專利名稱：一種基于dsp的嵌入式浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于DSP的嵌入式礦物泡沫浮選圖像監(jiān)控裝置，是一種用于獲取礦物泡沫浮選視覺信息，對圖像進行本地處理以避免大數(shù)據(jù)量的圖像傳輸，并具有多種外圍端口的一種小型低功耗高性能裝置。
背景技術(shù)：
浮選是礦物加工中應(yīng)用最廣泛的一種選礦方法，通過極其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程進行礦化起泡。浮選泡沫是由氣固液三相組成的三維復(fù)雜體，包含著如氣泡大小、顏色、速度等與浮選狀態(tài)及指標的視覺信息。多年來選廠主要靠生產(chǎn)工人觀察泡沫來調(diào)節(jié)操作，但泡沫狀態(tài)呈隨機性，而不同操作人員對泡沫狀態(tài)的判斷沒有統(tǒng)一定量的標準，導(dǎo)致操作的主觀性和隨意性較大，是浮選過程難以處于最優(yōu)運行狀態(tài)，常出現(xiàn)生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，浪費礦物資源等問題。隨著自動控制、計算機、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，研究開發(fā)浮選泡沫嵌入式機器裝置，利用圖像信息定量地反映浮選過程狀態(tài)，并給出參考操作信息已成為可能。目前，浮選泡沫上應(yīng)用的機器視覺系統(tǒng)大多是基于PC構(gòu)架的，基于PC構(gòu)架的圖像處理系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其通用性、可擴充性上。但是，這種視覺系統(tǒng)價格昂貴，軟件需要定制，其開發(fā)工作復(fù)雜，開發(fā)周期長，而且受工作環(huán)境限制，移動性能較差。另外，基于PC構(gòu)架的圖像處理系統(tǒng)的處理器只有一個，難以通過并行處理來提高多組礦物泡沫浮選設(shè)備的響應(yīng)速度，而且PC計算機使用的是功能復(fù)雜的Windows操作系統(tǒng)，較多的系統(tǒng)資源消耗在系統(tǒng)服務(wù)中，從而影響系統(tǒng)的整體計算性能，而且其較大的體積和重量對于工作設(shè)備的可移動性而目也是一種缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有PC架構(gòu)的泡沫浮選監(jiān)控技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明目的在于設(shè)計一種基于DSP的體積小、功耗低、計算能力強的嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置。一種基于DSP的嵌入式浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置，包括:圖像采集裝置，負責(zé)圖像的采集；圖像處理核心板，負責(zé)圖像的實時處理和分析；通訊接口板，負責(zé)圖像的輸入解碼與外部顯示設(shè)備通訊和輸出最后的決策控制信號;所述圖像采集裝置與通訊接口板通過BNC電纜相連；圖像處理核心板和通訊接口板通過總線插槽相連；圖像采集裝置包括:內(nèi)裝有礦物泡沫的浮選槽、防護罩、攝像機、高頻光源、電源，其中攝像機與通訊接口板、圖像處理核心板通過電纜相連，并均嵌在防護罩內(nèi)，由鉚釘固定，且在防護罩、高頻光源及電源外再套浮選槽，所述的高頻光源由電源提供電力并對礦物泡沫進行照明，所述的攝像機拍攝被高頻光源照射下的礦物泡沫，通訊板的以太網(wǎng)端口通過網(wǎng)線與PC機相連。
圖像處理核心板包括:動態(tài)隨機存儲器DRAM、FLASH存儲器、DSP處理器；DSP處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線與動態(tài)存儲器和FLASH存儲器相連，DSP處理器通過指定的地址訪問動態(tài)存儲器內(nèi)所存儲的動態(tài)數(shù)據(jù)和FLASH存儲器內(nèi)存儲的靜態(tài)數(shù)據(jù)；通訊接口板包括:攝像頭輸入端口、視頻解碼芯片、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)端口、通用異步收發(fā)器、RS232收發(fā)器、RS232端口、數(shù)字量IO端口；攝像頭輸入端口與攝像機