視覺系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ) - 全文

NI視覺系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集相機(jī)和用于圖像處理和I/O操作的控制器組成。 NI提供了各種可用作為視覺系統(tǒng)控制器的產(chǎn)品。 每種產(chǎn)品都有其獨(dú)特的功能，適用于不同的應(yīng)用。 其中部分差異在于處理性能、相機(jī)連接與I/O選項(xiàng)。 本文提供了相關(guān)產(chǎn)品介紹及其如何應(yīng)用于視覺系統(tǒng)中。
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1. NI工業(yè)控制器

NI工業(yè)控制器是高性能的無風(fēng)扇控制器，提供了最高級(jí)別的處理能力和連接性，適用于極端環(huán)境的自動(dòng)化圖像處理和控制應(yīng)用。

圖1. NI工業(yè)控制器可連接GigE Vision與USB3 Vision相機(jī)。

這些控制器搭載了最新的Intel Core處理器與Xilinx Kintex-7 FPGA，可進(jìn)行FPGA圖像協(xié)處理，適合高性能的機(jī)器視覺應(yīng)用。 NI工業(yè)控制器可連接GigE Vision與USB3 Vision相機(jī)。 此外還提供了用于雙屏人機(jī)界面(HMI)的DisplayPort、工業(yè)通信端口與工業(yè)數(shù)字I/O，以便用戶使用LabVIEW FPGA模塊來進(jìn)行自定義。 NI工業(yè)控制器采用GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)，因而具有高級(jí)同步功能，例如基于以太網(wǎng)總線的確定性相機(jī)觸發(fā)以及使用簡易的API將分類/淘汰系統(tǒng)的視覺檢測結(jié)果緊密同步的隊(duì)列脈沖支持。 NI工業(yè)控制器提供了豐富的相機(jī)連接與高處理性能，可幫助您解決視覺應(yīng)用的高帶寬和低延遲需求。

2. Compact視覺系統(tǒng)

Compact視覺系統(tǒng)(CVS)是一種堅(jiān)固耐用的自動(dòng)化控制器，在小巧的外形結(jié)構(gòu)中結(jié)合了相機(jī)連接、開放式通信與基于FPGA的I/O。 CVS專門用于實(shí)時(shí)采集并處理來自多個(gè)相機(jī)的圖像，并且提供出色的靈活性、集成度與堅(jiān)固性，適合多種工業(yè)級(jí)檢測、校準(zhǔn)與OEM視覺應(yīng)用。

2. CVS可連接到多種GigE Vision與USB3 Vision相機(jī)。

CVS搭載了Intel Atom處理器，且兼容GigE Vision或USB3 Vision相機(jī)。 系統(tǒng)包含了實(shí)時(shí)顯示、工業(yè)通信端口以及可通過LabVIEW FPGA模塊進(jìn)行自定義的工業(yè)數(shù)字I/O。 與工業(yè)控制器相似，NI CVS-1457RT和NI CVS-1458RT也具有高級(jí)同步功能，例如基于以太網(wǎng)總線的確定性相機(jī)觸發(fā)以及使用簡易的API將分類/淘汰系統(tǒng)的視覺檢測結(jié)果緊密同步的隊(duì)列脈沖支持。 借助NI CVS，您就可獲得所需的靈活性、機(jī)型、性能與功能來滿足最棘手的視覺應(yīng)用需求。

3. CompactRIO

CompactRIO控制器采用了最新的Intel Atom處理器與Xilinx Kintex-7 FPGA， 提供了與GigE Vision和USB3 Vision相機(jī)的連接選項(xiàng)，且可向后兼容USB 2.0。

圖3. CompactRIO結(jié)合了USB與Gigabit以太網(wǎng)相機(jī)連接選項(xiàng)和模塊化I/O。

該處理器運(yùn)行的是確定、可靠的NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)記錄、控制和處理等應(yīng)用。 用戶可編程的FPGA使您能夠自定義開發(fā)硬件來實(shí)現(xiàn)高速控制、在線數(shù)據(jù)處理或復(fù)雜的定時(shí)和觸發(fā)。 此外，F(xiàn)PGA也能用于FPGA圖像協(xié)處理，可減少延遲與處理時(shí)間，使相機(jī)可用作為閉路控制應(yīng)用的輸入。 CompactRIO控制器也提供了多個(gè)插槽來集成數(shù)百個(gè)C系列I/O模塊，使得I/O和傳感器連接功能可輕松集成到視覺系統(tǒng)中。

