（光学工程专业论文）基于dsp的嵌入式激光加工测温系统.pdf

天津工业大学硕士学位论文 摘要 激光制造中熔池温度场的检测具有重要的实用价值，温度场是激光加工 中重要的技术参量，它直接影响加工质量，研究其分布情况，对于控制激光 熔池形貌，改进工艺设计，提高激光加工精度和质量，具有重要意义。本文 提出了基于d s p 图像处理方法，对激光熔池温度场进行检测。采用d s p 作 为c p u 对图像进行实时处理，处理过程脱离p c 机，简便，高效。结果表明， 采用该图像处理方法可以得到与激光加工工艺参数相关的激光熔池形貌尺 寸、激光熔池温度场二维数值分布等信息。进一步发展，可用于激光加工的 在线监控和反馈控制。 主要进行了以下几项研究工作： 1 、分析激光熔池特点，针对技术性要求，对d s p 芯片进行选择。 2 、建立了基于d s p 的激光熔池温度场数字图像处理检测方法，针对熔 池特点确定熔池图像的处理方案。 3 、以c c s 为开发平台，开发出基于d s p 的激光熔池温度场实时检测软 件。对激光加工熔池温度场进行实时数据采集，并对采集结果做温度场分析。 4 、d s p 与c c d 以及相关外设的硬件连接，利用d s p 对c c d 进行控制， 实现图像数据采集与处理同步进行，达到实时检测效果。 5 、与p c 机处理结果比较，说明基于d s p 的图像处理系统具有体积小， 集成性强的特点，其可靠性和工作稳定性明显高于基于p c 的处理系统。适 合于激光加工过程中的在线检测和实时监控。 关键词：激光技术：熔池；d s p ；温度场；检测；图像处理 天津工业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt e s t i n go ft e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rp r o c e s s i n g t e m p e r a t u r e f i e l di sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c ha f f e c t st h eq u a l i t yo fl a s e rp r o c e s s i n g i no r d e r t oc o n t r o lp r o f i l eo fl a s e rm o l t e np o o la n di m p r o v ep r o c e s sd e s i g n ，p r e c i s i o na n d q u a l i t yi nl a s e rp r o c e s s i n g ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt os t u d yt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h i sp a p e r p r e s e n t e dt h ei m a g ep r o c e s s i n gb a s e do nd s e rw a su s e dt om e a s u r et h e t e m p e r a t u r ef i e l do fl a s e rm o l t e np 0 0 1 an e wm e t h o do fi m a g ep r o c e s s i n gw a s d e v e l o p e dw i t hd s pa st h ec p u ，w i t h o u tp c i tc o u l dm a k et h es y s t e mb e c o m e s i m p l ea n de f f i c i e n t i tw a ss h o w nt h a ts o m eo fi m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni n c l u d e d2 d m o r p h o l o g ya n ds i z e ，n u m e r i c a lv a l u ed i s t r i b u t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np 0 0 1 i nt h ef u t u r e ，i tw i l lb em u c hm o r ea v a i l a b l eo n o n l i n em e a s u r e m e n ta n df e e d b a c kc o n t r o li nl a s e rp r o c e s s i n g t h em a i n l yw o r ki n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rm o l t e np o o l ，d s pc h i pw a sc o n t r o l l e dt o m e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t 2 t h em e t h o do fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e r m o l t e np o o lw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fl