TMS320DM368的高精度工業自動測量控制系統

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(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

引 言

目前嵌入式系統已廣泛應用于生產生活的眾多方面，嵌入式工業控制系統在工業自動化控制領域也發揮著越來越重要的作用[1]。傳統工業控制主要采用的是可編程邏輯器件(Programmable Logic Controller，PLC)，而隨著技術的發展，其局限性也逐步凸顯，如兼容性差、計算能力弱、可擴展性差等。嵌入式系統的突出特點是在復雜的環境下的抗干擾性強、可擴展性好以及計算能力強等，基于嵌入式技術開發的工業控制系統，能很好地彌補PLC的不足。隨著圖像識別與人工智能等新技術的快速發展，在工業自動化控制中也逐步將這些新技術與嵌入式系統結合，嵌入式技術或基于嵌入式的PLC技術成為未來工業控制的發展方向。

本文提出的基于TMS320DM368的自動測量系統，結合視頻識別技術，將原來采用PLC控制的半自動化系統，改造為基于嵌入式技術的全自動化測量系統。

1 測量系統概述

本系統是一套高精度角度自動測量系統，主要由電子經緯儀、龍門系統、轉臺系統三部分組成，如圖1所示。其中電子經緯儀為測量設備，可以測量水平和垂直角度，由自身的兩個電機控制；龍門系統為放置經緯儀的平臺，可從垂直、水平、橫向、縱向等多個方向調整經緯儀的位置，分別由多個高精度伺服電機控制；轉臺系統為被測物承載平臺，根據需要調整被測角度，通過一臺電機控制。

圖1 測量系統示意圖

龍門系統采用LUST公司的LSMx-Servo Motors系列交流永磁同步電機，電機驅動為LUST公司的ServoOne junior[2]伺服驅動器，系統內部采用Profibus[3]總線協議進行通信。轉臺系統的普通電機使用松下的VF0變頻器控制，通過正余弦角度編碼器獲取轉臺角度數據，并需要經過解碼器盒解碼，與轉臺系統的數據通信采用485串口。電子經緯儀為Leica公司的TPS1000型經緯儀，使用自帶電機控制，內部通信采用GSI(Geo Serial Interface)端口，控制系統通過串口直接與其控制盒進行數據交互。

測量時，從客戶端輸入轉臺和龍門以及經緯儀的理論角度數據，從經緯儀目鏡可看到亮十字與中間的黑十字，調整龍門系統和經緯儀各個電機，使得兩個十字重合，即可得到最終的角度測量數據。

2 自動測量系統設計與實現

2.1 系統總體設計

整個測量系統包括Windows端的人機交互系統、嵌入式軟件系統以及底層硬件支持，總體方案如圖2所示。

圖2 系統總體設計

PC端人機交互界面以C#語言開發，實現與嵌入式控制平臺的信息交互以及電子經緯儀目鏡的實時畫面顯示。借助網絡傳輸將人機交互系統與嵌入式控制系統解耦，實現便捷、高效、友好的交互界面。

嵌入式軟件系統是整個測量系統的核心，是實際的控制中心。操作系統采用Linux，充分發揮嵌入式Linux系統的優勢。嵌入式軟件完成視頻圖像的處理和電機控制算法的計算，實現與上層PC端的數據交互以及對底層電機驅動的控制。

底層硬件包括AR0330圖像采集模塊和電機驅動。AR0330模塊負責采集經緯儀目鏡圖像，電機驅動根據上層指令完成對各個電機的實際操作控制。此外還有電源電路、時鐘電路、網絡接口電路、DDR2 SDRAM[6]接口電路等外圍電路和接口。

2.2 系統硬件設計

硬件系統的核心芯片TMS320DM368[4](以下簡稱DM368)為TI達芬奇系列芯片，該芯片內含一個ARM9的核心以及2個圖像協處理器，具有強大的視頻處理能力。同時擁有豐富的外部接口，包括高速的DDR存儲器接口、視頻處理接口、SPI、UART、MMC/SD/SDIO接口、10/100M網絡接口等，DM368架構如圖3所示。

