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(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

引 言

目前嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的眾多方面，嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。傳統(tǒng)工業(yè)控制主要采用的是可編程邏輯器件(Programmable Logic Controller，PLC)，而隨著技術(shù)的發(fā)展，其局限性也逐步凸顯，如兼容性差、計(jì)算能力弱、可擴(kuò)展性差等。嵌入式系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是在復(fù)雜的環(huán)境下的抗干擾性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好以及計(jì)算能力強(qiáng)等，基于嵌入式技術(shù)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)，能很好地彌補(bǔ)PLC的不足。隨著圖像識(shí)別與人工智能等新技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)自動(dòng)化控制中也逐步將這些新技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合，嵌入式技術(shù)或基于嵌入式的PLC技術(shù)成為未來工業(yè)控制的發(fā)展方向。

本文提出的基于TMS320DM368的自動(dòng)測量系統(tǒng)，結(jié)合視頻識(shí)別技術(shù)，將原來采用PLC控制的半自動(dòng)化系統(tǒng)，改造為基于嵌入式技術(shù)的全自動(dòng)化測量系統(tǒng)。

1 測量系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)是一套高精度角度自動(dòng)測量系統(tǒng)，主要由電子經(jīng)緯儀、龍門系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。其中電子經(jīng)緯儀為測量設(shè)備，可以測量水平和垂直角度，由自身的兩個(gè)電機(jī)控制；龍門系統(tǒng)為放置經(jīng)緯儀的平臺(tái)，可從垂直、水平、橫向、縱向等多個(gè)方向調(diào)整經(jīng)緯儀的位置，分別由多個(gè)高精度伺服電機(jī)控制；轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為被測物承載平臺(tái)，根據(jù)需要調(diào)整被測角度，通過一臺(tái)電機(jī)控制。

圖1 測量系統(tǒng)示意圖

龍門系統(tǒng)采用LUST公司的LSMx-Servo Motors系列交流永磁同步電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)為LUST公司的ServoOne junior[2]伺服驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)內(nèi)部采用Profibus[3]總線協(xié)議進(jìn)行通信。轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的普通電機(jī)使用松下的VF0變頻器控制，通過正余弦角度編碼器獲取轉(zhuǎn)臺(tái)角度數(shù)據(jù)，并需要經(jīng)過解碼器盒解碼，與轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用485串口。電子經(jīng)緯儀為Leica公司的TPS1000型經(jīng)緯儀，使用自帶電機(jī)控制，內(nèi)部通信采用GSI(Geo Serial Interface)端口，控制系統(tǒng)通過串口直接與其控制盒進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

測量時(shí)，從客戶端輸入轉(zhuǎn)臺(tái)和龍門以及經(jīng)緯儀的理論角度數(shù)據(jù)，從經(jīng)緯儀目鏡可看到亮十字與中間的黑十字，調(diào)整龍門系統(tǒng)和經(jīng)緯儀各個(gè)電機(jī)，使得兩個(gè)十字重合，即可得到最終的角度測量數(shù)據(jù)。

2 自動(dòng)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)測量系統(tǒng)包括Windows端的人機(jī)交互系統(tǒng)、嵌入式軟件系統(tǒng)以及底層硬件支持，總體方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PC端人機(jī)交互界面以C#語言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)與嵌入式控制平臺(tái)的信息交互以及電子經(jīng)緯儀目鏡的實(shí)時(shí)畫面顯示。借助網(wǎng)絡(luò)傳輸將人機(jī)交互系統(tǒng)與嵌入式控制系統(tǒng)解耦，實(shí)現(xiàn)便捷、高效、友好的交互界面。

嵌入式軟件系統(tǒng)是整個(gè)測量系統(tǒng)的核心，是實(shí)際的控制中心。操作系統(tǒng)采用Linux，充分發(fā)揮嵌入式Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢。嵌入式軟件完成視頻圖像的處理和電機(jī)控制算法的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與上層PC端的數(shù)據(jù)交互以及對(duì)底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制。

底層硬件包括AR0330圖像采集模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。AR0330模塊負(fù)責(zé)采集經(jīng)緯儀目鏡圖像，電機(jī)驅(qū)動(dòng)根據(jù)上層指令完成對(duì)各個(gè)電機(jī)的實(shí)際操作控制。此外還有電源電路、時(shí)鐘電路、網(wǎng)絡(luò)接口電路、DDR2 SDRAM[6]接口電路等外圍電路和接口。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的核心芯片TMS320DM368[4](以下簡稱DM368)為TI達(dá)芬奇系列芯片，該芯片內(nèi)含一個(gè)ARM9的核心以及2個(gè)圖像協(xié)處理器，具有強(qiáng)大的視頻處理能力。同時(shí)擁有豐富的外部接口，包括高速的DDR存儲(chǔ)器接口、視頻處理接口、SPI、UART、MMC/SD/SDIO接口、10/100M網(wǎng)絡(luò)接口等，DM368架構(gòu)如圖3所示。

圖3 DM368架構(gòu)框圖

其中，視頻處理子系統(tǒng)VPSS包括視頻輸入接口(VPFE)用于外部圖像數(shù)據(jù)的獲取,視頻輸出接口(VPBE)進(jìn)行視頻編碼，能很好地滿足對(duì)從電子經(jīng)緯儀目鏡采集的圖像進(jìn)行處理。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