a s e rm o l t e np o o l ，t h e m e t h o do fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gw a sd e v e l o p e d 3 t h es o f t w a r eo fm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np o o lb a s e do n d s pu s e dc c sa st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m i tc o u l dr e a l t i m eg a t h e rt h ei m a g eo f t e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np o o la n da n a l y z et h er e s u l t 4 t h eh a r d w a r ec o n n e c t i o no fd s p , c c da n do t h e rp e r i p h e r a l sw a se s t a b l i s h e d i m a g eg a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n g c o u l db ec a r r i e do u ts i m u l t a n e o u s l yt h r o u g h c o n t r o l l i n gt h ec c db yd s et h es y s t e mc o u l dm e e tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n tb yt h i s m e t h o d 5 t h ec o m p a r i s o nt op c b a s e ds y s t e mp r o v e dt h a td s p b a s e di m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mh a sa d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lv o l u m e ，h i ：g h l e v e li n t e g r a t i o n t h er e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e mb a s e do nd s pw e r eb e t t e rt h a ns y s t e mb a s e do np c t h e d s p - b a s e ds y s t e mw a sm u c hm o r ea v a i l a b l eo no n l i n em e a s u r e m e n ta n df e e d b a c k c o n t r o li nl a s e rp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：l a s e rt e c h n i q u e ；m o l t e np o o l ；d s p ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；m e a s u r e m e n t ； l l t i a g ep r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得丞鎏王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 学位论文作者签名嗜缀 签字日期砷年，月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些塞堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名嗜凄 签字日期：哆年z 月弓日 导师签名： 学位论文的主要创新点 一、研究开发基于d s p 嵌入式激光加工测温系统，对激光熔池温 度场进行检测，该方法可以快速、准确、清晰的识别出目标 温度场，处理结果可以对熔池温度场作直观地分析。 二、基于数字图像处理，以d s p 为处理器，以c c s 为开发平台， 开发出激光熔池温度场实时检测软件。对激光熔池进行图像 采集和数据处理，可得到包括熔池形貌、温度分布规律和场 内温度数值计算的温度场检测结果。激光熔池温度场检测的 数字图像处理技术研究。 三、d s p 与c c d 以及相关外设的硬件连接，利用d s p 对c c d 进 行控制，实现图像数据采集与处理同步进行，达到实时检测 效果。为激光加工过程中的温度检测以及自动化控制等部分 建立理论和实际基础。 四、与基于p c 机的激光加工测温系统进行比较，说明基于d s p 的图像处理系统具有体积小，集成性强的特点，其可靠性和 工作稳定性明显高于基于p c 的处理系统。适合于激光加工过 程中的在线检测和实时监控。 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 本课题是导师天津工业大学激光所杨洗陈教授承担的国家自然科学项 目：“激光制造中高功率激光与金属粉末流相互作用机理研究 ( 6 0 4 7 8 0 0 4 ) 的组 成部分。