基于TCP/IP的视觉传感器的设计*

     摘要：本文详细介绍了一种基于TMS320VC5509A DSP和W5100芯片的视觉传感器的设计与研究。提出了一种TCP/IP视觉传感器的研究方案。并详细分析了这一方案的硬件模块设计，基于DSP/BIOS软件模块设计和实现[1]。
     关键词：TCP/IP；DSP/BIOS；DSP；视觉传感器；W5100

     引言
      检测技术是现代工业生产的基础技术之一，是保证产品质量的关键。机器视觉检测 采用了大量的自动化、智能化技术，整个检测过程可以自动地完成。由于机器视觉高精度、非接触性、高速性、自动化程度高等优点，使其在现代工业生产的检测领 域得到了广泛的应用。而这一切都依赖于高性能的视觉传感器的研究。
      视觉传感器的通信接口种类比较少，多为传统的RS232，RS485接口。数 据交换速度慢，已经不能满足日益增长的数据传输要求。然而基于Internet的远程控制系统能够通过Internet进行数据采集、远程控制、快速的上 传/下载数据文件。从而极大的提高了视觉传感器的性能。为此本文提出了一种基于W5100芯片的TCP/IP视觉传感器设计方案，并给予了实现。

     基于TCP/IP的视觉传感器的设计
      硬件模块的设计
      TMSVC5509A是TI公司推出的一款高性能、低功耗定点DSP芯片。其 最高时钟可以达到200MHz，内部有两个MAC和两个ALU,使最快操作数达到400MIPS，具有一条32位程序数据总线，5条16位的数据总线和6 条24位的程序和数据地址总线。在存储空间上, TMSVC5509A具有128K×16的片上RAM和64K Bytes 片上ROM。外部最大可扩展16M Bytes的SDRAM的存储容量。TMSVC5509A的这些性能已经满足了一般视觉传感器的需求[2]。
      目前，我们常用的嵌入式TCP/IP基本上是采用软件来实现TCP/IP协议 栈。这种设计开发周期长，且比较消耗片上资源。为此笔者提出了一种直接采用TCP/IP硬件协议栈芯片W5100的设计方案。如图1所示，系统由采集模 块、存储模块、DSP和通信模块组成。采集模块由CMOS、FIFO和CPLD组成。存储模块外扩了FLASH和SDRAM，而通信模块主要是由串口和以 太网组成。
      本设计采用的是WIZnet公司最新推出的固件网络芯片W5100，它是在 W3150A+的基础上，集成了以太网物理层RTL8201CP核，因此W5100集TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体。W5100支持 TCP，UDP，ICMP，IGMP，IPv4，ARP，PPPoE，Ethernet等网络协议；支持4个独立的Socket通信，最大通信速率可达 25Mbps[3]。
图1 网络化的视觉传感器系统框图
      W5100具有Direct、Indirect BUS和SPI三种接口模式，用户可以根据自己的实际情况选择合适的模式。本系统针对系统的速度要求，采用的是Direct Bus模式与DSP系统的并行总线相连。系统连接框图如图2所示。由于5509A（LQFP）只有14条地址线，而W5100有15条地址线，所以需要地 址线扩展，在本系统中采用GPIO线扩展地址线A14。
      W5100与主MCU采用中断的方式进行通信，以太网模块被客户端唤醒，接收到控制命令，则通过中断触发启动对W5100的接收数据读取和数据的发送。
      以太网接口设计需要网络隔离变压器起信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用，以保护系统的安全。传统的设计将RX+/RX-、TX+/TX-接到网络隔离变
图2 W5100与5509A硬件连接示意图
      压器上，再由变压器引出相应信号连接到RJ45接口上，网络模块以标准 RJ45接口与以太网相连。而在本系统的设计中采用的FGYDFNW2是一个带有变压器的RJ45，这样又使设计变得更为小巧，使结构更紧凑。
软件模块的设计
      BIOS是DSP开发环境CCS (Code Composer Studio)中的一个可裁剪的可抢占式实时操作内核，而且自带许多分析工具，可以实现多线程(即多任务)间的通信和同步等问题[4]。
在本系统中线程的选取如图3，因为视觉传感器主要用于生产线上的检测和控制，所以
图3 用DSP/BIOS实现的多线程视觉传感器原理图
      对其通信时间要求较为严格，所以我们采用HWI(HardWare Interrupts)这一具有最高优先权的线程。由于当命令信号给图像处理系统后，必须很快进入工作状态，对时间的要求较为严格，故任务初始化模块采用 优先级仅次于HWI的SWI（SoftWare Interrupts）线程；而对图像我们是周期性采集的，所以采用CLK（Clock）线程。CLK线程本质上是HMI线程；由于图像处理部分的程序结 构相对复杂一点，为简化设计，图像输入模块、图像处理模块、图像输出模块均采用TSK（Task）线程，而且经实验验证，采用流水优化后， CPU还有余量，所以这样的考虑是合理的。
      在上述系统中，网络模块起着通信和数据传输的双重作用。工作在服务器模式下的 嵌入式系统，其编程流程图如图4所示：对W5100初始化，初始化SOCKET，打开SOCKET后进入监听状态；直到被客户端唤醒即接收到连接信号，建 立连接；并收到来自客户端的命令，根据命令完成相应的操作，这一操作具有最高优先权。若为FIN断开连接命令，则断开由客户端至服务器SOCKET的连 接；若已经完成整个连接的命令，则发送断开连接命令，断开整个SOCKET的连接，得到确认信号，关闭SOCKET。

     速度测试及其结果
      我们采用抓包程序Ethereal对数据传输速度进行了测试。我们分别对发送 数据量为100kbyte，200kbyte和300kbyte进行了测试，实验结果如表1所示。对于本系统每帧640×480像素大小的图像。这样的速 度可以达到约10帧/s。满足系统对于实时数据传输要求。

     结语
      本系统属于多任务调度和同步实时系统，DSP/BIOS多线程设计方案加快了设计开发，并达到了很好的性能；硬件TCP/IP协议栈芯片的使用，可以免除对大量底层TCP／IP协议细节
的了解。可以很方便的实现开发系统的网络化。
图4 服务器软件流程图

参考文献：
1. 孔凡清、张兰周、贤伟，基于ARM7微控制器的实时测控系统开发平台，微计算机信息，2005，21-4：119-120。
2. TMS320C55X系列DSPs原理与应用，电子工业出版社，2003
3. WIZNET Corporation.W5100 Datasheet（version 1.01），2006
4. DSP集成开发环境—CCS及DSP/BIOS的原理与应用，电子工业出版社，2004