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摘要
随着科学技术的快速发展，工业生产的自动化程度越来越高，市场对产品质量和性能的要求也越来越高，这就要求产品检测装置应具有更高的智能化。将机器视觉系统应用于自动化生产领域是实现工业设备智能、高效、高精度的重要途径。嵌入式机器视觉系统集图像采集、处理、通信等功能于一体，具有智能化处理的功能，而且系统可被嵌入到其他设备中，实现在工业现场的非接触式检测。
本文采用美国德州仪器（TI）公司的DM6437为主控芯片构建嵌入式图像处理系统并在Protel DXP 2004下实现系统搭建。结合图像处理技术、光学技术、网络通信技术等，设计实现了一款嵌入式机器视觉系统，嵌入式机器视觉检测系统硬件设计能实现以TMS320 DM6437为主控芯片，采用模块化设计，构建包括通讯单元，存储单元，视频输入输出接口的硬件系统，各模块之间协调工作。DM6437 外扩 DDR2 存储器构成了系统的存储模块，可以存储大量的图像数据和配置信息数据；系统还提供了丰富的通信接口，如以太网接口，可以方便地与很多工业现场设备进行通信。
关键词：机器视觉；嵌入式系统； Protel； DM6437
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Abstract
With the rapid development of science and technology，industrial production automation degree is more and more high，the market demand for quality and performance of products is also more and more high，this requires a product detecting device with intelligent higher.The application ofmachine vision system in automation field is an important way to realize the intelligent，high efficiency，high precision industrial equipment.The embedded machine vision system integrates image acquisition,processing communication and other functions in one，with intelligent processing functions and the system can be embedded into other devices，to achieve the non-contact detection.
In this paper, Texas Instruments (TI) company as the main chip DM6437 embedded image of the system to build and implement the system set up under the Protel DXP 2004. Combined with image processing technology, optical technology, network communication technology, design and implement anembedded machine vision systems, embedded machine vision inspection system hardware design can be achieved with TMS320 DM6437 as the main chip, modular design, build, including the communication unit, a storage unit, a video input and output interface hardware, the coordination between the various modules. DM6437 external expansion DDR2 memory modules constitute a system of storage, you can store a large amount of image data and configuration information data; system also provides rich communication interfaces such as Ethernet interface, you can easily and many industrial fielddevices to communicate.
Keywords: Machine Vision；Embedded System；Protel；DM6437
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目录
第一章 绪论 ............................................................ 1
1.1 课题的背景、意义及来源 ........................................ 1 1.2机器视觉技术概括 ................................................ 2 1.3 嵌入式机器视觉概述 ............................................ 2 1.4本文的主要研究内容 .............................................. 4 第二章 嵌入式机器视觉检测系统 .......................................... 5
2.1 DSP概述 ........................................................ 5 2.2嵌入式机器视觉的硬件平台 ........................................ 6
2.2.1基于ARM平台的视觉检测系统 ................................ 6 2.2.2基于FPGA平台的视觉检测系统 ............................... 7 2.2.3基于DSP平台的视觉检测系统 ................................ 8 2.3本章小结 ....................................................... 10 第三章 PCB电路板设计 ................................................. 11
3.1 PCB概述 ....................................................... 11 3.2 Protel DXP 2004介绍 ........................................... 11 3.3 PCB设计 ....................................................... 12
3.3.1 PCB布局原则 ............................................. 12 3.3.2 PCB布线设计 ............................................. 14 3.3.3 电磁兼容性设计 ........................................... 15 3.4 本章小结 ...................................................... 16 第四章检测系统芯片选型与介绍 .......................................... 18
4.1 检测系统的硬件架构 ............................................ 18
4.1.1 相机选型 ................................................. 18 4.1.2镜头选型 ................................................. 20 4.1.3光源选型 ................................................. 20 4.1.4 DSP核心板选择 ........................................... 21 4.2 TMS320 DM6437 核心板设计 ...................................... 22
4.2.1视频存储模块设计 ......................................... 22 4.2.2调试模块设计 ............................................. 24 4.3 外围模块设计 .................................................. 24