本课题主要研究设计基于d s p 的激光熔池温度检测系统，用于激光再 制造过程中对激光熔池进行温度检测。 在国内，激光再制造技术的发展也是如火如荼。天津工业大学激光技术研究 所的杨洗陈【l 】等人首先从实验和理论的角度进行研究，提出激光再制造的概念、 理论、系统构成和成套设备，实现了理论系统设备工业应用的基本目标， 并且承担了由国家自然基金资助的激光再制造项目。自主研发了金属粉末输送系 统( 同轴粉嘴、侧向粉嘴) 、粉末流监控系统、熔池c c d 测温系统等等。并且首 先对大型零件进行激光再制造，对模具、轧辊、输油泵等装备进行修复，取得良 好效果。 激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先 进数控和计算机技术、c a d c a m 技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一 体，不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。 由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技 术【2 羽。 激光再制造技术是在激光熔覆技术基础上发展起来的。激光熔覆亦称激光涂 敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之 与基材表面薄层一起熔凝的方法。在基材表面形成与基材相互熔合且具有完全不 同成分与性能的合金覆层。基材的熔化层很薄，因而对覆层的成分影响极小。它 综合了光、机、电技术，涉及材料学、物理学、自动化技术、机械等多门学科【4 5 】。 早在上世纪9 0 年代，美国、英国、日本、德国等技术强国就对激光熔敷技 术十分重视，投入了相当可观的人力、物力、财力进行研究、开发，使激光熔敷 技术的发展明显加快。在激光熔敷理论、物理数学模型、合金材料、工艺参数、 涂层组织性能研究、设备自动化、柔性化、熔敷过程监控以及生产应用等方面取 得了重大进展。 改革开放以来，国外大批的高精尖设备引入我国，许多重大工程装备造价十 第一章绪论 分昂贵，一旦出现损坏，使生产线中断。特别是进口设备，缺少备件，临时引进 不仅价格昂贵，而且时间紧迫，不能保证及时生产，将造成重大的经济损失。因 此，开展重大装备修复，发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场 需求，而且具有重大的经济效益和社会效益。 激光再制造系统结构如图1 1 所示：激光器发出的c 0 2 激光经c n c 数控机 床z 轴( 垂直工作台) 反射镜后，进入光束成形聚焦组合镜，再进入同轴送粉 工作头，组合镜和工作头都安装在机床z 轴上，由数控系统统一控制。载气式 送粉器将粉末输送到分粉器，均匀地把粉末送入同轴送粉工作头。待修复零件位 于数控工作台x y 平面上，根据数控指令，工作台、组合镜和送粉头按给定的 c a d c a m 软件程序运动，同时激光和粉末加入，激光同轴送粉工作头像“金属 笔”一样，逐层熔覆。在检测和控制系统作用下，使零件恢复原始尺寸。 图1 1 激光再制造系统构成 激光制造中，激光熔池内存在着强烈的能量、动量和质量传输物理过程，从 而产生传热、对流和传质等物理现象。激光熔池温度场的强度与温度分布强烈影 响能量、动量和质量传输等物理过程，它直接影响激光制造的冶金性能和外在质 量6 1 。从理论和试验上开展激光熔池温度场研究对激光再制造技术的发展和应用 具有直接指导作用。 2 第一章绪论 1 2 温度场测量方法及研究现状 温度测量与长度、质量、压力等参数的测量有所不同，它是利用某些物质的 物理性能如线膨胀率、电阻率、电势率、热噪声、热( 光) 辐射等与温度的关系， 做成各式各样的感温器件韫度传感器的，并通过它们随温度的变化量间接获 得温度值【7 。图1 2 给出了常用温度测量方法，常用测温一般分为接触式测量 法和非接触测量法两大类，下面将分别加以介绍。 一声黻， - 觯法h 。 q 4 频率浚 i 辛谨线反转滋 | _ 暇收发光法l 5 单色洼 、i 一 ”n l 双色浃 i 饕接魅铡灏法卜 1辐射光罱；卜 一辎射强度法卜 红外吸收c r 跤 l 多色法 i 光攀法浮一 峙 图像法 吒。揪 d i 垒意法 | 莲热电偶温度诗1 i i 储旷”吨蒺； l 热电阻溢度诗习 童激“艏卜 一、璜利敝射光谱浚 i 援艘嚣温法卜 ll 够胀式瀑度诗叠 吨赦射光落洼l i 喇曼敖射光灞泼i 诱导荧光光港浃i - 童压力袭溢度诗l 叶穰干l i i s t o k 骼兜谱洼1 图1 - 2 温度测量方法分类 1 热电偶测温法：这种方法是最常用的接触式测温法，热电偶是利用两种 不同导体组成闭合回路，当两端接点的温度不同时产生热电势的原理制成的，如 镍铬镍硅、铂铑铂、钨铼钨等热电偶，均可以用于高温测量。热电偶测温有较 高的准确度和重复性，装置简单，易于操作及维护，广泛应用于工业燃烧的生产 和科研中。 2 膨胀式温度计：它是利用物体受热后体积发生膨胀的原理制成，一般的 水银或酒精温度计、双金属温度计及气体温度计等都是属于这一类。 3 电阻温度计：它是利用导体的电阻随温度变化而变化的原理制成，如铜、 镍及铂电阻温度计、半导体温度计等，高温铂电阻及高温半导体能够用于高温测 量。 