基于ＴＣＰ／ＩＰ的視覺傳感器的設計

摘要：本文詳細介紹了一種基于TMS320VC5509A DSP和W5100芯片的視覺傳感器的設計。提出了一種TCP/IP視覺傳感器的研究方案。并詳細分析了這一方案的硬件模塊設計，基于DSP/BIOS軟件模塊設計和實現。

關鍵詞：TCP/IP；DSP/BIOS；DSP；視覺傳感器；W5100

引言

檢測技術是現代工業生產的基礎技術之一，是保證產品質量的關鍵。機器視覺檢測采用了大量的自動化、智能化技術，整個檢測過程可以自動地完成。由于機器視覺高精度、非接觸性、高速性、自動化程度高等優點，使其在現代工業生產的檢測領域得到了廣泛的應用。而這一切都依賴于高性能的視覺傳感器的研究。

視覺傳感器的通信接口種類比較少，多為傳統的RS-232，RS485接口。數據交換速度慢，已經不能滿足日益增長的數據傳輸要求。然而基于Internet的遠程控制系統能夠通過Internet進行數據采集、遠程控制、快速的上傳/下載數據文件。從而極大的提高了視覺傳感器的性能。為此本文提出了一種基于W5100芯片的TCP/IP視覺傳感器設計方案，并給予了實現。

基于TCP/IP的視覺傳感器的設計

硬件模塊設計

TMSVC5509A是TI公司推出的一款高性能、低功耗定點DSP芯片。其最高時鐘可以達到200MHz，內部有兩個MAC和兩個ALU，使最快操作數達到400MIPS，具有一條32位程序數據總線，5條16位的數據總線和6條24位的程序和數據地址總線。在存儲空間上，TMSVC5509A具有128K×16的片上RAM和64K Bytes片上ROM。外部最大可擴展16M Bytes的SDRAM的存儲容量。TMSVC5509A的這些性能已經滿足了一般視覺傳感器的需求。

目前，我們常用的嵌入式TCP/IP基本上是采用軟件來實現TCP/IP協議棧。這種設計開發周期長，且比較消耗片上資源。為此筆者提出了一種直接采用TCP/IP硬件協議棧芯片W5100的設計方案。如圖1所示，系統由采集模塊、存儲模塊、DSP和通信模塊組成。采集模塊由CMOS、FIFO和CPLD組成。存儲模塊外擴了FLASH和SDRAM，而通信模塊主要是由串口和以太網組成。

本設計采用的是WIZnet公司最新推出的固件網絡芯片W5100，它是在W3150A+的基礎上，集成了以太網物理層RTL8201CP核，因此W5100集TCP/IP協議棧、以太網MAC和PHY為一體。W5100支持TCP，UDP，ICMP，IGMP，IPv4，ARP，PPPoE，Ethernet等網絡協議；支持4個獨立的Socket通信，最大通信速率可達25Mbps。

W5100具有Direct、Indirect BUS和SPI三種接口模式，用戶可以根據自己的實際情況選擇合適的模式。本系統針對系統的速度要求，采用的是Direct Bus模式與DSP系統的并行總線相連。系統連接框圖如圖2所示。由于5509A(LQFP)只有14條地址線，而W5100有15條地址線，所以需要地址線擴展，在本系統中采用GPIO線擴展地址線A14。

W5100與主MCU采用中斷的方式進行通信，以太網模塊被客戶端喚醒，接收到控制命令，則通過中斷觸發啟動對W5100的接收數據讀取和數據的發送。

以太網接口設計需要網絡隔離變壓器起信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、雜波抑制以及高電壓隔離等作用，以保護系統的安全。傳統的設計將RX+/RX-、TX+/TX-接到網絡隔離變壓器上，再由變壓器引出相應信號連接到RJ45接口上，網絡模塊以標準RJ45接口與以太網相連。而在本系統的設計中采用的FGYDFNW2是一個帶有變壓器的RJ45，這樣又使設計變得更為小巧，使結構更緊湊。

軟件模塊設計

BIOS是DSP開發環境CCS(CodeComposer Studio)中的一個可裁剪的可搶占式實時操作內核，而且自帶許多分析工具，可以實現多線程(即多任務)間的通信和同步等問題。

在本系統中線程的選取如圖3，因為視覺傳感器主要用于生產線上的檢測和控制，所以對其通信時間要求較為嚴格，所以我們采用HWI(HardWare Interrupts)這一具有最高優先權的線程。由于當命令信號給圖像處理系統后，必須很快進入工作狀態，對時間的要求較為嚴格，故任務初始化模塊采用優先級僅次于HWI的SWI(SoftWareInterrupts)線程；而對圖像我們是周期性采集的，所以采用CLK(Clock)線程。CLK線程本質上是HMI線程；由于圖像處理部分的程序結構相對復雜一點，為簡化設計，圖像輸入模塊、圖像處理模塊、圖像輸出模塊均采用TSK(Task)線程，而且經實驗驗證，采用流水優化后，CPU還有余量，所以這樣的考慮是合理的。

在上述系統中，網絡模塊起著通信和數據傳輸的雙重作用。工作在服務器模式下的嵌入式系統，其編程流程圖如圖4所示：對W5100初始化，初始化SOCKET，打開SOCKET后進入監聽狀態；直到被客戶端喚醒即接收到連接信號，建立連接；并收到來自客戶端的命令，根據命令完成相應的操作，這一操作具有最高優先權。若為FIN斷開連接命令，則斷開由客戶端至服務器SOCKET的連接；若已經完成整個連接的命令，則發送斷開連接命令，斷開整個SOCKET的連接，得到確認信號，關閉SOCKET。

速度測試及其結果

我們采用抓包程序Ethereal對數據傳輸速度進行了測試。我們分別對發送數據量為100kbyte，200kbyte和300kbyte進行了測試，實驗結果如表1所示。對于本系統每幀640×480像素大小的圖像。這樣的速度可以達到約10幀/s。滿足系統對于實時數據傳輸要求。

結語

本系統屬于多任務調度和同步實時系統，DSP/BIOS多線程設計方案加快了設計開發，并達到了很好的性能；硬件TCP/IP協議棧芯片的使用，可以免除對大量底層TCP/IP協議細節的了解。可以很方便的實現開發系統的網絡化。