（山东鲁能智能技术有限公司 250104）
摘要：随着工业自动化设备特别是工业机器人视觉技术的运用和发展，嵌入式系统在工业自动化设备视觉系统中得到深入的发挥。本文介绍了嵌入式系统的概念和特点，分析了在工业自动化设备视觉系统中的应用，并阐述了嵌入式系统在工业自动化设备中的未来趋势。
关键词：嵌入式系统；工业自动化设备；视觉系统，应用
一、工业自动化设备嵌入式系统介绍和特点
工业自动化设备嵌入式系统主要是为了满足工业自动化的某种功能和应用，以计算机技术和信息技术为基础，对应用系统软硬件进行合理调配，实现功能、成本、能耗等各方面的协调应用的计算机系统。它集合了先进的计算机技术、电子信息技术、工业技术和半导体技术等，是高新技术软件和先进硬件集成的一体化体现。
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式软件操作系统以及用户的应用程序4大部分组成。工业自动化设备嵌入式系统要求专用型功能强，能够满足自动化设备专用功能的完成，要求系统的功耗较小，在设备中所占空间小，不同于以往的PC机，要求系统小型化，要把以往PC机中多卡完成的任务集中到芯片中或者单片机中。另外，软件代码的质量在嵌入式系统中的重要性很高，决定着系统运行的速度和可靠性。
二、工业自动化设备嵌入式视觉系统中的应用
1、嵌入式工业自动化设备视觉系统的构成
嵌入式工业自动化设备视觉系统一般由图像捕捉成像系统、图像采集与数字化系统、图像处理与决策系统、图像存储、图像显示系统5个模块组成，如图一所示，图像捕捉成像系统一般由摄像头来完成；图像采集和数字化系统负责将外界的光信号转换成对应的数字信号，包括光源滤波、视觉传感、距离测定等；图像处理部分负责将获取的大量物体信息进行提取和处理，包括图像边缘的检测、连接、光滑和轮廓的编码，图像匹配等，并将处理后的数据传输给其他设备。图像存储部分主要担任数据的保存工作。主要是将物体的信息显示于屏幕上，同时将信息传送到自动化设备的主控系统，自动化设备根据所得信息便可进行相应的闭环控制。
2、嵌入式工业自动化设备视觉系统硬件设计
嵌入式工业自动化设备视觉系统的总体结构主要由嵌入式微处理器、存储系统、图像采集模块、电机驱动模块和数据通信模块等几个部分构成，系统的硬件结构框图如图二所示。
微处理器一般采用RISC 架构，具有体积小、功耗低、成本低等特点，能够支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件，大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定。
嵌入式工业自动化设备视觉系统中，需要保存嵌入式操作系统和应用程序。此外，还要保存图像采集模块获得的原始图像数据，以及图像处理模块进行图像处理时的中间运算结果。因此，系统需要设计大容量的内存，可以选择配置2MB 的FLASH 存储器以及8MB的SDRAM 存储器。
图像采集模块负责图像的采集，是机器人视觉的输入。图像采集系统包括：图像采集硬件、驱动软件和应用软件。硬件可提供图像捕获、定时和控制功能；驱动软件通过一个标准的API 接口对硬件进行操作；应用软件可以将硬件和驱动软件结合到特定应用的解决方案中，完成特定的功能需求。
电机驱动模块负责将图像处理后的结果转换成自动化设备的执行机构需要的电压和电流。利用自动化设备的驱动模块提供的开放式接口，与嵌入式系统的PWM 接口进行连接，根据自动化设备视觉系统的需要，通过嵌入式软件编程来控制自动化设备的运动。
3、嵌入式工业自动化设备视觉系统软件设计
工业自动化设备视觉的软件系统设计目标是，通过图像采集软件模块，获得实时的现场图像信息；然后运用图像处理软件模块，得到当前图像中给定目标。图像视野中央位置的偏差值；再通过工业自动化设备运动控制软件模块，确定合适的工业自动化设备运动速度和转角期望值，驱动工业自动化设备的电机转动，从而使得给定目标始终位于工业自动化设备图像视野的中央位置，保证稳定地跟踪给定目标。主要包括：系统初始化软件模块，图像采集软件模块，图像处理软件模块，工业自动化设备运动控制软件模块，数据通信软件模块等。
由于嵌入式系统对于功能、成本、速度、处理能力、可靠性、体积、功耗等都有很严格的要求，所以运行其上的图像处理应用就受到了一定的限制。在功能上，由于嵌入式系统都是针对非常具体的应用而进行设计开发的，因此，功能相对来说单一得多，即使是图像处理应用，也可能有多种环境多种多样的不同需求，应该针对具体的应用环境所采用的图像处理技术及其特点分别设计相应的嵌入式系统。由于同一时代嵌入式系统的硬件计算能力和速度相较通用计算机系统要低一些，这就要求在设计专用图像处理算法和策略的时候应尽可能的采用产生较少的执行代码量以及快速的运算类型的算法；嵌入式系统具有很高的系统可靠性，因此，选择图像处理技术及算法设计时应考虑选择比较成熟可靠的算法和技术。
三、嵌入式系统在工业自动化设备中的发展趋势
在嵌入式系统硬件平台的设计上，可以选择运算速度更快、功能更强大，特别是选用带有DSP 协处理器的微处理器，这样可以进一步提高系统的性能，并减少外围器件的设计，提高系统的可靠性。，图像处理中的算法还可以深入研究，提出更快更好的适应嵌入式图像处理需要的算法，甚至可以考虑将图像处理算法“软件硬件化”，即将算法用专用的硬件逻辑实现（如FPGA），这样可以更进一步地提高系统的实时性。
总结：
我国工业自动化正处在快速发展的阶段，针对工业自动化设备视觉系统的特定应用需要，要对系统的实际需求进行分析，从而按照软硬件协同设计的思想进行系统各个功能模块的划分和细化，并选择合适的嵌入式操作系统进行设计。
论文作者:王翠婷
论文发表刊物:《电力设备》2015年第11期供稿
论文发表时间:2016/4/29
标签：工业自动化论文; 系统论文; 设备论文; 图像论文; 嵌入式系统论文; 嵌入式论文; 模块论文; 《电力设备》2015年第11期供稿论文;