相連，用于米集攝像機的|旲擬圖像；視頻解碼芯片分別與攝像頭輸入端口和DSP處理器相連，用于接收攝像頭輸入端口的模擬圖像并進行解碼，生成的數(shù)字圖像輸出到DSP處理器，且DSP處理器對解碼芯片進行控制；以太網(wǎng)控制器分別與DSP處理器和以太網(wǎng)端口相連，用于實現(xiàn)DSP處理器與以太網(wǎng)之間通信數(shù)據(jù)的物理層協(xié)議封裝；以太網(wǎng)端口連接至以太網(wǎng)，用于從以太網(wǎng)中接收數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)；通用異步收發(fā)器的控制器與DSP處理器相連，用于實現(xiàn)DSP處理器的并行數(shù)據(jù)與通用異步收發(fā)器的串行通信數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；RS232收發(fā)器分別與通用異步收發(fā)器和RS232端口相連，用于實現(xiàn)通用異步收發(fā)器串行通信數(shù)據(jù)與RS232通信數(shù)據(jù)之間的電平轉(zhuǎn)換；RS232端口是用于物理連接到外部RS232通信的端口 ；數(shù)字量IO端口與DSP處理器相連，用于接收和發(fā)送數(shù)字量信號。所述的浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置，防護罩為由鋁合金材料構(gòu)成滑蓋式密封箱體，其中前側(cè)壁為防護玻璃。所述的浮選泡沫圖像監(jiān)控處理裝置，高頻光源功率為200W，發(fā)光頻率為2.65MHz,照度為15001ux，色溫為4500K。所述的浮選泡沫圖像監(jiān)控處理裝置，所述DSP處理器具有視頻輸入端口、數(shù)據(jù)總線、地址總線、數(shù)字量IO端口、I2C端口及以太網(wǎng)端口，其中:DSP處理器的視頻輸入端口與通訊接口板的視頻解碼芯片相連，接收視頻解碼芯片解碼的數(shù)字圖像；DSP處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線與通訊接口板的通用異步收發(fā)器相連，通過通用異步收發(fā)器接收或者發(fā)送串口數(shù)據(jù)；DSP處理器的數(shù)字量IO端口與數(shù)字量IO端口相連，接收和發(fā)送數(shù)字量信號；DSP處理器的I2C端口與視頻解碼芯片相連，對視頻解碼芯片進行控制。本發(fā)明的有益效果是:開發(fā)了一個集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、圖像處理軟件功能豐富的視覺監(jiān)控系統(tǒng)，通過嵌入式處理器減少數(shù)據(jù)量傳輸，分擔(dān)上位機主處理器的計算負擔(dān)，在保證圖像處理性能的前提下同時減少系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的移動能力。本發(fā)明應(yīng)用于礦物浮選過程的泡沫圖像獲取及監(jiān)控，設(shè)計的DSP嵌入式圖像監(jiān)控裝置配置了大容量的存儲器，利用高速的DSP圖像處理器，實現(xiàn)在本地實現(xiàn)圖像處理和決策，并且通過網(wǎng)絡(luò)直接輸出處理結(jié)果到上位機，解決了大量的數(shù)字圖像傳輸所需要的高速數(shù)據(jù)通道，其小巧的體積和豐富的外圍端口提高了系統(tǒng)的可移動性和擴展能力。


圖1為基于DSP的嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置的工程示意圖；圖2為基于DSP的嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為基于DSP的嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置用于實時圖像監(jiān)控信息流向示意圖；其中，I為浮選槽、2為防護罩、3為攝像機、4為圖像處理核心板、5為通訊接口板、6為高頻光源、7為電源、8為網(wǎng)線、9為PC機、10為動態(tài)隨機存儲器DRAM、11為FLASH存儲器、12為DSP處理器、13為模擬攝像頭接口、14為視頻解碼芯片、15為以太網(wǎng)物理層收發(fā)器、16為以太網(wǎng)接口、17為數(shù)字量IO接口、18為通用異步收發(fā)器、19為RS232收發(fā)器、20為RS232 接口。