基于DSP的嵌入式通用主动视觉系统

摘要：根据通用主动视觉系统的设计要求，提出了基于DSP的嵌入式主动视觉系统的设计方案，并完成系统的软硬件设计。最终实现的系统具有俯仰和摇摆2个自由度、支持双CCD视觉传感器和双倾角传感器。该系统的硬件分别采用TMS320C6711和TMS320F2812实现了视频处理、运动控制、传感器信息采集及系统与PC机之间的通讯。实验结果表明该系统具有计算和接口资源丰富、操作灵活等特点，达到设计要求。
关键词：主动视觉；视觉伺服；图像采集；步进电机控制；数字信号处理

主动视觉(Active Vision)是当今计算机视觉和机器视觉研究领域中的一个热门课题。主动视觉强调的是视觉系统与其所处环境之间的交互作用能力。具体地说，主动视觉系统应具有根据自己在当前环境中所处的状态，如几何位置、姿态、摄像机的成像光学条件等，调整自身各部分的状态参数，使其能够达到一个最佳成像状态，从而使系统能够最方便地完成特定的视觉任务，如动态地跟踪物体的运动。主动视觉系统的研制与开发具有重要意义和广泛的应用前景，如各类导弹的成像导引头、机器人、人机交互研究等。
以往的主动视觉系统大多采用以图形工作站为中心，由图形工作站完成图像的采集、处理、跟踪控制，再通过RS232等接口控制执行机构运动以完成跟踪任务。以图形工作站为中心的系统虽然应用灵活，但具有体积庞大、价格昂贵、可靠性差等缺点。随着电子技术的发展，单芯片的计算能力发生了质的飞跃。以往往往需要由许多颗芯片才能完成的计算任务，现在只需要极少量的芯片便可实现。嵌入式系统是针对特定应用设计和优化的计算机软硬件系统，具有体积小、重量轻、可靠性高和价格低廉等优点。本文正是在这样的大背景下研制和开发了基于DSP的嵌入式主动视觉系统。

1 系统需求分析
主动视觉系统主要用于人机交互和高速视觉伺服任务，根据这一用途在设计中主要考虑以下几个问题：
首先是系统的图像处理能力。标准PALL电视信号的帧频率为25 Hz，分辨率约为720x576像素；场频率为50 Hz，图像分辨率约为720x288像素，因此系统的图像处理能力应该能够满足处理PAL传输视频的要求。
其次考虑系统的动力学响应要求。人眼正常运动角速度约为60度／秒，扫视运动时可高达700度／秒，因此要求电机控制系统能够达到近似的运动速度。
最后系统应该具有一定的通用性和灵活性，以便接收测试数据和实现灵活多样的任务，因此平台应具有灵活、丰富的计算机接口和充足的计算资源。

2 总体设计
基于以上对系统性能要求的分析，系统采用TI高性能数字信号处理芯片TMS320C6711实现图像的处理功能并采用TMS320E2812高性能控制芯片完成电机的控制、传感器数据采集和实现与PC机之间的通讯功能。TMS320C6711主要用于通讯、声音信号处理和数字图像的处理，具有
900MFLOPS的浮点运算能力和很高的性价比。TMS320F2812是TI专门针对运动控制而开发的高性能控制芯片，具有16通道12-Bit ADC、丰富的片上资源和多种通讯接口，如McBsp、CAN和SCI接口等。系统将C6711和F2812两款高性能芯片相结合，充分利用F2812丰富的接口资源弥补C6711在控制和通讯功能上的不足，从而充分发挥C6711的计算功能，最终实现高性能的主动视觉系统。MS320C6711的时钟频率为150 MHz并采用了BGA封装，给设计和制造带来很大困难。C6711 DSK是低价位、易用性C6000 DSP开发板。该板不仅能够充分发挥C6711DSP的性能，还提供了丰富的功能，例如声音采集和EEP并口在线开发等等。本设计通过扩展C6711 DSK的图像采集功能缩短开发周期、降低开发成本。

系统整体结构如图1所示。在C6711DSK基础上，通过其外围扩展接口扩展图像采集功能。TMS320C6711和TMS320F2812之间通过McBsp接口实现芯片之间信息的交换。F2812与PC机之间通过CAN总线或者RS232实现通讯。系统中采用的倾角传感器是具有RS232接口的智能传感器。通过F2812的SCI可以实现RS232串口，进而实现倾角传感器配置和数据采集。

3 系统硬件设计
3．1 图像处理系统的设计与实现
系统采用Philips公司提供的专用视频解码芯片SAA7111实现模拟视频信号的采集。SAA7111与C6711之间通过专用视频帧存储器AL422实现，外围接口逻辑由一片EPM7032实现，如图2所示。