4.3.1视频输入模块设计 ......................................... 24 4.3.2视频输出模块设计 ......................................... 25 4.3.3电源模块设计 ............................................. 26 4.3.4 以太网模块设计 ........................................... 26 4.4 本章小结 ...................................................... 27 第五章TMS320 DM6437硬件电路整体设计 .................................. 28
5.1 TMS320 DM6437 核心板电路 ...................................... 28 5.2 外围模块电路 .................................................. 28 5.3 总体电路图 .................................................... 31 5.4 本章小结 ...................................................... 33
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第六章 总结与工作展望 ................................................. 34
6.1 本文总结 ...................................................... 34 6.2 工作展望 ...................................................... 34 参考文献 .............................................................. 35 致谢 .................................................................. 36
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第一章 绪论
1.1 课题的背景、意义及来源
在现代化的工业大生产中，视觉检测往往是不可缺少的环节。比如，汽车零件的外观、药品包装、IC字符印刷和电路板焊接质量的好坏等等，都需要众多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验。大量的人工检测不仅影响工厂效率，而且带来不可靠的因素，直接影响产品质量与成本。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度，圆孔的直径，以及基准点的坐标等等，这些工作是很难靠人眼快速完成的。随着图像处理技术和模式识别技术的发展，产生了一种新的检测方法——机器视觉。
机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)把图像抓取到，然后将该图像数模转换后传送至处理单元，根据图像像素分布和亮度、颜色等信息，提取特征要素，最后根据这些特征要素进行判断进而控制现场设备的工作。嵌入式系统是当前发展很快的热门技术，尤其是面向特定应用的解决方案，具有体积小、价格低、开发环境简单、运用灵活、可靠运行等优点，在各领域得到广泛的应用。
目前机器视觉产品主要有两种形式：（1）基于PC机的板卡式，它利用图像采集卡和图像传感器在PC机上实现；（2）嵌入式，它以嵌入式处理器为核心，整体开发包括硬件电路、设备驱动和算法软件等整套系统．传统基于PC的机器视觉系统由于结构没有模块化、可移植差、安装不便，特别是与工业现场设备通信比较困难，诸多以往依赖于PC的机器视觉系统开始向嵌入式平台倾斜，最终用于实际检测、测量和控制。传统机器视觉系统是基于 PC 的，系统需要使用采集卡，将图像采集至 PC，并使用图像处理算法作相应处理。传统机器视觉系统有如下缺点： (1) 系统缺乏足够的硬件加速支持，串行的操作实现速度慢。 (2) 传统的机器视觉系统体积庞大，在工业现场占用较多空间。
(3) PC 机使用操作系统，操作系统不具备实时特性，很难满足实时性需求较高的应 用。
(4) 由于 PC 机需要使用交流供电，传统机器视觉一方面不方便携带，另一方面功耗 较大，容易存在散热问题。
(5) 传统机器视觉系统组成部分较多，可靠性会受一定的影响。
随着科技进步，工业生产效率及质量提高，传统的基于 PC 的机器视觉技术越来越不能满足现在工业检测的实时性，便携性及低功耗等要求。随之出现的嵌式机器视觉系统集成度高，速度快，便携性好，硬件架构更适合处理数据流形式的视频图像数据。因此，嵌入式机器视觉系统取代基于 PC 的板卡式机器视觉系统已经成为一种趋势。
经过近40年的研究，机器视觉在深度和广度两方面都取得了很大的进展，积累了丰富的学术研究成果，各种相关文献大量出现，己成长为一门内容十分丰富的独立
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学科，在应用研究方面也有了很广泛的应用。
1.2 机器视觉技术概括
机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉技术最大的特点是速度快、信息量大、功能多。
机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，但并不仅仅是人眼的简单延伸，更重要的是具有人脑的一部分功能,从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。
机器视觉伴随计算机技术、现场总线技术的发展，技术日臻成熟，已是现代加工制造业不可或缺的产品，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包装、汽车制造等行业。机器视觉的引入，代替传统的人工检测方法，极大地提高了投放市场的产品质量，提高了生产效率。
由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。
机器视觉是工业自动化系统中重要的组成部分，近年来正成为工业自动化领域的新兴亮点之一，目前已经在包装、印刷、纺织、制药、工业检测等领域得到了广泛应用。在工业检测领域使用机器视觉系统有如下优点：
(1) 非接触，非接触的检测不会对被检对象造成损害，同时系统设备更方便耐用。 (2) 检测更精确，机械方式的检测精确程度低，且受震动等环境因素影响。 (3) 光谱响应范围宽，可以获得红外、远红外的检测图像。 (4) 成本低，相比于其它传感器，摄像头的成本非常低，且用于工业检测的传感网络 中经常需要用大量的传感器，安装及维护都将带来成本。 (5) 不会视觉疲劳，可以长时间稳定的工作。
总之，随着机器视觉技术自身的成熟和发展，可以预计它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。
1.3 嵌入式机器视觉概述
目前，我国的机器视觉行业也出现了不少具备自主创新能力的企业，将嵌入式技术结合传统的机器视觉就是应市场需求变化而推出的一项新技术，该技术实现了实时
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视觉图像采集、视觉图像处理控制，使其结构更紧凑，甚至完全不需要计算机的介入，提高处理速度，并能有效降低成本的专用机器视觉控制系统，使得该系统具有安装方便、配置灵活、便于携带等突出优点。
传统机器视觉系统是一种基于计算机(以下简称 PC)的视觉系统，一般由光源、CCD或 CMOS 相机、图像采集卡、图像处理软件以及 PC 构成。相机和图像采集卡在光源的配合下，完成图像的采集，图像处理软件在 PC 中完成对采集图像的处理。 嵌入式机器视觉系统应用了嵌入式技术，包括数字信号处理器(DSP)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)及大容量存储器(DDR2 SDRAM 和 NAND FLASH)等，将图像采集、图像处理和通信等功能集成于一体，实现了模块化、智能化的嵌入式机器视觉解决方案，系统具有实时性高、可靠性高等特点。嵌入式机器视觉系统[1]的结构如图 1-1 所示。 图像处理算法 单元 网络 图像 图像 通信 处理 采集 接口 单元 单元 图1-1嵌入式机器视觉系统示意图
嵌入式机器视觉系统和基于 PC 的机器视觉系统的差别主要体现在 3 个方面：
1、外观体积。嵌入式机器视觉系统与普通数码相机的体积相当，安装简单，可以方便的装卸和移动；而基于 PC 的视觉系统结构复杂，体积相对庞大，不仅包括采集摄像机，在现场还需要提供一台用于图像处理的 PC，不便于工业现场的装卸与移动。
2、硬件结构。嵌入式机器视觉系统将图像采集单元、图像处理单元和网络通信单元等集成于一体，并经过可靠的设计，系统工作效率和可靠性都得到了充分的保证。但是由于系统的硬件电路已经固定，在后期开发和设计中系统电路缺乏灵活性，各模块之间无法改装或装配。基于 PC 的机器视觉系统主要有摄像机、图像采集卡和 PC 组成，只要各模块之间采用的是标准接口，用户便可以选择不同类型的产品，因此在后期开发和设计上具有较高的灵活性。但是由于不同的产品来自不同的厂家，各产品之间存在兼容性问题，这在某种程度上又影响了系统工作的可靠性。