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對專利再作進一步詳細說明。圖2為本DSP嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控圖像采集監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括:圖像處理核心板4和通訊接口板5，兩個板卡通過總線插槽相連。圖像處理核心板4，它的功能是負責(zé)圖像的實時處理和控制決策運算；通訊接口板5，它負責(zé)圖像的輸入解碼、與外部上位機或者外接觸摸顯示屏的通訊、顯示。本專利把圖像處理算法集成在DSP嵌入式圖像采集板處理器中，進行本地的圖像實時處理，減少了數(shù)據(jù)通訊的時間，且可實現(xiàn)多套基于DSP的嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置同時工作，由于每套裝置都有獨立的DSP嵌入式圖像采集板卡進行圖像的處理傳輸，相比傳統(tǒng)的上位機處理圖像，大大提高了計算速度，提高了泡沫浮選生產(chǎn)線的工作效率。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用專用的視頻圖像DSP_TM320DM6446處理器和大容量的內(nèi)存配置，解決了計算資源不足的問題；采用疊加式的硬件構(gòu)架使得系統(tǒng)具有良好的可擴展性，DSP嵌入式圖像采集板卡可以通過疊加擴展板卡添加各種形式的外圍端口 ；由于移植了完整的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，DSP嵌入式圖像采集板卡可以脫離上位機獨立運行。所述圖像處理核心板4包括:動態(tài)隨機存儲器DRAM10、FLASH存儲器11、DSP處理器12 ；DSP處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線與動態(tài)存儲器DRAMlO和FLASH存儲器11相連，DSP處理器通過指定的地址訪問動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)；DSP處理器12采用TMS320DM6446處理器，DSP處理器12包括視頻輸入端口、以太網(wǎng)端口、數(shù)據(jù)總線和地址總線、I2C端口、數(shù)字量IO端口，其中圖像處理核心板4的DSP處理器12的視頻輸入端口與I2C端口與通訊接口板5的視頻解碼芯片14相連接，接收視頻解碼芯片14解碼的數(shù)字圖像；圖像處理核心板4的DSP處理器12的以太網(wǎng)端口與通訊接口板5的以太網(wǎng)控制器15相連，通過它傳送或者接收數(shù)據(jù)；圖像處理核心板4的DSP處理器12的數(shù)據(jù)總線和地址總線與通訊接口板5的異步收發(fā)器18相連接，通過通用異步收發(fā)器18接收或者發(fā)送串口數(shù)據(jù)；圖像處理核心板4的DSP處理器12的數(shù)字量IO端口與數(shù)字量IO端口 17相連接，以接收和發(fā)送數(shù)字量信號。所述的動態(tài)隨機存儲器DRAMlO存儲量為64M字節(jié)，由DDR II組成；所述靜態(tài)存儲器11采用32M X8bit NAND Flash memory，該大容量的存儲器配置保證了可以同時處理多幅數(shù)字圖像，及存儲復(fù)雜的代碼量大的程序。所述DSP處理器12采用TMS320DM6446，TMS320DM6446是TI公司開發(fā)的高性能數(shù)字處理器，工作頻率高達594MHz，運算、處理能力強大。TMS320DM6446支持的外圍設(shè)備非常豐富。所述的DSP處理器12使用TI公司的DSP/BIOS實時內(nèi)核，包括一個小的實時軟件庫、一套使用實時庫的AP1、一個易于使用的配置和分析工具。DSP/B10S實時內(nèi)核具有所有嵌入式操作系統(tǒng)具備的內(nèi)存管理、中斷管理和多任務(wù)調(diào)度功能，易于實現(xiàn)內(nèi)核對象的分配和使用，對DSP處理器12的片內(nèi)資源調(diào)試方便。該微內(nèi)核是組件化的，只有使用到的部件被編譯到應(yīng)用程序中，避免了不需要的系統(tǒng)服務(wù)開銷。