各個(gè)子系統(tǒng)的硬件連接關(guān)系如圖4所示。使用APTINA公司的AR0330模塊采集經(jīng)緯儀目鏡圖像；使用UART轉(zhuǎn)RS485與經(jīng)緯儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；與轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的連接則需要同時(shí)使用UART和GPIO，UART從角度編碼器的解碼模塊完成角度數(shù)據(jù)的讀取，GPIO完成變頻器的控制。嵌入式系統(tǒng)與龍門各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器以及PC端

的通信通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)接口采用RTL8201CP[5]，它是一個(gè)單端口的物理層收發(fā)器，通過網(wǎng)絡(luò)變壓器接RJ45來實(shí)現(xiàn)全部的10/100M以太網(wǎng)物理層功能,其物理層電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)接口電路

2.3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式端的軟件完成真正的測量控制邏輯，包括采集圖像的處理、PC端數(shù)據(jù)的接收和解析，以及電機(jī)控制算法的具體實(shí)現(xiàn)三大部分。一次完整的自動(dòng)測量流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)測量流程圖

首先需要接收PC端發(fā)送的理論數(shù)據(jù)，控制轉(zhuǎn)臺(tái)和龍門系統(tǒng)的各個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到指定理論位置。通過AR0330模塊完成經(jīng)緯儀目鏡圖像采集；采用開源的ffmpeg庫實(shí)現(xiàn)視頻編碼，得到壓縮編碼的H.264視頻流，再傳輸給PC端實(shí)時(shí)顯示；圖像識(shí)別部分完成圖像的分析以及角度偏差的計(jì)算。

圖像分析采用二值化方法。考慮到中間的黑色十字絲線是固定的，在采集圖像時(shí)，通過調(diào)整采集模塊位置，使得黑色十字絲線中心位于圖像中心，故而只需要識(shí)別亮十字即可。由于整個(gè)圖像背景較為簡單，可以對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。首先將彩色圖像灰度化，由于灰度范圍為0～255，求取所有像素值的均值，大于均值的灰度值置為255，小于均值的設(shè)為0，再逐行和逐列掃描，得到灰度值為255且連續(xù)的行或列，即亮十字中心位置。角度計(jì)算原理如圖7所示，以圖像為16：9的720P視頻為例，將像素點(diǎn)距離轉(zhuǎn)化為實(shí)際距離，再結(jié)合光的反射原理得到偏差角度計(jì)算公式如下：

圖7 角度計(jì)算原理

至此，可以得到水平和垂直角度偏差，計(jì)算出各個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)每個(gè)電機(jī)需要調(diào)整的角度。在電機(jī)具體控制上，龍門的伺服電機(jī)通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制，系統(tǒng)按照Profibus協(xié)議與驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)和指令交互，驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)具體的電機(jī)控制。電子經(jīng)緯儀也有自己的GSI控制協(xié)議。而對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制，由于變頻器無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，需要在軟件中采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)控制，故而需要循環(huán)通過視頻識(shí)別，逐步達(dá)到指定效果，實(shí)現(xiàn)高精度控制。

2.4 PC端人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PC端人機(jī)交互界面采用C#開發(fā)，包括實(shí)時(shí)視頻顯示、數(shù)據(jù)交互和電機(jī)控制界面三大部分。同時(shí)，考慮到實(shí)際控制的需求，還增加了圖8所示的單電機(jī)控制界面。交互系統(tǒng)與嵌入式端的通信采用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其中指令和測量數(shù)據(jù)采用TCP傳輸，保證通信的可靠性，而實(shí)時(shí)視屏數(shù)據(jù)則采用UDP傳輸，保證實(shí)時(shí)性[7]。自動(dòng)測量時(shí)交互界面如圖9所示。

圖8 單電機(jī)控制界面

圖9左上方為實(shí)時(shí)視頻顯示，采用ffmpeg和SDL(Simple Direct Media Layer)技術(shù)，通過ffmpeg庫完成H.264視頻的解碼，SDL完成圖形顯示，在軟件內(nèi)嵌了一個(gè)簡易視頻播放器。左下方的灰色區(qū)域?yàn)槔碚摂?shù)據(jù)輸入和測量數(shù)據(jù)的輸出，可同時(shí)輸入多組理論數(shù)據(jù)，且支持Excel文本直接導(dǎo)入。右側(cè)則提供了各個(gè)電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控及基本的操作按鈕。整個(gè)交互系統(tǒng)界面簡單、功能完善。

圖9 自動(dòng)測量界面

結(jié) 語

[1] 張坤平,李艷.嵌入式PLC在控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(3):225.

[2] LUST. ServoOne Parameter Description,2007.

[3] LUST. Profibus ServoOne user manual,2007.

[4] Texas Instruments.TMS320DM36x DMSoC Video Processing Front End User's Guide,2010.

[5] Realtek. RTL8201CP Single-Chip/Single-Port 10/100M Fast Ethernet Phyceiver. JATR-1076-21,2004.

[6] TMS320DM36x DMSoC DDR2/mDDR Memory Controller User’s Guide,2009.

[7] Douglas E Comer,David L Stevens.Internetworking with TCP/IP:Client-Server Programming and Applications[M].Upper Saddle River: Prentice Hall,2002.