)，是則轉(zhuǎn)到步驟13，否則轉(zhuǎn)到步驟15；

步驟13、判斷時(shí)限內(nèi)串口是否有輸入，是則轉(zhuǎn)到步驟15，否則轉(zhuǎn)到步驟14；

步驟14、執(zhí)行系統(tǒng)啟動(dòng)命令；

步驟15、循環(huán)讀取串口數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)命令。

圖7是圖像采集流程圖，該系統(tǒng)圖像傳感器的圖像采集流程如下所示：

步驟1、開(kāi)始；

步驟2、打開(kāi)視頻設(shè)備；

步驟3、查詢視頻設(shè)備能力；

步驟4、設(shè)置視頻采集格式；

步驟5、申請(qǐng)內(nèi)核空間的視頻緩沖區(qū)；

步驟6、查詢申請(qǐng)的視頻緩沖區(qū)空間信息；

步驟7、將視頻緩沖區(qū)空間映射到用戶空間；

步驟8、空視頻緩沖區(qū)入視頻輸入隊(duì)列；

步驟9、啟動(dòng)視頻采集；

步驟10、判斷是否繼續(xù)采集，是則轉(zhuǎn)到步驟11，否則轉(zhuǎn)到步驟13；

步驟11、空視頻緩沖區(qū)入視頻輸入隊(duì)列；

步驟12、視頻數(shù)據(jù)出視頻緩沖輸出隊(duì)列；

步驟13、關(guān)閉視頻采集；

步驟14、解除內(nèi)存映射；

步驟15、關(guān)閉視頻設(shè)備；

步驟16、結(jié)束。

除了上述以外本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也都能理解到，在此說(shuō)明和圖示的具體實(shí)施例都可以進(jìn)一步變動(dòng)結(jié)合。雖然本發(fā)明是就其較佳實(shí)施例予以示圖說(shuō)明的，但是熟悉本技術(shù)的人都可理解到，在所述權(quán)利要求書(shū)中所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可對(duì)本發(fā)明做出多種改動(dòng)和變動(dòng)。