4. 堅(jiān)固的組成結(jié)構(gòu)

NI工業(yè)控制器、CVS 與CompactRIO控制器采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，提供了固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)與更寬的工作溫度范圍，這不僅能降低維護(hù)需求，還可提高穩(wěn)定性，從而可滿足制造與嵌入式視覺應(yīng)用的嚴(yán)苛需求。 確定的NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)還可提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，無需像Windows系統(tǒng)那樣經(jīng)常需要IT部門進(jìn)行更新和干預(yù)。

圖4. NI工業(yè)控制器、CVS與CompactRIO控制器在小巧堅(jiān)固的封裝中提供強(qiáng)大的處理性能。

除了堅(jiān)固性之外，尺寸也是工業(yè)與嵌入視覺應(yīng)用考量的一個(gè)主要機(jī)械因素。 這些產(chǎn)品以小巧的封裝集成了所有的功能，減少了制造與嵌入式系統(tǒng)的占用空間。

5. 龐大的軟件生態(tài)系統(tǒng)

NI工業(yè)控制器、CVS與CompactRIO控制器均基于LabVIEW可重配置I/O(RIO)架構(gòu)，可通過熟悉的LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程。

圖5. LabVIEW RIO架構(gòu)結(jié)合實(shí)時(shí)處理器與FPGA來連接傳感器和I/O。

NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)可幫助開發(fā)人員利用Linux社區(qū)提供的龐大軟件生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新。 此外，NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)可支持Eclipse開發(fā)環(huán)境，使得工程師能夠重復(fù)利用現(xiàn)有的C/C++代碼或開發(fā)技能。 現(xiàn)在工程師也可以把代碼庫集成至LabVIEW Real-Time應(yīng)用程序中，甚至可以自行開發(fā)獨(dú)立的可執(zhí)行文件，直接連接LabVIEW FPGA應(yīng)用程序。 此外，工程師可根據(jù)任務(wù)需求和自身的技能選擇最合適的工具，靈活進(jìn)行開發(fā)。

6. 相機(jī)連接

這些系統(tǒng)支持各種圖像傳感器類型，包含紅外線(熱)、線掃描、彩色、面掃描與3D激光三角測量等傳感器。

圖6. CVS提供了USB 3.0與Gigabit以太網(wǎng)相機(jī)的連接選項(xiàng)。

NI工業(yè)控制器與NI CVS-1459RT均可通過兩個(gè)專用USB 3.0端口提供同時(shí)支持多個(gè)相機(jī)，專用USB 3.0端口為所有兼容USB3 Vision的相機(jī)提供了完整的USB SuperSpeed帶寬。 NI控制器、CompactRIO與NI CVS-1457RT都可通過獨(dú)立的Gigabit以太網(wǎng)端口同時(shí)支持多個(gè)兼容GigE Vision的相機(jī)。 通過這些相機(jī)連接選項(xiàng)，用戶就可以使用各種圖像傳感器類型，包含紅外線(熱)、線掃描、彩色、面掃描與3D激光三角測量等傳感器。 NI工業(yè)控制器與CompactRIO控制器采用GigE端口以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)，可通過以太網(wǎng)總線為相機(jī)供電，進(jìn)一步減少系統(tǒng)復(fù)雜度與連線需求。

搜索相機(jī)網(wǎng)絡(luò)，查看系統(tǒng)可兼容的相機(jī)。

7. 實(shí)時(shí)顯示器和HMI

通過內(nèi)置的VGA連接端口和DisplayPort，NI視覺系統(tǒng)可輸出檢測過程中的實(shí)時(shí)圖像與合格/淘汰結(jié)果。 您可以通過編程修改所有用戶可定義的圖像覆蓋，自定義創(chuàng)建用戶顯示畫面。

圖7. HMI上的自定義實(shí)時(shí)顯示界面。

此外，任何Windows 7或Windows Embedded 7觸摸計(jì)算機(jī)上的網(wǎng)頁瀏覽器都可作為操作界面來選擇檢測項(xiàng)目、更新參數(shù)或調(diào)節(jié)新零件。 NI視覺軟件提供了更多功能，可進(jìn)一步自定義CVS的HMI。