通訊接口板5包括:模擬攝像頭接口 13、視頻解碼芯片14、以太網(wǎng)控制器15、以太網(wǎng)接口 16、通用異步收發(fā)器18、RS232收發(fā)器19、RS232接口 20、數(shù)字量IO接口 17，其中:模擬攝像頭接口 13與模擬攝像機相連，用于采集外部的模擬圖像；視頻解碼芯片14分別與視頻輸入端口、I2C端口和模擬攝像頭接口 13相連接，用于接收模擬攝像頭端口13的模擬圖像并對其進行解碼，生成數(shù)字圖像并輸出到DSP處理器12 ；以太網(wǎng)控制器15與DSP處理器12的以太網(wǎng)端口相連，用于實現(xiàn)DSP處理器12與以太網(wǎng)之間通信數(shù)據(jù)的物理層協(xié)議封裝；以太網(wǎng)接口 16與以太網(wǎng)電纜相連，用于從以太網(wǎng)中接收數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)；通用異步收發(fā)器18與DSP處理器12相連，用于實現(xiàn)DSP處理器12并行數(shù)據(jù)與通用異步收發(fā)器的的串行通信數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；RS232收發(fā)器19與通用異步收發(fā)器18相連，用于實現(xiàn)通用異步收發(fā)器串行通信數(shù)據(jù)與RS232通信數(shù)據(jù)之間的電平轉(zhuǎn)換；RS232接口20是用于連接到外部RS232通信開端口的物理連接；數(shù)字量IO接口 17與DSP處理器12的數(shù)字量IO端口相連，用于接收和發(fā)送數(shù)字量信號；攝像頭接口 13采用BNC連接端子，視頻解碼芯片14采用超低功耗視頻解碼芯片TVP5158，將攝像頭的NTSC/PAL/SECAM制式的視頻信號轉(zhuǎn)換成8位ITU-R BT.656格式的數(shù)字視頻信號。以太網(wǎng)控制器15采用LXT971ALE芯片，以太網(wǎng)接口 16采用RJ45端子，通用異步收發(fā)器18采用雙端口通用異步收發(fā)器TL16C752B，RS232收發(fā)器19采用MAX3221。RS232接口為4芯的接插件。數(shù)字量IO接口 17為一個20芯的接插片。如圖3為本專利應(yīng)用于泡沫浮選生產(chǎn)過程的實時圖像監(jiān)控示意圖:攝像機與圖像處理核心板的模擬攝像頭接口 13相連。遠程控制室內(nèi)的PC機通過以太網(wǎng)電纜8與DSP嵌入式浮選泡沫圖像監(jiān)控圖像采集板卡的以太網(wǎng)接口 16相連。圖像處理核心板把攝像機采集到的模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像后進行壓縮，然后把壓縮的圖像以及經(jīng)過算法處理得到的特征值通過以太網(wǎng)傳送到遠程控制室內(nèi)的PC機進行顯示，從而實現(xiàn)實時圖像監(jiān)控。本專利的圖像處理核心板4規(guī)格如下:板卡尺寸:141X93平方毫米；DSP處理器:TMS320DM6446處理器頻率為:594MHz ;動態(tài)隨機存儲器:64M字節(jié)；靜態(tài)存儲器:32M字節(jié):外圍端口包括:RS232，AO以及DIO ;視頻輸入:NTSC/PAL符合端子；供電電源:圖像處理核心板上為3.3V供電，通訊接口板為5V供電；空載電流/工作電流:240Ma/280mA ;空載功耗/工作功耗:1.2w/l.4w。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的嵌入式浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置，其特征在于，包括: 圖像采集裝置，負責(zé)圖像的采集； 圖像處理核心板(4)，負責(zé)圖像的實時處理和分析； 通訊接口板(5)，負責(zé)圖 像的輸入解碼與外部顯示設(shè)備通訊和輸出最后的決策控制信號; 所述圖像采集裝置與通訊接口板通過BNC電纜相連；圖像處理核心板和通訊接口板通過總線插槽相連； 圖像采集裝置包括:內(nèi)裝有礦物泡沫的浮選槽(I)、防護罩(2)、攝像機(3)、高頻光源(6)、電源(7)，其中攝像機(3)與通訊接口板(5)、圖像處理核心板(4)通過電纜相連，并均嵌在防護罩(2)內(nèi)，由鉚釘固定，且在防護罩(2)、高頻光源(6)及電源(7)外再套浮選槽(I )，所述的高頻光源由電源(7)提供電力并對礦物泡沫進行照明，所述的攝像機拍攝被高頻光源照射下的礦物泡沫，通訊板(5)的以太網(wǎng)端口通過網(wǎng)線(8)與PC機(9)相連，。