4 压力表温度计：它是根据在密闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱 和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理制作的，并用压力表来测量这种变 第一章绪论 化，从而测得温度。 1 3 非接触式测温法 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参 数，求解温度，如声学法测温；另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学法 来测量温度场。与接触式相比非接触式测温方法不会破坏被测介质的温度场和流 场，其测量上限不受材料性质的影响，且感温元件传热惯性小，因此可用于工业 炉、焊接、火箭发动机等高温场合。又因非接触式测温法通常需要开设光学窗口， 局部污染造成窗口透过率的不均匀性减弱增加了温度测量的困难。下面简单介绍 几种非接触式方法【9 0 0 】： 1 声学法：利用声波在气体介质中传播的速度或频率与温度的关系求解温 度值。声学高温计在锅炉断面温度测量和炉膛结渣等故障诊断方面已有一些应用 实例。 2 激光光学测温法：以激光喇曼散射测温法运用最为广泛。频率连续可调 的激光器出现后，该方法进行了改进，大大提高了测量精度，在燃烧介质温度及 气体组分浓度的测量中得到了广泛应用。 3 基于辐射的光学测温法：根据物体某波段内所发射的能量与温度间的对 应关系进行测温。目前已开发了亮度法、单色法、双色法( 比色法) 和多色法等 测温方法。下面简单介绍亮度法和比色测温法。 a 亮度测温法：根据物体光谱辐射亮度随温度升高而增加的原理，采用亮 度平衡的方法进行测温。此方法灵敏度高，但物体辐射率不易测定，测量结果易 受中间传输介质和环境的影响。 b 比色测温法：根据热辐射体在两个波长上的光谱辐射强度之比与温度之 间的函数关系来测量温度的方法。 激光加工过程中的熔池温度是一个很重要的参数，直接影响到加工产品的质 量。为了能更好地控制加工过程，实时测量熔池温度是非常必要的，但是目前国 内外对激光加工熔池温度场的在线检测研究还很少。激光熔池属于高温熔体，现 有的熔体测温最常用的测量元件是热电偶，但使用热电偶测量时必须将保护套管 插入高温熔体中，既要承受高温熔体的热冲击，又要受到介质的物理化学蚀损。 目前国内外广泛使用的是消耗式快速微型热电偶，这种热电偶基本上能满足生产 工艺的要求，但是要消耗大量的贵金属铂、锗，成本较高。而使用热电偶接触法 测量熔池温度，由于熔池温度高、反应剧烈，所以难度较大。 与接触法测温相比，非接触法测温具有充分的灵活性。现在应用较多的辐射 4 第一章绪论 温度计是根据物体的辐射强度与温度的函数关系来标定温度值的，但由于物体辐 射强度受辐射系数影响，必须根据辐射系数来修正测量值才能接近真实温度，这 种修正不仅在技术上存在很多困难，在测量现场也只能根据经验判断，修正中难 免引入人为误差。 为了提高灵敏度，目前常用的辐射测温仪的工作波长均在红外区。由于背景 环境的影响产生的干扰很大，所以随着计算机技术的迅猛发展，部分国内外学者 将数字图像处理技术应用到温度检测中，这是高温物体温度场检测的一个新趋 势。 目前较为成熟的非接触测温产品有美国i s tq u a d t e k 公司生产的s p y r o m e t e r 高温工业电视系统，这是一种综合了两种技术( 视频摄像机和双色式红外辐射测 温计) 的非接触法测温系统，可以在控制室的监视器上实时观察炉内火焰，并可 以测量炉膛内人工选定的任一点的实时温度，即用一种设备同时完成了对炉内状 况的观察和多点的温度测量。同类型的成熟的高温热辐射测温设备还有 m i k r o n 公司的系列红外谱测温产品，已被广泛应用于水泥、玻璃、冶金等行 业中。但直接将监控用可见光型c c d 用于测量高温的技术，目前还只是处在实 验研究阶段。在国内北京有色金属研究总院，叶滨根据高温非接触式测温理论， 选用具有高抗干扰性能的红外比值测温方法，解决了铜冶炼熔体测温中普通存在 的烟尘、杂光等干扰问题。采用单片机进行数据处理，并配备自动测温控制开关 及传感器的保护冷却装置，实现了熔体温度的在线检测，具有广阔的应用前景。 1 4 数字图像处理的概念、方法及特点 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) ：2 7 称为计算机图像处理，它是指将图 像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理作为一 门学科大约形成于2 0 世纪6 0 年代初期。 早期的图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉 效果为目的。图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像， 常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。图像处理技术在许多应 用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，属于这些领域的有航空航天、 生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，使 图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科【l 卜1 3 】。 。