3、软件架构。一般来说，嵌入式机器视觉系统主要用于工业产品的检测和识别应用，软件在功能上具有一定的通用性，是一种比较通用的产品。由于在嵌入式机器视觉系统中已经固化了成熟的图像处理算法，因此用户无需编程，只需在提供的软件界面上配置用于图像处理的参数(即配置信息)，就可以实现有/无判断、工件定位、
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尺寸测量、目标计数、字符识别、条码读取等功能，这在一定程度上提高了系统集成的效率和速度。而基于 PC 的机器视觉系统软件一般是用户针对某个特定的应用而开发，需要用户完全或部分开发适合该应用的图像处理算法，对用户的编程要求较高。此外，由于每个用户的开发水平和硬件的支持不同，不同用户开发的机器视觉系统也具有很大的差异。
1.4 本文的主要研究内容
在前文所述的技术和项目背景下,本文的主要工作是设计基于TI的DSP(DM6437)视频处理开发平台的硬件设计,需要完成原理图的设计以及 PCB 板的制作及后期调试,论文的主要组织如下:
第一章主要分析了项目的背景,意义及来源,阐述了机器视觉及嵌入式机器视觉在现代工业中的广泛应用。
第二章概述了DSP结构、DSP 的开发环境及设计流程，介绍了DSP设计调试的常用工具,介绍了三种视觉检测系统，详细分析了不同视觉处理平台方案的优劣。
第三章介绍了PCB电路板的设计，要实现以TMS320 DM6437为主控芯片构建嵌入式图像处理系统，在Protel DXP 2004下完成系统的搭建。
第四章是本文的重点章节，主讲理论，下一章完成设计，对开发平台的各个功能模块进行了详细的设计说明，主要完成对视频输入，视频处理，输出部分，以及辅助模块（电源模块和调试模块）的设计。
第五章要求嵌入式机器视觉检测系统硬件设计能实现以TMS320 DM6437为主控芯片，构建包括通讯单元，存储单元，视频输入输出接口的硬件系统，本章完成利用Protel来实现基于DSP图像检测系统硬件设计。
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第二章 嵌入式机器视觉检测系统
2.1 DSP概述
凡是利用数字计算机或专用数字硬件，对数字信号进行的一切变换或按预定规则进行的一切加工处理运算称为数字信号处理[2]。例如，对信号进行滤波、参数提取、频谱分析、压缩等处理。对DSP狭义理解可为Digital Signal Process数字信号处理，广义理解为Digital Singal Processing 数字信号处理技术。
数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁 。如下图2-1为一种DSP芯片。
图2-1 DSP芯片
数字信号处理[3]是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。
数字信号处理的实现方法一般有以下几种：
(1) 在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现； (2) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；
(3) 用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂 的数字信号处理，如数字控制等；
(4) 用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信
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号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法；
(5) 用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用
DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关算法的DSP芯片， 这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。
上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行；第3种方法只适用于实现简单的DSP算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。
虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件I/O支持；
（6）具有单周期内操作的多个硬件地址产生器； （7）可以并行执行多个操作；
(8) 支持流水线操作，使取指、译码、和执行等操作可以重叠执行。
TMS320系列芯片基本结构包括:(1) 哈佛结构；（2）流水线操作；(3)专用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指令；（5）快速的指令周期。
这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算(例如乘法)能够在一个指令周期内完成。由于TMS320系列DSP芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器方便灵活的特点。
2.2 嵌入式机器视觉的硬件平台
现有的视觉处理平台硬件架构有以下几种：基于 PC 机的视觉处理平台；基于 DSP 的视觉处理平台；基于 GPU 的视觉处理平台；基于 DSP+FPGA的视觉处理平台[4]和基于 FPGA 的视觉处理平台。本章详细分析了某些平台硬件架构的优势及不足之处，通过分析给出了机器视觉系统硬件平台架构的发展趋势。
2.2.1 基于ARM平台的视觉检测系统
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，
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ARM公司的特点是只设计芯片，将技术授权给合作伙伴，而不生产。另外提供软件工具、评估板、调试工具、应用软件、外围模板等服务。
ARM 架构是构建每个 ARM 处理器的基础。ARM 架构随着时间的推移而不断发展，其中包含的架构功能可满足不断增长的新功能、高性能需求以及新兴市场的需要。ARM 架构支持跨跃多个性能点的实现，并已在许多细分市场中成为主导的架构。ARM 架构支持非常广泛的性能点，因而可以利用最新的微架构技术获得极小的 ARM 处理器实现和极有效的高级设计实现。实现规模大、性能高和低功耗是 ARM 架构的关键特性。ARM 架构与精简指令集计算 (RISC) 架构类似，因为它包含以下典型 RISC 架构特征：
•统一寄存器文件加载/存储架构，其中的数据处理操作只针对寄存器内容，并不直接针对内存内容。
•简单寻址模式，所有加载/存储地址只通过寄存器内容和指令字段确定。
ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。高端的Cortex系列的处理器最高频率可以高达上GHz,高端处理器上可以集成DSP指令,浮点运算模块,SIMD扩展指令等增强功能。
ARM特点有： 1.加载/存储架构,数据的处理操作只在寄存器里实现,并不直接用内存数据参加运算。 2.简单的寻址模式,所有的加载/存储地址只通过寄存器内容和指令字段确定。
3.支持多级流水线结构,使得指令执行效率更高。ARM不同架构都具有通用的指令集, 使得软件兼容性很好。
ARM处理器[5]的工作模式除用户模式外,其他都是特权模式,可以通过软件控制实现各个模式的切换。不同模式下程序可以访问的系统资源和表现的实时性也不同。 ARM是32位单片机，由于结构和计算速度的原因，目前适合做事务处理或者中低端应用，从中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理。ARM的缺点就是在低端应用时ARM性价比较低，开发难度也更大，新手入门较困难。
2.2.2 基于FPGA平台的视觉检测系统
FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)是在 PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用可编程阵列逻辑)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等基础上进一步发展出来的。FPGA 是近几年发展最快的可编程逻辑器件之一，它作为一种半定制电路，它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数目有限的缺点。
首先，FPGA 对设计的实现均由内部硬件逻辑资源实现，也就是说，设计的结果是由 FPGA 内部现有的电路来完成，从实现的机制上硬件的速度要优于软件，故而被称为硬件加速。其次，FPGA 内部的基本逻辑单元相互之间都是独立工作的，使用 FPGA实现的算法在处理的并行程度上要比通用处理器高，这是 FPGA 在处理速度上最具有优势的特点。同时，FPGA 具有可重构的特点，其 I/O 资源可以与其他芯
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片直接相连，通过内部逻辑设计，完成相应功能。这就使 FPGA 设计的可移植性高、设计灵活性强。另外，FPGA 采用基于 IP 核的资源复用，随着各公司研发的 IP 核增多，FPGA 的使用将越来越方便。最后，FPGA 低成本，低功耗等优势也引起了相当的关注。目前主流的 FPGA 是基于查找表技术的，图 2-2为查找表结构的 FPGA 内部结构图[6]。
