基于DSP的嵌入式通用主動視覺系統

摘要：根據通用主動視覺系統的設計要求，提出了基于DSP的嵌入式主動視覺系統的設計方案，并完成系統的軟硬件設計。最終實現的系統具有俯仰和搖擺2個自由度、支持雙CCD視覺傳感器和雙傾角傳感器。該系統的硬件分別采用TMS320C6711和TMS320F2812實現了視頻處理、運動控制、傳感器信息采集及系統與PC機之間的通訊。實驗結果表明該系統具有計算和接口資源豐富、操作靈活等特點，達到設計要求。
關鍵詞：主動視覺；視覺伺服；圖像采集；步進電機控制；數字信號處理

主動視覺(Active Vision)是當今計算機視覺和機器視覺研究領域中的一個熱門課題。主動視覺強調的是視覺系統與其所處環境之間的交互作用能力。具體地說，主動視覺系統應具有根據自己在當前環境中所處的狀態，如幾何位置、姿態、攝像機的成像光學條件等，調整自身各部分的狀態參數，使其能夠達到一個最佳成像狀態，從而使系統能夠最方便地完成特定的視覺任務，如動態地跟蹤物體的運動。主動視覺系統的研制與開發具有重要意義和廣泛的應用前景，如各類導彈的成像導引頭、機器人、人機交互研究等。
以往的主動視覺系統大多采用以圖形工作站為中心，由圖形工作站完成圖像的采集、處理、跟蹤控制，再通過RS232等接口控制執行機構運動以完成跟蹤任務。以圖形工作站為中心的系統雖然應用靈活，但具有體積龐大、價格昂貴、可靠性差等缺點。隨著電子技術的發展，單芯片的計算能力發生了質的飛躍。以往往往需要由許多顆芯片才能完成的計算任務，現在只需要極少量的芯片便可實現。嵌入式系統是針對特定應用設計和優化的計算機軟硬件系統，具有體積小、重量輕、可靠性高和價格低廉等優點。本文正是在這樣的大背景下研制和開發了基于DSP的嵌入式主動視覺系統。

1 系統需求分析
主動視覺系統主要用于人機交互和高速視覺伺服任務，根據這一用途在設計中主要考慮以下幾個問題：
首先是系統的圖像處理能力。標準PALL電視信號的幀頻率為25 Hz，分辨率約為720x576像素；場頻率為50 Hz，圖像分辨率約為720x288像素，因此系統的圖像處理能力應該能夠滿足處理PAL傳輸視頻的要求。
其次考慮系統的動力學響應要求。人眼正常運動角速度約為60度／秒，掃視運動時可高達700度／秒，因此要求電機控制系統能夠達到近似的運動速度。
最后系統應該具有一定的通用性和靈活性，以便接收測試數據和實現靈活多樣的任務，因此平臺應具有靈活、豐富的計算機接口和充足的計算資源。

2 總體設計
基于以上對系統性能要求的分析，系統采用TI高性能數字信號處理芯片TMS320C6711實現圖像的處理功能并采用TMS320E2812高性能控制芯片完成電機的控制、傳感器數據采集和實現與PC機之間的通訊功能。TMS320C6711主要用于通訊、聲音信號處理和數字圖像的處理，具有
900MFLOPS的浮點運算能力和很高的性價比。TMS320F2812是TI專門針對運動控制而開發的高性能控制芯片，具有16通道12-Bit ADC、豐富的片上資源和多種通訊接口，如McBsp、CAN和SCI接口等。系統將C6711和F2812兩款高性能芯片相結合，充分利用F2812豐富的接口資源彌補C6711在控制和通訊功能上的不足，從而充分發揮C6711的計算功能，最終實現高性能的主動視覺系統。MS320C6711的時鐘頻率為150 MHz并采用了BGA封裝，給設計和制造帶來很大困難。C6711 DSK是低價位、易用性C6000 DSP開發板。該板不僅能夠充分發揮C6711DSP的性能，還提供了豐富的功能，例如聲音采集和EEP并口在線開發等等。本設計通過擴展C6711 DSK的圖像采集功能縮短開發周期、降低開發成本。

系統整體結構如圖1所示。在C6711DSK基礎上，通過其外圍擴展接口擴展圖像采集功能。TMS320C6711和TMS320F2812之間通過McBsp接口實現芯片之間信息的交換。F2812與PC機之間通過CAN總線或者RS232實現通訊。系統中采用的傾角傳感器是具有RS232接口的智能傳感器。通過F2812的SCI可以實現RS232串口，進而實現傾角傳感器配置和數據采集。

3 系統硬件設計
3．1 圖像處理系統的設計與實現
系統采用Philips公司提供的專用視頻解碼芯片SAA7111實現模擬視頻信號的采集。SAA7111與C6711之間通過專用視頻幀存儲器AL422實現，外圍接口邏輯由一片EPM7032實現，如圖2所示。