数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： 1 ) 图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量 很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散 5 第一章绪论 余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算 量，而且可获得更有效的处理( 如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理) 。 目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处 理中也有着广泛而有效的应用。 2 ) 图像编码压缩：图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量( 即比特数) ， 以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的 前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法， 它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。 3 ) 图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去 除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所 感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如 强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的 了解，一般讲应根据降质过程建立“降质模型，再采用某种滤波方法，恢复或 重建原来的图像。 4 ) 图像分割：图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将 图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等， 这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、 区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像 分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。 5 _ ) 图像描述：图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值 图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描 述，它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特 征描述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提 出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 6 ) 图像分类( 识别) ：图像分类( 识别) 属于模式识别的范畴，其主要内容 是图像经过某些预处理( 增强、复原、压缩) 后，进行图像分割和特征提取，从 而进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法 ( 结构) 模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类 在图像识别中也越来越受到重视。 图像处理的基本特点【1 4 0 5 】： ( 1 ) 目前，数字图像处理的信息大多是二维信息，处理信息量很大。如一幅 2 5 6 x 2 5 6 低分辨率黑白图像，要求约6 4 k b i t 的数据量；对高分辨率彩色5 1 2 5 1 2 图像，则要求7 6 8 k b i t 数据量；如果要处理3 0 帧秒的电视图像序列，则每秒要 求5 0 0 k b i t - - 一2 2 5 m b i t 数据量。因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。 6 第一章绪论 ( 2 ) 数字图像处理占用的频带较宽。与语言信息相比，占用的频带要大几个 数量级。如电视图像的带宽约5 6 m h z ，而语音带宽仅为4 k h z 左右。所以在成 像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本亦高， 这就对频带压缩技术提出了更高的要求。 ( 3 ) 数字图像中各个像素是不独立的，其相关性大。在图像画面上，经常有 很多像素有相同或接近的灰度。就电视画面而言，同一行中相邻两个像素或相邻 两行间的像素，其相关系数可达0 9 以上，而相邻两帧之间的相关性比帧内相关 性还要大些。因此，图像处理中信息压缩的潜力很大。 ( 4 ) 由于图像是三维景物的二维投影，一幅图象本身不具备复现三维景物的 全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不 出来的。因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量，例如 双目图像或多视点图像。在理解三维景物时需要知识导引，这也是人工智能中正 在致力解决的知识工程问题。 ( 5 ) 数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的因素影响 较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪爱好以及知 识状况影响很大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究。另一方面，计 算机视觉是模仿人的视觉，人的感知机理必然影响着计算机视觉的研究。例如， 什么是感知的初始基元，基元是如何组成的，局部与全局感知的关系，优先敏感 的结构、属性和时间特征等，这些都是心理学和神经心理学正在着力研究的课题。 1 5 图像的数字化 考虑到测温用的视频信息应是不失真的亮度信号和不失真的色度信号，所以 选择的c c d 摄像器件要能直接输出r 、g 、b 模拟量信号。 输出的r ，g ，b 模拟量信经过d s p 的a d 转换后存入d s p 内存指定区域。 以供后续处理。 所以，当利用计算机或d s p 对由图像采集卡数字化处理后的热辐射图像进 行进一步处理时，实际上就是对r 、g 、b 位图进行处理。 1 6 实现图像处理的主要方式 ( 1 ) 在通用计算机上用软件实现图像处理；( 2 ) 在通用计算机系统中加入专用 的加速处理模块； ( 3 ) 利用通用单片机：( 4 ) 利用专用d s p 芯片；( 5 ) 利用通用 可编程d s p 芯片【1 6 1 。 7 第一章绪论 在众多图像处理方式中，最常用的是第1 种，但此种方式要占用c p u 几乎 全部的处理能力，速度相对较慢，不适于实时处理，需要对其加以改进；而其他 几种方式各有不足，如第2 种方式不适于嵌入式应用，专业性较强，应用受到限 制；第3 种方式适于数字控制等不太复杂的数字信号处理，不适合计算较大的图 像数据处理；第4 种方式因为采用的是专用d s p 芯片，故其应用范围受限，系 统不够灵活，无法进行算法的升级与更新；第5 种方式必须要用能充分考虑d s p 内部并行性的汇编语言进行编制d s p 程序，具有一定困难。但是，t i 公司为了 解决这个问题，推出了一个开放、具有强大集成能力的开发环境( c c s ) 。它采用 了由先进的开发工具组成的直观系统，使用c c s 提供的工具，开发者可以非常 方便地对d s p 软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析，可有效 减少d s p 编程时间。综上所述，利用通用可编程d s p 芯片实现图像处理较之其 他方式具有一定的优越性，而且d s p 芯片的可编程性和强大的处理能力，使其 可用于快速地实现各种数字信号处理算法，成为目前图像处理系统最佳选择【1 7 j 。 1 7d s p 芯片 数字信号处理器( d s p ) 是一类具有专门为数字信号处理任务而优化设计的体 系结构和指令系统的通用处理器件，具有处理速度快和有复合功能的单周期指令 等特点，在高速图像处理中得到了越来越多的应用【1 7 】。 d s p 芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘 法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可用来快速地实现各种数 字信号处理算法，加之集成电路的优化设计，使其处理速度比最快的c p u 还快 1 0 5 0 倍。d s p 芯片采用不同于普通单片机的体系结构，具有一些显著特点 1 8 - 2 3 1 。 1 7 1 哈佛结构 传统计算机采用传统的冯诺伊曼( y o nn e u m a n n ) 结构，其程序和数据共用一 个存储空间和单一的地址及数据总线，处理器要执行任何指令时，都要先从储存 器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十 个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。所有的d s p 芯片均采 用哈佛( h a r v a r d ) 结构。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和 数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存 储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的4 套总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的 第一章绪论 程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字( 来自程序存储器) 和操作数( 来自数据存储器) ，从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1 倍。 又由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。 1 7 2 流水线技术 与哈佛结构相似，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强 了处理器的处理能力。流水线处理器是由一系列处理电路组成，这些处理电路称 为片断或部分。操作数流经每个片断，即每个片断对操作数进行部分处理，操作 数经过所有片断后才能得到最后结果。流水线操作即把一条指令分成一系列步骤 来完成，不同步骤完成不同的任务，一条指令只有经过所有步骤才能得到结果。 这些步骤可以独立进行，这样就可以实现多条指令在不同步骤上的重复运行，从 而加快运行速度。