图2-2查找表结构的FPGA内部结构
随着微电子技术的发展，FPGA 硬件资源逐渐增多，其硬件可编程、可并行运算、高速低成本、低功耗等优势越来越突出。将 FPGA 技术和视觉处理技术相结合，充分发挥 FPGA 硬件实现，并行处理，多级流水线技术等在视觉检测处理领域的优势，提高机器视觉检测处理系统的数据吞吐能力和数据处理能力，是机器视觉技术的一个重要研究方向。
2.2.3 基于DSP平台的视觉检测系统
ARM是32位单片机，由于结构和计算速度的原因，目前适合做事务处理或者中
低端应用，从中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理。FPGA一般来说比ASIC（专用集成电路）的速度要慢，无法完成复杂的设计，存储空间小，不易使用，不能直接用C语言编程，而且一般情况下构造ARM/DSP不如专用ARM/DSP方便。
数字信号处理器(DSP)采用哈佛结构，将数据总线和地址总线分开，数据和指令存放在不同空间，使 DSP 在执行指令的同时可以完成下一个取指操作并且同时译码，这大大提高了 DSP 的处理速度。DSP 芯片一般具有如下主要特点： (1) 在一个指令周期内可同时完成一次加法和一次乘法。
(2) 数据空间与程序空间分开，程序可以同时访问指令和数据。 (3) 片内具有高速 RAM，可通过独立的数据总线同时访问两块 RAM，完成数据的乒乓 操作。
(4) 具有无开销或低开销的循环机制及跳转机制。 (5) 快速的硬件 I/O 及中断处理支持。
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(6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
(7) 算法实现可以进行并行操作，但其并行能力受硬件架构限制。 (8) 支持流水线操作，但其流水线结构固定，级数固定。
DSP 具有良好的易用性。DSP 提供商都会提供功能完善的开发平台，比如TI 的 Code Composer Studio 集成开发环境，基于这一开发平台，可以实现 C/C++、汇编等多种语言的开发调试。这些开发平台还会提供大量的优化工具，利用这些工具，开发人员可以完成对程序性能的分析和优化，实现程序在 DSP 平台下的告诉运行。此外，DSP 还具有良好的可扩展性，与广泛应用的专用集成电路芯片(Application specific Integrated Circuit，ASIC)相比，DSP 可以通过修改源程序的方法方便的对 DSP 实现的功能进行改进和扩展。
数据处理在整个系统运行中起着至关紧要的作用,而数据处理是由视频处理主控芯片来完成的。在视频处理系统中,视频处理主控芯片主要有三种类型[7]:通用 DSP、专用图像处理芯片和多媒体处理器。主要区别如表 2-1:
表2-1视频处理主控芯片对比
类型 优点 缺点 代表公司 通用 DSP 高效的数学运外设接口少,TI、Philips
算能力；灵活、不易扩展；只
兼容性强；易适合重复性强
升级； 的数据处理；
专用图像处理芯片 自带图像处理算法 算法固化在内部,不能修改；适应性不强； 价格偏高 ADI 多媒体处理器 处理能力强； 灵活、兼容性强；易升级；接口丰富,易扩展；编程方便 TI
本系统在 DSP 芯片的确定时主要是从以下因素来综合考虑:
1、DSP 芯片的运算速度。在处理视频图像时，运算速度非常重要，要能够满足编码 器更新发展，因此在选择时需要认真考虑；
2、DSP 芯片的接口功能。主要考虑是否便于和所需外部设备进行扩展接口；
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3、DSP 芯片的运算精度和动态范围；
4、DSP 芯片的开发工具和开发软件。在 DSP 系统开发过程中,拥有一个功能强大的 开发工具可以大大缩短系统的开发时间，使得产品能够更快地推向市场；
5、价格因素。芯片的价格直接影响着芯片的推广程度和设计方案的产品化，影响产 品在市场上具有足够的竞争力；
6、除了以上因素,还应该考虑 DSP 芯片的功耗、封装形式、供货情况、技术支持以 及是否有工业级或军品级芯片提供等等；
结合以上因素,在设计视频处理开发平台中选用了 TI 公司的达芬奇系列的高速数字多媒体处理器 TMS320DM6437 做为开发平台的主处理器。
2.3 本章小结
本章对DSP进行了概述，包括DSP的概念、实现方法及开发设计工具。详细分析了视觉检测平台的硬件构架方案。总结如下：基于ARM平台的视觉检测系统软件兼容性很好，而且支持多级流水线结构，使得指令执行效率更高，但是因为结构和计算速度的原因，目前适合做事务处理或者中低端应用。FPGA的优势在于低成本、低功耗、可移植性高并且设计灵活性强。不过FPGA一般情况下构造ARM/DSP不如专用ARM/DSP方便，增加了设计难度。然而基于 DSP 的视觉检测平台有强大的计算能力，适合数据处理，并且有良好的易用性和可扩展性。在设计视频处理开发平台中选用了 TI 公司的达芬奇系列的高速数字多媒体处理器 TMS320DM6437[8]做为开发平台的主处理器,主要它有以下优点：
（1）有视频输入、输出接口，能方便的与视频编解码芯片实现无缝连接，省去外围 复杂的扩展电路，减小硬件设计难度，直接实现视频信号的输入和输出； （2）具有较大的数据缓存空间，同时能够支持外扩存储器来存储数据，能够缓存视 频图像数据；
（3）具有较高的主频及较高的运算速度和精度，能实现实时处理视频数据；
（4）具有 DMA 或 EDMA 控制器，这样可以在不占有 CPU 的情况下进行数据采集、 输出过程中的数据搬运；
（5）技术资料丰富、封装形式多,便于购买。
综上所述，基于DSP的机器视觉系统最符合机器视觉技术未来的发展方向。
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第三章 PCB电路板设计
3.1 PCB概述
PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。PCB几乎会出现在每一种电子设备中。如果在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在大小各异的的PCB上，除了固定各种小零件外，PCB的主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂，需要的零件越来越多，PCB上头的线路与零件也越来越密集了。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，从而避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子设备的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。
国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高密度，高精度，细孔径，细导线，细间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量，薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率，降低成本，减少污染，适应多品种、小批量生产方向发展。印制电路的技术发展水平，一般以印制板上的线宽，孔径，板厚/孔径比值为代表。
PCB的常规分类：按层次分可分为单面板、多面板、多层板；按材质分可分为刚性板、柔性板、刚柔板；按结构分可分为HDI板和非HDI板；按使用信号频率可分为高频板和非高频板等等。
PCB主要组成部分有焊盘、过孔、插件孔、安装孔、阻焊层、字符、反光点、导线图形、内层、外层、CS面、SS面。
印刷板有许多优点，如：
（1）提高质量：减少布线错误，提高整机装配质量； （2）降低成本：生产自动化，适合大批量生产；
（3）提高效率：适宜装配过程自动化，提高整机装配效率；
（4）单元模块：能实现和提高设计标准化、机器单元化、模块化； （5）技能要求：装配应用无需熟练技术工人，对操作者要求低； （6）符合潮流：有助于电子设备轻量化、小型化； （7）便于扩展：便于根据功能要求，扩展模块。
3.2 Protel DXP 2004介绍
Protel DXP 2004[9]拓展了Protel软件的原设计领域 ，Protel DXP功能更加
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完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活，尤其在仿真和PLD电路设计方面有了重大改进。
Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具组合起来构成EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。 与Protel 99SE软件相比，Protel DXP功能更加完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活，尤其在仿真和PLD电路设计方面有了重大改进。摆脱了Protel前期版本基于PCB设计的产品定位，显露出一个普及型全线EDA产品崭新的面貌。
Protel DXP 2004引入了集成库的概念，这使我们在原理图中选择的元器件就已经有了我们需要的封装，Protel DXP 2004附带了68,000多个元件的设计库，包括原理图FPGA设计的即调即用及预综合元件集成库，并且这些封装都能完全符合我们的要求。