圖像處理核心板包括:動態(tài)隨機存儲器DRAM、FLASH存儲器、DSP處理器；DSP處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線與動態(tài)存儲器和FLASH存儲器相連，DSP處理器通過指定的地址訪問動態(tài)存儲器內(nèi)所存儲的動態(tài)數(shù)據(jù)和FLASH存儲器內(nèi)存儲的靜態(tài)數(shù)據(jù)； 通訊接口板包括:攝像頭輸入端口、視頻解碼芯片、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)端口、通用異步收發(fā)器、RS232收發(fā)器、RS232端口、數(shù)字量IO端口； 攝像頭輸入端口與攝像機相連，用于采集攝像機的模擬圖像； 視頻解碼芯片分別與攝像頭輸入端口和DSP處理器相連，用于接收攝像頭輸入端口的模擬圖像并進行解碼，生成的數(shù)字圖像輸出到DSP處理器，且DSP處理器對解碼芯片進行控制； 以太網(wǎng)控制器分別與DSP處理器和以太網(wǎng)端口相連，用于實現(xiàn)DSP處理器與以太網(wǎng)之間通信數(shù)據(jù)的物理層協(xié)議封裝； 以太網(wǎng)端口連接至以太網(wǎng)，用于從以太網(wǎng)中接收數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)； 通用異步收發(fā)器的控制器與DSP處理器相連，用于實現(xiàn)DSP處理器的并行數(shù)據(jù)與通用異步收發(fā)器的串行通信數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換； RS232收發(fā)器分別與通用異步收發(fā)器和RS232端口相連，用于實現(xiàn)通用異步收發(fā)器串行通信數(shù)據(jù)與RS232通信數(shù)據(jù)之間的電平轉(zhuǎn)換； RS232端口是用于物理連接到外部RS232通信的端口 ； 數(shù)字量IO端口與DSP處理器相連，用于接收和發(fā)送數(shù)字量信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置，其特征在于:防護罩(2)為由鋁合金材料構(gòu)成滑蓋式密封箱體，其中前側(cè)壁為防護玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮選泡沫圖像監(jiān)控處理裝置，其特征在于:高頻光源(6)功率為200W，發(fā)光頻率為2.65MHz，照度為15001ux，色溫為4500K。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮選泡沫圖像監(jiān)控處理裝置，其特征在于:所述DSP處理器具有視頻輸入端口、數(shù)據(jù)總線、地址總線、數(shù)字量IO端口、I2C端口及以太網(wǎng)端口，其中: DSP處理器的視頻輸入端口 與通訊接口板的視頻解碼芯片相連，接收視頻解碼芯片解碼的數(shù)字圖像； DSP處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線與通訊接口板的通用異步收發(fā)器相連，通過通用異步收發(fā)器接收或者發(fā)送串口數(shù)據(jù)； DSP處理器的數(shù)字量IO端口與數(shù)字量IO端口相連，接收和發(fā)送數(shù)字量信號； DSP處理器的 I2C端口與視頻解碼芯片相連，對視頻解碼芯片進行控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DSP的嵌入式礦物浮選泡沫圖像監(jiān)控裝置,由圖像采集裝置、圖像處理核心板模塊和通訊接口板模塊組成，三個部件集成在防護罩內(nèi)，圖像處理核心板和通訊接口板分別由獨立的板卡實現(xiàn)，通過總線插槽相連；圖像采集裝置由高分辨率工業(yè)攝像機、高頻光源、防護等級為IP65的雙防護罩組成；計算處理核心板主要由處理器構(gòu)成，負責(zé)圖像的實時處理和分析；通訊接口底板負責(zé)傳送圖像由攝像機至視頻芯片和外部顯示設(shè)備及上位機進行通訊。本發(fā)明用于礦物泡沫浮選過程監(jiān)控、實時處理及優(yōu)化控制領(lǐng)域。
文檔編號H04N7/18GK103108165SQ20131004163
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者桂衛(wèi)華, 郭健, 徐德剛, 胡峻, 王為, 朱軍, 李勇剛, 朱紅求, 謝永芳, 陽春華, 蔡耀儀 申請人:中南大學(xué)