流水线分为指令流水线和算术流水线。指令流水线是指取指令 和执行指令的不同阶段在流水线上进行；算术流水线是指算术操作的不同阶段在 流水线上进行。d s p 芯片一般采用指令流水线方法。由于采用了流水线技术， d s p 芯片可以单周期完成乘法累加运算，大幅提高了运算速度，减少了指令执行 的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理2 - - 4 条指令，每条 指令处于流水线的不同阶段。 1 7 3 特殊的硬件结构 数字信号处理中最重要的基本运算是乘法和累加运算，它们占用了大量运 算时间，是最主要和最耗时的运算。d s p 中设置了硬件乘法器和乘法并累加 ( m a c ) ，这些操作往往可以在单周期内完成，大幅提高了d s p 作乘法和累加的 速度。因此，单周期的硬件乘法器和m a c 是d s p 芯片实现快速运算的保证。 现代高性能的d s p 芯片甚至具有两个以上的硬件乘法器以提高运算速度。数据 宽度也从1 6 位增加到3 2 位。数学运算消耗的时间往往少于存储器的操作。d s p 芯片在片内集成了大容量的r o m 和r a m 来分别存放程序和数据，程序在片内 执行的效率远远高于相同规格的通用微处理器，这样既降低了产品的体积和成 本，又加快了处理速度。 1 7 4 特殊的寻址方式 在数字信号处理中要遇到大量的地址运算，在某些情况下，地址运算量甚至 超过了数据的运算量。d s p 中设计有一个特殊的硬件算术单元地址产生器。 9 第一章绪论 地址计算由这个专门的硬件来负责，不需要耗费额外的时间。现在的某些微处理 器中也有独立的地址产生单元，对于一些特殊的地址运算不需要耗费额外的c p u 时间，但是d s p 的地址运算单元更强大，支持如比特翻转寻址和循环寻址，可 极大加快运算速度，而对于非哈佛结构的处理器可能需要更多的处理周期。 1 7 5 并行处理结构 图像处理中的运算量巨大，单个处理器无法满足实时处理的需求，需要多处 理器并行处理。d s p 内部一般都集成多个处理单元，如硬件乘法器( m u l ) 、累加 器( a c c ) 、算术逻辑单元( a l u ) 、辅助算术单元( a r a u ) p 以及d m a 控制器等。它 们都可以并行地在同一个周期内执行不同的任务，例如辅助算术单元能为下一次 的运算做好准备，适于完成连续的乘加运算。芯片内部还包括其他总线，如d m a 总线等，可实现数据的后台传输而几乎不影响主c p u 的性能。为了提高并行处 理能力，现代d s p 芯片通常采用单指令多数据流结构( s i m d ) 、超长指令字结构 ( v l i w ) 、超标星体系结构、多d s p 核体系结构和d s p m c u 混合结构，这些 并行处理机制显著提高了d s p 芯片的性能。 综上所述，d s p 强大的运算功能，使其适用于图像处理系统，符合激光熔池 的温度场检测系统的要求。因而，选择d s p 作为开发系统的核心。 1 8 课题的目的及意义 研究设计基于d s p 的嵌入式激光加工测温系统，对激光加工过程中激光光 束，同轴送粉激光熔覆过程中的粉末流以及熔池的温度场进行实时图像采集和对 所采集图像进行伪彩色灰度图处理，达到监控效果。 课题完成的基于d s p 的嵌入式激光加工测温系统，可用于对激光加工以及 传统加工过程中的温度场进行实时检测。对加工过程中的监控环节有广泛的应用 前景。 在激光加工领域，至今国内未使用基于d s p 的嵌入式测温系统进行温度场 检测。因而对新的测温系统的研究必然具有一定的理论意义和实际意义。 1 0 第二章基于d s p 的温度场数字图像检测技术原理 第二章基于d s p 的温度场数字图像检测技术原理 2 1 检测原理 2 1 1 物体热能辐射 眦2 布 蛾山 式中：m ( 2 ，丁) 为波长为名，温度为t 盼光谱辐射出射度；( 九，t ) 为发射率； 第二章基于d s p 的温度场数字图像检测技术原理 对于灰体，黑体辐射定律是适用的，但要考虑发射率的影响，即对灰体而 言普朗克定律为： m q ，丁) = s 以，丁) 南 彳lp 刀一1i 公式( 2 2 ) 在温度小于2 0 0 0k 、九d a z 眦c y 嶝 l o a d r e g - d a d 枷 l r c s 1 串并变 d 7 - d 0叫 d a d j 气t hk s d i 1 ) a c t l 图3 6d s p 和数模转换器连接示意图 其中d a d a t l 、d a d a t h 和d a c t l 是d s p 可以访问的寄存器，分别命名 为d a d a t l r 、d a d a t h r 和d a c t l r ，它们负责启动数模转换并提供要转换 的数字量。下面对这些寄存器的具体使用方法逐一说明。 1 d a c t l r 寄存器：地址0 x 4 0 0 8 0 2 这个寄存器的所有数据位都无效，既不可写也不可读。对这个寄存器执行读 或写操作都会产生一个内部信号，这个信号将通知串并变换模块启动、工作，把 d a d a t l r 和d a d a t h 寄存器里的值送到数模转换器上，并且启动数模转换器 工作。对于这个寄存器的任何位进行写操作都不能够读到返回值。同时，读这个 寄存器的内容也不固定。 2 d a d a t l r 寄存器：地址0 x 4 0 0 8 0 0 76543210 i 玉 w - 0p - j w - 0r ，w 二or ；w - 0r w - 0r w - 0r ，w 二0r ，1 口v 狮 图例：r ：读允许，wz 写允许，r v y ：读写允许。