3.3 PCB设计
随着电子技术的飞速发展，集成芯片变的体积越来越小，引脚数越来越多，同时处理速度也越来越快，电子设计带来很多便利，但同时也存在很多问题：芯片体积小，电路板的器件布局更加紧密，布线的密度也更大；随着系统整个时钟频率的提高，信号的频率也在提高，这样在边沿处就会存在抖动；系统对板层和线连的依赖性提高。故在设计高速系统时既要考虑到关键信号线的走线、连接方式等，还要考虑到传输线上的反射、串扰、延迟、阻抗匹配和电磁兼容性等信号完整性问题，同时还要注意整个电路板的板层的影响。
3.3.1 PCB布局原则
在进行布线之前，首先必须要对器件进行布局。布局对 PCB 设计非常重要，良好的布局在提升系统性能的同时，还可以降低布线的难度。布局时必须首先考虑处理器、SDRAM 等工作频率高的器件，将它们摆放在电路板合适的位置上。然后根据系统功能模块的划分进行布局，如音视频采集模块、音视频输出模块、电源模块等。 PCB布局的具体原则有：
1. 根据结构图设置板框尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件， 并给这些器件赋予不可移动属性。按工艺设计规范的要求进行尺寸标注； 2. 根据结构图和生产加工时所须的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。
根据某些元件的特殊要求，设置禁止布线区；
3. 综合考虑PCB性能和加工的效率选择加工流程。 加工工艺的优选顺序为：元件面
单面贴装--元件面贴插混装--双面贴装--元件面贴插混装、焊接面贴装； 4. 布局操作的基本原则
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A. 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当 优先布局；
B. 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件；
C. 布局应尽量满足以下要求：总的连线尽可能短，关键信号线最短；高电压、大电 流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开； 模拟信号与数字信号分开；高频信 号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分；
D. 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局； E. 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局；
F. 器件布局栅格的设置，一般IC器件布局时，栅格应为50--100 mil,小型表面安
装器件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于25mil； G. 如有特殊布局要求，应双方沟通后确定。
5. 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立 元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验；
6. 发热元件一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温 度敏感器件应远离发热量大的元器件；
7. 元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元 器件周围要有足够的空间；
8. 需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属化孔。当安 装孔需要接地时， 应采用分布接地小孔的方式与地平面连接；
9. 焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容件轴向要与波峰焊传送方向 垂直，阻排及SOP（PIN间距大于等于1.27mm）元器件轴向与传送方向平行；PIN 间距小于1.27mm（50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接； 10. BGA与相邻元件的距离>5mm。其它贴片元件相互间的距离>0.7mm；贴装元件焊盘
的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周 围5mm 内不能有插装元器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元器件； 11. IC去偶电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回
路最短；
12. 元件布局时，应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起，以便于将来的电
源分隔；
13. 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。串联匹配电阻的布
局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。匹配电阻、电容的布局一 定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹
配；
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14. 布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性，并且确认单 板、背板和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。
3.3.2 PCB布线设计
在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面(在可以接受的价格范围内)，印制板的层数取决于要求的功能、噪声指标、用于电源的平面、信号分类、线条数等类似的要求。适当的采用带状线和微带线结构不但可以抑制 PCB 中的射频，而且可以达到保证信号完整性的目的。保证了信号的完整性，就不会发生反射和抖动。
在设计过程中,最好在 PCB 中就把 RF 能量抑制下去，而不是靠金属机箱或者封闭的导电塑料盒将 RF 能量封闭住。目前绝大多数方法是在 PCB 中嵌入金属平面(电源或地平面)来实现这一目的，这就要求在多层板的设计过程中应考虑板层的安排。
在本设计中选择的是双面布线设计，尽管多层板(4层、6层及8层)方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势，但由于成本的原因采用双面板。
设计PCB时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。
在手工布线时，尽量采用地平面作为电流回路。将模拟地平面和数字地平面分开，如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直。模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普遍的做法是将地平面布线在电路板顶层，以降低电磁干扰。
当电子线路中信号工作频率小于1MHz时，由于布线与元器件问的电感影响较小，而接地电路形成的环流可能形成较大的干扰，应该考虑单点接地。当工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应考虑降低地线阻抗，可采用多点接地。当工作频率在1～10MHz时，也应尽量考虑多点接地。在只有数字电路组成的PCB板接地时，要将接地电路做成闭式环路，可明显提高电路的抗干扰能力。
PCB上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗。但要知道接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。
在含有数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为V = Ldi/dt，其中V是产生的电压，L是地平面或接地走线的感抗，di是数字器件的电流变化，dt是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为V= RI, 其中，V是产生的电压，R是地平面或接地走线的阻抗，I是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。
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高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗。
3.3.3 电磁兼容性设计
电磁兼容((EMC)[10]设计有两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线。在设计中要尽可能避免这两种情况。
高频信号与低频信号的回流路径截然不同。低频信号的回流流经电阻最小的路径(直线路径)，而高频信号的回流经过电感最小的路径，也就是环路面积最小的路径，而最小电感的回流路径在信号导线的正下方。因此返回电流会流过邻近的电路层，无论这个邻近层是电源层还是地层。所以高速电路中必须有大面积的电源和地层为高频信号提供完整的回流路径。