8. 工業(yè)通信與I/O

NI工業(yè)控制器與CVS都配備24個(gè)可重配置數(shù)字I/O通道：8個(gè)5-24 VDC隔離輸入通道、8個(gè)5-24 VDC隔離輸出通道、8個(gè)雙向TTL通道，以及2個(gè)可作為正交編碼輸入的雙向差分RS422通道。 這些通道具有內(nèi)置的功能來生成選通脈沖、觸發(fā)及數(shù)字通道讀寫信號(hào)。 通過這些信號(hào)，您就可靈活地控制照明或相機(jī)、同步傳送帶或是將可編程邏輯控制器(PLC)集成到NI CVS中。

NI工業(yè)控制器、CVS與CompactRIO控制器也支持Vision RIO API，使用戶可輕松配置隊(duì)列或脈沖。 因此這些控制器提供了一個(gè)可靠的硬件定時(shí)方法，以便利用外接I/O (比如輸送帶與淘汰系統(tǒng))緊密同步視覺檢測結(jié)果。

此外，系統(tǒng)還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業(yè)協(xié)議來傳送指令與數(shù)據(jù)給其他設(shè)備，比如PLC與操作界面。 通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結(jié)果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制。 這些系統(tǒng)還配備了用于網(wǎng)絡(luò)連接的專用Gigabit以太網(wǎng)端口、用戶可選的RS-232/RS-485串行端口以及兩個(gè)用于外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高速USB連接端口。

9. 基于LabVIEW FPGA的靈活I(lǐng)/O

NI工業(yè)控制器與CVS上的數(shù)字I/O通道以及CompactRIO內(nèi)的C系列模塊都可直接連接至可重配置FPGA。 如果應(yīng)用需求包含了專用定時(shí)或自定義I/O行為，則可使用LabVIEW FPGA來重新配置數(shù)字I/O通道以實(shí)現(xiàn)更多功能，比如自定義觸發(fā)、定時(shí)、PWM輸出、自定義數(shù)字協(xié)議與高速計(jì)數(shù)器等。

LabVIEW FPGA模塊將LabVIEW圖形化開發(fā)平臺(tái)擴(kuò)展至FPGA，使得用戶能夠使用其他底層軟件工具與硬件描述語言(HDL)輕松地編寫I/O接口與數(shù)據(jù)通信機(jī)制， 這樣您便可更高效和有效地在NI CVS系統(tǒng)上自定義FPGA。

10. 軟件

近20年來，NI視覺軟件提供了一個(gè)全面的成像函數(shù)庫來幫助您開發(fā)各種圖像采集與處理應(yīng)用。 您可以結(jié)合視覺開發(fā)模塊使用LabVIEW 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件或直接使用用于視覺檢測的NI視覺生成器(Vision Builder AI)來編程N(yùn)I工業(yè)控制器與CVS。 CompactRIO設(shè)備必須使用LabVIEW與視覺開發(fā)模塊進(jìn)行編程，因?yàn)榕渲肅系列I/O模塊需要額外的功能。 總之，LabVIEW視覺開發(fā)模塊與Vision Builder AI都有助于實(shí)現(xiàn)以下功能：

利用數(shù)百個(gè)圖像處理算法

根據(jù)多個(gè)檢測結(jié)果作出決策

通過可自定義的部署界面查看結(jié)果

使用I/O與工業(yè)通信協(xié)議來傳輸結(jié)果

圖8. (a) Vision Builder AI配置界面
(b) LabVIEW Project Explorer、前面板和程序框圖

LabVIEW與視覺開發(fā)模塊適用于所有NI視覺硬件產(chǎn)品。 所以您只需學(xué)習(xí)一組視覺軟件，這樣就可大幅降低維護(hù)系統(tǒng)或開發(fā)新應(yīng)用的時(shí)間并成本，并可自由地選擇適合每個(gè)應(yīng)用的硬件，比如工業(yè)控制器、CVS或CompactRIO控制器。 所有NI視覺軟件都隨附視覺采集軟件，視覺采集軟件是一組用于IEEE 1394、GigE Vision、USB3 Vision相機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，可結(jié)合其他NI視覺硬件支持各種不同的相機(jī)。

圖9. NI視覺軟件支持所有NI視覺硬件。