一o ：复位值，- x 没有固定值 位名称说明 这个寄存器保存婴进行数摸转换的数据的低8 位。i 占摸的值与d a d a t h r 寄存器巾的 瑚d t - d 0 蓑蓑萎煮嬲盏冀蒿警置嚣嚣蒜塞萎妾黧恶卷群喜善豁差等 以回读，回读的缓是最后一次写进这个寄存器中的傻。 3 d a d 彻寄存器：地址0 x 4 0 0 8 0 1 2 9 第三章基于d s p 的激光加工测温系统硬件的选择 765 4 32l0 c h n 赇m l c h nn u m 0 i 保觏 l d i id i o d 9 d 8 r ，w0r 删二0r w - 0i 褂 w - 0r w - 0r r w - 0 图例：r 读允许，w ：写允许，矾r ：读写允许，- o # 复位值。- x 没有固定值 位名称说明 这个部分搿存嚣保存爨进 7 数陵转换的数剥的离4 位，这里的筑与d a d a t l r 寄 3 一od u d b 喜凳嘉然悉篓蒜誉管拦燃磕主嚣嚣端嚣饕熬备至，鑫 个钌存嚣的值可以刚读，嘲陵的隹c 匙最后一次1 ；i 蕴这个寄存器巾的值。 5 4 缳窝保留 这个部分指定进罩亍数模转换的通道哮。通道号如下： c h nn u m ic h nn e 默2 通逆垮 00第1 通道 0l第2 通迸 10薷3 通道 11第4 通道 上面是这些寄存器的说明，在编程中，当数据锁存到d a d a t l r 和 d a d a t h r 寄存器时，并没有启动数据转换，只有在对d a c t l 寄存器操作之后， 数模转换才得以实现，同时，数据直接转换，送到模拟通道上。如果希望得到上 一次的转换通道和数据，可以通过读d a d a t l r 和d a d a t h r 寄存器来得到。 3 9t v p 5 1 5 0 e 板使用说明 3 9 1t v p 5 1 5 0 芯片简介 t v p 515 0 a 是一款由美国德克萨斯仪器公司( t o 开发生产的低功耗视频解码 芯片，它可以将输入的n t s c ，p a l ，和s e c a m 视频信号转换成8 位i t u r b t 6 5 6 格式的数字码流，同时还能输出分离的视频同步信号。t v p 5 1 5 0 a 芯片采用3 2 芯t q f p 封装，标准工作状态下功耗为1 15 m w ，待机状态功耗低于l m w ，它采 用1 8 v 供电，i o 采用3 3 v 。可以采用1 2c 总线进行配置编程。 t v p 5 1 5 0 a 解码芯片提供的主要功能： 超强的同步检测 - 带模拟处理功能的a d 转换器 亮度和彩色信号分别采用4 行的梳状滤波器处理 色度处理 一亮度处理 视频时序处理和低功耗模式 多种输出格式控制。 1 2c 总线接口 v b i 数据处理 复合视频和s 端子输入 3 0 第三章基于d s p 的激光加工测温系统硬件的选择 t v p 51 5 0 a 解码芯片可以通过1 2 c 总线进行配置和控制，它使用一套内部的 寄存器设置运行参数。 3 9 2i c e t e k t v p 515 0 板 1 、原理框图 2 、i c e t e k t v p 51 5 0 e 板系统组成 ( 1 ) 视频解码芯片：t v p 5 1 5 0 完成对模拟视频信号的解码，形成8 位i t u rb t 6 5 6 格式的数字码流，供 后续模块使用。 ( 2 ) 逻辑控制芯片：x c 9 5 1 4 4 完成对b t 6 5 6 格式的数字码流解码，并顺序存储到存储区。包括提取码流 3 l 第三章基于d s p 的激光加工测温系统硬件的选择 中的同步信号、行起始和结束信号、取出亮度( y ) 信息、去除色度信息等。产生 必要的逻辑控制和时序，将解码得到的亮度数据发送到存储区存储。 实现1 2 c 总线接口。 在d s p 需要读取状态和图象数据时，产生必要的逻辑控制和时序，将数据 从存储区读取并发送给d s p 。 在d s p 写i c e t e k t v 515 0 e 板的状态寄存器时，将状态信息存储到相应控 制寄存器。根据控制寄存器中参数，控制工作状态。 ( 3 ) 图象存储芯片：a l 4 2 2 b 负责存储解码b t 6 5 6 码流得到的图象亮度数据，容量为3 9 3 2 1 6 字节 ( 3 8 4 k b ) ，可以存放标准视频1 场的亮度信息。工作方式为f i f o ( 先入先出) 方式。 最大读写速率可达5 0 m b s 。 3 i c e t e k t v p 5 1 5 0 e 板的功能 i c e t e k t v p 515 0 e 板实现实时采集输入的模拟视频信号( p a l 制或n t s c 制) ，并存储到缓冲区，供d s p 读取。它提供一种静态图象采集解决方案。通过 d s p 总线对板上控制寄存器控制位的操作，实现系统的读写指针的复位、开始和 结束采集等功能。d s p 通过总线可以多次连续读取f i f o 中的图象数据。 5 i c e t e k t v p 5 1 5 0 e 板的接口定义 】2b l2 ，4 s磊 7霪 擘l o l l 愆 1 3 熏4 l 耋鑫 1 71 8 1 92 0 2 l 怒 2 32 4 2 52 6 2 72 8 2 垒鳓 3 l 簸 黯3 碡 v c c + s v、v c c - 嘲 l2 岱x 鼍 34 56 v 强啜=7 、鬟d 7霪 r e a d y 一 9l 舔 s t r b 薹ll 囊 鬟_ s e t ：、， 1 31 4 1 51 6 - 蚤1 1 r l g n d “ = l 1 8 g n d i n t 2