但是，使用不同的电源或模数混合的电路中，必然要涉及到电源层和地层的分割；而在PCB设计中最常见的问题，就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题，高速电路中高速信号线不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，就破坏了信号的回流路径，造成电磁辐射和信号串扰急剧增加。在设计中必须对这两者进行折衷的考虑，合理控制信号的回流，获得满意的电磁兼容性能。
各种形式的电磁干扰是影响电子设备电磁兼容性的主要因素，因此，它是电磁兼容性设计中需要研究的重要内容。
电磁兼容性设计的基本原理：
一、接地是电子设备的一个很重要问题，接地目的有三个：
（1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路 系统能稳定地干作。
（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大 量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电 而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的 屏蔽效果。
（3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工 频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作 人员的触电事故发生。
因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。电路的接地方式基本上有三类，即单点接地、多点接地和混合接地。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与大地相连接，而且接地电阻一般要很小，不能超过规定值。
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二、屏蔽
屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。
因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。
三、其他干扰方法 1）滤波
滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著地减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成份不等于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。所以，采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合，或是增强接收设备的抗干扰能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开，消除电路之间的耦合，并避免干扰信号进入电路。对高频电路可采用两个电容器和一个电感器（高频扼流圈）组成的CLCMπ型滤波器。滤波器的种类很多，选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。
（2）正确选用无源元件
实用的无源元件并不是“理想”的，其特性与理想的特性是有差异的。实用的元件本身可能就是一个干扰源，因此正确选用无源元件非常重要。有时也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。
（3）电路技术
有时候采用屏蔽后仍不能满足抑制噪声和防止干扰的要求，可以结合屏蔽，采取平衡措施等电路技术。平衡电路是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其它导线都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所捡拾到的干扰信号相等。这时的干扰噪声是一个共态信号，可在负载上自行消失。另外，还可采用其它一些电路技术，例如接点网络，整形电路，积分电路和选通电路等等。总之，采用电路技术也是抑制噪声和防止干扰的重要措施。
由于电子技术应用广泛，而且各种干扰设备的辐射很复杂，要完全消除电磁干扰是不可能的。但是，根据电磁兼容性原理，可以采取许多技术措施减小电磁干扰，使电磁干扰控制到一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性。
3.4 本章小结
本设计利用Protel DXP 2004实现系统的搭建，本章主要围绕PCB的设计展开了叙述。需要了解PCB布局的原则并实现PCB布线的设计，若使用自动布线工具，则经
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常需要返回从而对布线做很大的修改，如果自动布线工具可以实现布线限制，可能还有成功的可能性。为此，最好的方法是不要使用自动布线工具，为此采用手工布线。而且要选择合适的方法来抑制电磁干扰。
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第四章 检测系统芯片选型与介绍
4.1 检测系统的硬件架构
本设计的系统平台主要是基于ICETEK-DM6437-A平台设计，总体硬件模块包括的有：DM6437系统模块，视频显示芯片，显示器和电源模块。总体系统如图4-1所示。
TPS65023 电源管理芯片 S 端 子 输 入 端 3.3V/1.8V CCD 传感器 TVP5146 视频解码 芯片 达芬奇 DM6437 VPFE VPBE OPA361 显示 芯片 DDR2 存储器 S 端 子 输 出 端 电视 显示端 12V 5V 电源管理 220V 图4-1基于ICETEK-DM6437-A硬件总体框图
4.1.1 相机选型
在选择相机时可以使用CCD镜头或是CMOS镜头，CCD效果更加清晰逼真,成像质量好，CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；而CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。
两者的优缺点的比较如表4-1：
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表4-1 CCD镜头和CMOS镜头的比较 设计 灵敏度 成本 解析度 噪点比 功耗比
视频采集模块使用650线超高解析真实宽动态彩色摄影机，如图4-2，此为CCD摄像头。
CCD 单一感光面 同样面积下高 线路品质影响程度高，成本高 连接复杂度低，解析度高 单一放大，噪点低 需外加电压，功耗高 CMOS 感光器连接放大器 感光开口小，灵敏度低 CMOS整合集合，成本低 解析度低，新技术高 百万放大，噪点高 直接放大，功耗低 图4-2 CCD摄像头
基本特性如下：
· 650线超高水平解析度
· 像素：NTSC=480K/PAL=570K · 真实宽动态功能(WDR)
· 2D/3D电子降噪功能(2D/3D NR)
· 支持感度提高功能 · 支持影像/电源同步 · 数码图像稳定功能(DIS) · 数码放大0~255倍 · 支持OSD菜单
· 尺寸大小：42x42mm
ICETEK-DM6437-A提供的显示模块既可以是VGA显示器，也可是S端子显示器，考虑到在数字视频软件开发包中PSP驱动中有比较方便的S端子显示驱动编写以及图像显示只是方便查看显示效果并不需要太高的显示要求，所以选用了S端子显示器。
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本系统选用普通的家用PAL制式的电视机。
4.1.2 镜头选型
光学镜头又简称镜头，主要功能是用于光学成像，它是机器视觉系统中的重要器件，对成像的质量起着关键性的作用。镜头从外形和性能上可分为 P 型、E 型、L 型和自动变焦镜头等几类，镜头的接口一般有C和CS两种。在组装一个机器视觉系统时，硬件设备要根据实际的需要选择合适的口径和焦距的镜头。
镜头的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。
光学镜头的选择在机器视觉系统中比较重要，不同的工作环境，选用的光学镜头也不同，选用光学镜头需要考虑以下几下几个方面： (1) 成像面的大小。成像面是入射光在光学镜头后的成像平面。这个平面一般是个圆
形。常规的 CCD 相机芯片有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、及1/3英寸四种不同大小。在选用光学镜头时需考虑该镜头的成像面是否匹配设计使用的 CCD 相机； (2) 焦距、工作距离。焦距就是光学镜头与成像面之间的距离。工作距离就是光学镜
头与到景物之间的距离；
(3)变焦范围。变焦范围就是摄像头能适应的工作距离变化的限度，景物之间的距离。 基于以上考虑，本设计采用尼康镜头，焦距范围为 35mm，成像面与设计使用的 CCD 相机可以匹配。
4.1.3 光源选型
光源是机器视觉系统中的重要组成部分，它直接影响输入数据的质量。光源引起的误差很难在后期处理中消除，从而影响整个系统的识别精度。由于没有通用的光源设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的光源装置，以达到最佳效果。对于测量精度要求高，测量点多，又要求以较高速度自动完成测量的高精度测量系统，照明光源是满足测量系统精度要求的关键之一。
