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嵌入式视觉 开放式嵌入式架构实现机器视觉相机同步

admin 2019-7-6 19:16 193人围观 嵌入式相关

    在机器视觉应用中,大量的运动部件需要控制和同步。例如吹瓶-药物灌装-封口工艺,该工艺以连续自动化过程实现塑料成形、液体填充和密封。尽管吹瓶-灌装-封口包装能使液体中的颗粒更少,但是仍然需要检查包装中的颗粒。



嵌入式计算系统,尤其是采用开放标准架构的系统,拥有长期成功的优势,因为有许多供应商设计各种类型的向下兼容及可扩展的开放规范的产品,因此易于更换或升级。

在用于吹瓶-灌装-封口工艺这样的药物检查系统中,开放标准嵌入式计算架构对于取得成功起着相当重要的作用。

在这个系统中(包括用于错误识别的高速成像),所有产品都经过检查和记录。超过20台机器视觉相机监控整个过程,需要具有精确计时的同步图像采集系统,以及对图像采集卡和相关外设进行复杂控制。



MTCA AMC module vendors:MTCA AMC模块供应商

Supplier:供应商

Type:类型

Specifics:规格

Several Istitutes and Universities:研究机构和大学

该系统中的一项控制过程采用8台500万像素的工业相机,拍摄一个给定产品的20幅图像,其中有两台相机是同时触发的。将8台相机捕获的每三幅图像进行叠加、锐化和缩小,从而实现物体的真实展示,使得检查过程能够探测外来杂质、材料中的包裹物或孔的形成。

通过这种方法,可以探测到药液中不允许出现的颗粒。与传统的错误故障识别方法相比,这种方法在质量检测方面具有更好的效果。其主要特征包括:

  • 不同于菊链式连接多个图像采集卡,而是同步访问超过20台相机

  • 照明控制

  • 驱动控制

  • 轴编码器控制


在这种机器视觉应用中,设计人员使用了40千兆以太网速度。通过高速信令和多端口选项,实现了100G光纤上行链路。制药检测系统中使用的MicroTCA架构,提供多种时钟/定时信号选项,用于精确计时,这在此项应用中也至关重要。

如图1所示,多个现场可编程门阵列(FPGA)可以控制并连接多达48台机器视觉相机。在2U 19英寸机架式机箱中,支持12块高级夹层卡(AMC),这是一种插入MicroTCA机箱壳的板架构,每块AMC可以连接到4台相机。



MTCA: Data bandwidth,MTCA:数据带宽

Reduction:减少

4x1 Gbps per AMC input:每个AMC输入4x1Gbps

1x4 Gbps per AMC out:每个AMC输出1x4Gbps

Backplane:背板

Uplink:上行

PCle switch:Pcle交换机

Ethernet switch:以太网交换机

Clock switch:时钟切换

图1:通过每个AMC的4个端口,2U MicroTCA机箱可以具有高速、低延迟接口,最多可为检测系统配置48台相机。

MICROTCA.4

MicroTCA由国际工业计算机制造商联合会(为嵌入式计算社区开发开放规范的联盟)开发,它提供了这些开放标准的能力的一个很好例子。MicroTCA架构是基于模块化背板的规范,具有PCIe、RapidIO和千兆以太网连接选项。目前,该规范适用于背板上的10GbE速度,但通常使用40GbE实现,并且该规范目前正在草拟,以便今年更新。

MicroTCA.4是MicroTCA架构的扩展,为机器视觉应用创造了更多可能性。例如,在2U MicroTCA.4机箱中,开发人员或系统集成商可以利用多达6个FPGA与48台机器视觉相机连接,通过定时和触发总线同步数据,以及通过低延迟、点对点和板对板通信,预处理和汇总大量数据。四核CPU运行更高级别的后处理视觉软件,并通过实时现场总线进行控制,例如EtherCAT控制I/O。



MTCA chassis vendors:MTCA机箱供应商

Supplier:供应商

Specifics:规格

用于该应用的示例MTCA.4 AMC模块,是德国N.A.T公司提供的NAT-AMC-TCK7,其基于Xilinx公司的Kintex-7 FPGA。该模块与德国powerBridge Computer公司的2U MTCA.4机箱RackPak/M5-1中的其他外设集成,并且NAT- AMC-TCK7通过8个SFP/SFP+端口连接到8台GigE Vision相机,FPGA通过直接内存访问内部CPU或通过光学PCI Express上行链路连接到外部CPU,对数据采集执行预处理。powerBridge Computer公司将N.A.T公司的AMC和MicroTCA硬件与CANbus、EtherCAT和基于Intel CPU的AMC集成在一起。

powerBridge Computer公司借助用于开发和部署图像处理应用程序的NATvision环境,现在提供由硬件和软件组成的机器视觉解决方案。NATvision可以基于PCI Express或40/100 GbE基础设施,并支持GigE Vision、Camera Link和其他相机接口。图2显示了2U MicroTCA机箱中的板卡如何与各自的功能对应。MicroTCA系统能够与多个图像采集卡连接,实现同步图像采集,并通过I/O(如光控、驱动控制和轴编码器控制)提供相机及其外设的复杂控制。



3 IP-carrier:IP载波

Optical uplink:光上行链路:

Full-size,全尺寸

AMCs with up to 3 sub-modulesor big heatsinks,具有多达3个子模块或大型热沉的AMC

1x Fieldbus,1x现场总线

e.g. cameras,如相机

2x Displays (4k),2x显示器(4k)

图2:MTCA.4机箱的前部和后部,应用配置显示各种CPU、FPGA、ADC、载波集线器和RTM/IO等。

COMPACTPCI SERIAL和COM EXPRESS

工业自动化和机器视觉系统中常用的类似基于背板的架构是CompactPCI Serial(或cPCI Serial),这是一种基于串行的版本,源自PICMG广泛使用的CompactPCI规范。cPCI Serial采用3U/6U Eurocard格式,其架构具有与MicroTCA类似的性能特征,而6U配置则有利于MicroTCA.4等的后走线转换模块(RTM)方法,但主要用于信号调理。

使用MicroTCA和CompactPCI串行架构的应用包括印刷电路板装配和检查、铁路检查以及用于公共安全领域的视频。在视频应用中,架构用于来自相机接口的数据聚合、过滤和分析,以及压缩和重新编码。



MicroTCA architecture and performance:MicroTCA架构和性能

Port:端口 

Description:描述

Performance:性能

Extended signals (FPGA to FPGA):扩展信号(FPGA到FPGA)

Trigger, timing:触发,计时

COM Express是一种开放标准、基于夹层的方法,适用于紧凑型嵌入式计算应用,能够在多年后将子卡升级到更高级的CPU、内存等,具备灵活的可扩展性。基板通常包含应用程序的I/O接口(USB、GigE、COM和Serial)。COM Express允许高达10千兆的以太网速度,可用于较小的机器视觉系统,或应对加工等部分要求。

MicroTCA、cPCI Serial和COM Express等架构可用于高性能机器视觉系统,因为开放规范可提供长期的可扩展性,并且能显著降低风险,缩短产品上市时间。



MTCA power module vendors:MTCA电源模块供应商

Supplier:供应商

Specifics:规格

extreme low ripple/noise:极低波纹/噪声

紧凑轻巧的2U MicroTCA外壳可为多达48台机器视觉相机提供高速、低延迟信号和控制,就像本文中的药品检测应用所展示的那样。

有关这些开放规范的更多信息,请访问www.picmg.org。(文/Justin Moll)


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