圖3 DM368架構框圖

其中，視頻處理子系統VPSS包括視頻輸入接口(VPFE)用于外部圖像數據的獲取,視頻輸出接口(VPBE)進行視頻編碼，能很好地滿足對從電子經緯儀目鏡采集的圖像進行處理。

圖4 系統硬件框圖

各個子系統的硬件連接關系如圖4所示。使用APTINA公司的AR0330模塊采集經緯儀目鏡圖像；使用UART轉RS485與經緯儀進行數據交互；與轉臺系統的連接則需要同時使用UART和GPIO，UART從角度編碼器的解碼模塊完成角度數據的讀取，GPIO完成變頻器的控制。嵌入式系統與龍門各個伺服驅動器以及PC端

的通信通過網絡實現。網絡接口采用RTL8201CP[5]，它是一個單端口的物理層收發器，通過網絡變壓器接RJ45來實現全部的10/100M以太網物理層功能,其物理層電路實現如圖5所示。

圖5 網絡接口電路

2.3 嵌入式系統軟件設計

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端數據的接收和解析，以及電機控制算法的具體實現三大部分。一次完整的自動測量流程如圖6所示。

圖6 自動測量流程圖

首先需要接收PC端發送的理論數據，控制轉臺和龍門系統的各個電機運轉到指定理論位置。通過AR0330模塊完成經緯儀目鏡圖像采集；采用開源的ffmpeg庫實現視頻編碼，得到壓縮編碼的H.264視頻流，再傳輸給PC端實時顯示；圖像識別部分完成圖像的分析以及角度偏差的計算。

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，通過調整采集模塊位置，使得黑色十字絲線中心位于圖像中心，故而只需要識別亮十字即可。由于整個圖像背景較為簡單，可以對圖像進行二值化處理。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，小于均值的設為0，再逐行和逐列掃描，得到灰度值為255且連續的行或列，即亮十字中心位置。角度計算原理如圖7所示，以圖像為16：9的720P視頻為例，將像素點距離轉化為實際距離，再結合光的反射原理得到偏差角度計算公式如下：

圖7 角度計算原理

至此，可以得到水平和垂直角度偏差，計算出各個系統對應每個電機需要調整的角度。在電機具體控制上，龍門的伺服電機通過伺服驅動器控制，系統按照Profibus協議與驅動器完成對應數據和指令交互，驅動器負責具體的電機控制。電子經緯儀也有自己的GSI控制協議。而對轉臺的控制，由于變頻器無法實現自動控制功能，需要在軟件中采用PID控制算法實現控制，故而需要循環通過視頻識別，逐步達到指定效果，實現高精度控制。

2.4 PC端人機交互系統設計

PC端人機交互界面采用C#開發，包括實時視頻顯示、數據交互和電機控制界面三大部分。同時，考慮到實際控制的需求，還增加了圖8所示的單電機控制界面。交互系統與嵌入式端的通信采用網絡實現，其中指令和測量數據采用TCP傳輸，保證通信的可靠性，而實時視屏數據則采用UDP傳輸，保證實時性[7]。自動測量時交互界面如圖9所示。

圖8 單電機控制界面

圖9左上方為實時視頻顯示，采用ffmpeg和SDL(Simple Direct Media Layer)技術，通過ffmpeg庫完成H.264視頻的解碼，SDL完成圖形顯示，在軟件內嵌了一個簡易視頻播放器。左下方的灰色區域為理論數據輸入和測量數據的輸出，可同時輸入多組理論數據，且支持Excel文本直接導入。右側則提供了各個電機狀態的監控及基本的操作按鈕。整個交互系統界面簡單、功能完善。

圖9 自動測量界面

結 語

[1] 張坤平,李艷.嵌入式PLC在控制領域的應用研究[J].山東工業技術,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.