光源可分为自然光源和人造光源两类。自然光源使用不方便且其发光特性不容易控制，一般不适合用作视觉系统中的照明光源。在工业检测应用中，常常使用人造光源。人造光源有许多种，诸如卤素灯、日光灯、LED照明光源、高频荧光灯等。卤素灯光亮度强，适用于精细的小目标，使用寿命比较短。LED照明光源是一种新型的照明光源，其使用寿命长，响应速度快，光强基本不变，但其价格比较昂贵。比如日本CCS公司的LND一300A．DF型LED照明光源，发光面积仅30x18m㎡，但报价为6900RMB。不考虑整个系统经济性能的时候，可优先选择这种照明光源。日光灯为常用的照明光源，其价格便宜，适合于工厂使用。LED光源使用寿命长，发热少，而且有多种颜色，拍摄对多种颜色的光比较敏感的物体有非常好的效果。因此，在本设计中为了保证图片质量采用的是白色LED光源。为了避免干扰光的影响，还在光源部分加上屏蔽罩。如图4-3为本设计采用的LED光源。
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图4-3 白色LED光源
4.1.4 DSP核心板选择
嵌入式机器视觉系统处理信息量大、运算复杂、处理实时性要求高，同时由于是嵌入式产品，必定对系统的整体结构和体积都提出了严格的要求，即在系统结构简单、体积小巧的前提下，要做到处理快速、响应及时，这就对系统的核心处理器提出了较高的要求。近年来，使用 DSP 作为嵌入式机器视觉系统的主处理器一直是行业的主要选择方向。但是使用传统的 DSP，使系统存在成本和性能两方面的制约：首先，传统的 DSP需要用到复杂的外围电路，并且需要专用的数据接口，导致了系统成本的上升；其次，传统的 DSP 缺乏针对图像处理的专用指令，使其在图像处理方面的性能受到制约。正是在这种背景下，TI 公司最新推出了专用于数字媒体应用的达芬奇(Davinci)系列 DSP，其中TMS32ODM643x处理器是该类DSP中首批仅基于 DSP 的多媒体处理器产品，以较低的价位提供了较高的处理性能，它们是在之前已经取得广泛应用的多媒体处理器TMS320DM642的基础上升级的产品，处理器的性能更高，片上外设更加丰富，更加适合于机器视觉、网络监控平台等图像/视频领域的应用。
TMS32ODM643x 系列 DSP 包括 DM6431、DM6433、DM6435、DM6437 等四种型号，而 DM6437 的片内外设最完善，性价比最高。本文选择 DM6437 作为系统的核心处 理器，该处理器在功能结构上具有以下一些特性。 1 、采用了高性能内核。DM6437采用了TI公司高性能定点DSP内核：TMS320C64x+。该 DSP 采用了TI第 3 代超长指令集结构 VelociTI.3，使得这些 DSP 可以适用于高级的多媒体应用。
2、主频高，处理快。DM6437主频高达700MHz，峰值处理能力达5600MIPS，采 用 2 级 Cache 存储器体系结构，支持8个8位或4个16位的并行乘除运算，可以运算复杂的算法，且运算速度快。
3、具有增强型 DMA 控制器。DM6437片上集成一个具有64通道的增强型DMA控制器 EDMA3。EDMA 可以在 CPU 不参与的情况下完成 DSP 和外部存储器之间的数据传输，并支持复杂的数据类型传输，非常适合大容量图像数据的传输。
4、外部存储器接口丰富。DM6437 提供了两个外部存储器接口，包括一个 DDR 存 储器接口和一个异步存储器接口EMIF。
(1) DDR2 存储器接口的作用是外扩大容量高速 DDR2 存储器，以存储系统程序
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代码和数据，DDR2 存储器接口的数据总线宽度为 32 位，寻址空间容量可达 256MB；
(2) EMIF 接口的作用是外扩 8 位异步存储器，如 SRAM、NOR FLASH 或 NAND FLASH等存储器，以固化系统程序代码和数据，EMIF 接口的数据总线宽度为 8 位，寻址空间容量可达 64MB。
5、片上外设丰富。DM6437 的片上外设非常丰富，包括1个以太网控制器EMAC， 1个IC 控制器，个多通道缓冲串口(McBSPs)，1个多通道音频串口(McASP)，2个64位的定时器，1个64位的看门狗时钟，1个用户可配置的16位主机通信接口(HPI)，2个异步串行接口(UART)，1个外围设备接口(PCI)，以及多达111个的通用输入输出引脚(GPIO)。此外，值得一提的是，DM6437自带了一个专用于视频/图像应用的视频处理子系统(VPSS)，VPSS包括了一个视频输入前端(VPFE)[11]和一个视频输出后端(VPBE)[12]。VPFE既可以方便地和各种接口的数字视频编解码器件相连，还可以对输入的图像数据进行预处理，分担了 DSP 处理的负担，加快了图像处理的速度。VPBE 既可以提供多种制式的模拟视频输出，也可以提供多种格式的数字视频输出。
由上可知，DM6437是非常适合于作为单通道视频处理系统的主处理器。为了使DM6437适用于多通道视频监控系统，需要将多个视频通道的数据复合后，再通过DM6437片上视频输入接口输入。
4.2 TMS320 DM6437 核心板设计
本设计采用TI公司的生产的TMS320 DM6437型芯片作为主控芯片，设计了DSP核心开发板。系统的硬件电路以 DM6437 芯片为核心，采用模块化设计，包括了视频输入模块、视频处理模块、视频输出模块、存储模块和通信模块等，各模块之间协调工作。
4.2.1 视频存储模块设计
DM6437 内部只有128K的RAM和64K的ROM，无法存储系统的程序代码和图像数据等大容量数据，因此需要通过外部扩展存储器的方式提高系统的存储器容量。外扩存储器是用于存储系统程序和图像数据的 DDR2 存储器来扩展。
DM6437 的 DDR2 控制器支持 JESD79D-2A 标准的 DDR2 SDRAM，不支持诸如DDR1 SDRAM，SBSRAM，SDR SDARM 或者异步存储器等，它是 DM6437 中最重要的程序/数据存储器控制器。DDR2 控制器具有如下特点：
1、支持外扩最大容量为256M的存储器；
2、支持可选的32位或16位数据总线，最大数据总线位宽32位； 3、13 位的地址总线和3个Bank地址引脚；
4、由内部时钟源驱动的两个不同的输出时钟信号：DDR_CLK 和/DDR_CLK。
[13]
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DDR2 控制器的外部引脚如图4-4所示：
图4-4 DDR2 控制器引
DDR2 控制器的引脚功能定义如表4-2所示：
表4-2控制器引脚功能定义
脚图
DDR2 存储器选用了MICRON公司推出的MT47H64M16HR， MT47H64M16HR特点：
•VDD的=1.8V 0.1V的VDDQ电压= + 1.8V ±0.1V •JEDEC标准1.8V的I / O •含微分数据选通选项 •4N位预取架构
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••••••••••••重复输出选通选项
DLL将DQ和DQS转换与CK 可编程延迟时间（CL） 张贴CAS附加延迟（Al） 写入延迟=读取延迟 可选的突发长度（BL）：4或8 调数据输出驱动强度 64ms，8192周期刷新 终结（ODT）
工业温度（IT）选项 符合RoHS
支持JEDEC时钟抖动规范
4.2.2 调试模块设计
如图4-5是TMS320DM6437的仿真测试口电路，该电路是连接DSP和PC机的桥梁，用于程序的下载和调试。
图4-5 仿真测试口电路
4.3 外围模块设计
外围模块设计包括视频输入模块设计、视频输出模块设计、电源模块设计和网络模块设计。
4.3.1 视频输入模块设计
视频输入模块由视频解码器TVP5146[14]及外围电路组成，主要功能是将摄像头采集或者其它视频设备输入的标准PAL制式电视模拟信号进行采样、量化，完成视频图像的模数转换，亮度/色度、水平/垂直同步信号的分离，得到BT.656格式的标准数字视频信号(YUV4:2:2)。
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TVP5146是超低功耗。支持NTSC/PAL/SECAM等格式输入的高性能视频解码器,在正常工作时，它的功耗仅115mW，并且具有超小封装(32脚的TQFP)，因此非常适用于便携、批量大、高质量和高性能的视频产品。它可以接收2路复合视频信号(CVBS)或l路S-Video信号。通过I2C总线设置内部寄存器，可以输出8位4:2:2的ITU-R BT.656信号(同步信号内嵌)，以及8位4:2:2的ITU-R BT.601信号(同步信号分离，单独引脚输出)。
使用TVP5146芯片构成的视频输入系统硬件连接图如图4-6所示。芯片采用14.31818MHz晶振,输入电压为1.8V，I0口电压为3.3V；信号输入有CHI和CHZ两路，并且都进行阻抗匹配设计，防止对输入信号的反射。采用外部独立的14.318MHz的晶振为其提供时钟频率，它支持两路CVBS(复合视频信号)输入和一路超级视频信号Y/C，DM6437对TVP5146内部寄存器的访问通过I2C总线实现。
DM6437的YI[7:0]与TVP5146的Y_[9:2]引脚对应连接，作为视频数据的传输通道。DM6437的PCLK信号由TVP5146的DATACLK输出提供，作为视频输入时钟信号。当TVP5146输出的视频数据为非标准的BT.656视频流时，HS和VS分别与DM6437的HD和VD引脚相连，作为视频采样的行同步、场同步信号。
图4-6 视频输入模块
4.3.2 视频输出模块设计
OPA361是用于视频芯片的优秀高速放大器，它特别用于TI公司的嵌入式视频编码器OMAP2420处理器和达芬奇处理器或其他与0.5VPP视频输出应用处理器。它允许经过模数转换器的直流共模视频信号输入，从而驱动显示器等视频后端设备，其视频输出模块如图4-7所示：
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图4-7视频输出模块
4.3.3 电源模块设计
由5V的电源适配器输出5V电源给ICETEK-DM6437-A评估板，经TPS65023芯片输出3.3V给各个模块供电。
TPS65023是基于达芬奇技术的TMS320DM6437 DSP的电源管理芯片。在本系统中改变TPS65023外围电阻的阻值可输出1.8V、3.3V和1.2V电压。其中1.2V电压用于DM6437的内核供电；1.8V电压用于DM6437的存储器接口供电；3.3V电压用于DM6437的外设接口供电。这样用3个电源管理芯片就能满足系统供电。
4.3.4 以太网模块设计
目前，很多嵌入式系统还处在单独应用的阶段，一些特定的应用场合下,为了实现系统之间的信息交流，一般采用了 RS-232、RS-485、CAN 等总线进行通信。但是，这种通信方式范围有限，不像互联网那样具有很强的开放性。以太网以其高度的灵活性、简单易实现的特点，成为当今最重要的一种建网技术，在各个领域都得到了广泛的应用。
以太网模块设计采用KS8001L，KS8001L的特点如下： •0.5微米CMOS技术
•保证低偏移<250PS（最大）
•非常低的占空比失真<350PS（最大） •高速：传播延迟<2.5纳秒（最大） •100MHz的操作
•TTL兼容的输入和输出 •TTL电平输出电压摆幅 •1:10扇出
•输出上升和下降时间<1.5ns（最大值） •低输入电容：典型4.5pF
•高驱动器： - 32毫安IOH，48毫安IOL
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•可在QSOP，SSOP，和SOIC封装
4.4 本章小结
本章按照嵌入式机器视觉系统的硬件组成结构，分别对视频输入模块、视频输出模块、存储模块、通信模块和电源模块的硬件设计进行了详细的分析介绍，其中重点阐述了视频输入和输出模块的设计原理和思路。视频输入模块由视频解码器TVP5146及外围电路组成，完成了视频图像的数模转换；视频输出模块则以OPA361为主控芯片完成设计；存储模块通过 DM6437 的 DDR2 控制器接口外扩 DDR2 存储器实现；系统通信接口模块通过以太网通信模块实现；电源模块则通过TPS65023来实现设计。
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第五章 TMS320 DM6437硬件电路整体设计
5.1 TMS320 DM6437 核心板电路
如图5-1为TMS320 DM6437核心板电路的设计：
图5-1 TMS320 DM6437 核心板电路
5.2 外围模块电路
如图5-2为视频输入模块的设计，视频输入模块由视频解码器TVP5146及外围电
路组成：
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图 5-2 视频输入模块电路
如图5-3为视频输出模块设计，视频输出模块为以OPA361芯片为核心的电路组成：
图5-3 视频输出模块电路
如图5-4为电源模块电路设计，电源模块以TPS65023为主控芯片，给各个模块
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供电：
图5-4 电源模块电路
如图5-5为以太网模块电路的设计，以太网模块设计采用KS8001L为主控芯片完成设计：
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图5-5 以太网模块电路
5.3 总体电路图
如图5-6为在Protel下完成的系统整体设计：
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图5-6 原理图
如图5-7为PCB板电路的设计：
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图5-7 PCB板
5.4 本章小结
本章在前一章对硬件设计理论部分的基础上给出了设计电路图，通过各部分的协调运作完成了本设计。
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第六章 总结与工作展望
6.1 本文总结
机器视觉检测具有非接触、实时性高、可靠性高、安装方便等优点，在工业生产现场的检测应用前景非常广阔。本文基于 DM6437 达芬奇处理器，并结合嵌入式图像处理技术，设计实现了一款集采集、处理、通信等功能于一体的嵌入式机器视觉系统 。本文首先简单介绍了机器视觉技术的研究状况以及嵌入式机器视觉的发展趋势等，其次提出了本文设计的嵌入式机器视觉检测系统的硬件整体方案，再次讨论了系统各个模块的硬件电路设计，最后完成了本设计。
本文主要完成的工作包括：
（1） 完成对Protel DXP 2004的学习，掌握了画图的方法； （2） 完成了对TMS320 DM6437的结构与引脚分布、供电电路的学习； （3） ICETEK-DM6437-A评估板的学习，重点了解评估板上的硬件知识；
（4） 比较了不同硬件架构的机器视觉检测平台的优劣并使用 DSP 作为主控制
芯片搭建了机器视觉检测系统的硬件架构，通过对 DSP 设计，完成了图像的实时采集、存储、显示及处理； （5） 根据系统要求完成硬件结构的搭建。
6.2 工作展望
本文研究开发的嵌入式机器视觉系统功能完善，各模块之间能够协调工作，但是工业检测应用的需求不断提高，本设计在实际应用的过程中还是暴露出了一些不足，主要表现为检测精度不够高、处理速度不够快、检测功能不够强大等。因此为了进一步提高系统性能，更加优化系统的硬件结构，可以从以下三个部分考虑对系统进行优化改进。
（1）考虑采用DSP+FPGA的双处理器模式，提高系统的处理速度。 目前本系统采用的是DM6437单处理器架构，为了给 DM6437 减负，提高系统处理速度，系统硬件电路可以考虑采用 DSP+FPGA 双处理器的模式，选用 DM6437 作为主处理器，FPGA 作为协处理器；
（2）该系统中光源的最佳选择，光源的好坏直接影响到图像采集的精度，这个是无法在后期用软件解决的，从而影响整个系统的准确性；
（3）工业摄像头的设计，目前高分辨率、高速工业摄像在国内还无法研制，其在整个系统中所占系统的成本过高。如果能自己研发出满足要求的摄像头，则整个系统的成本可以大大降低，而且不用受制于国外。
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参考文献
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致谢
在学士毕业论文即将完成之际，我要向在我的四年大学生活期间给予我关心与帮助的所有老师、同学和朋友们表示衷心地感谢！
尤其要强烈感谢我的论文指导老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的改进。老师对我课题的每一个环节都给予了很多非常具体的指导，投入了大量的时间和精力，我很感激。
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
最后衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、老师！
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读书的好处
1、行万里路，读万卷书。
2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。
3、读书破万卷，下笔如有神。
4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文
5、少壮不努力，老大徒悲伤。
6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿
7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。
8、读书要三到：心到、眼到、口到
9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。
10、一日无书，百事荒废。——陈寿
11、书是人类进步的阶梯。
12、一日不读口生，一日不写手生。
13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基
14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游
15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德
16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿
17、学习永远不晚。——高尔基
18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向
19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子
20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根
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