機器視覺在自動化測量系統(tǒng)的控制器選擇 - 全文

機器視覺在自動化測量系統(tǒng)中的應用日益普及。其原因是越來越多的信息需要從相機中提取，而不是從一個專用傳感器中提取。相機可以用于提取溫度信息、測量尺寸，并檢查對象存在與否，同時也提供了許多其它有用的信息。這使其廣泛應用于質量檢測、機械控制和機器人引導等應用中，所有這些應用在選擇控制硬件和軟件時都有獨特的需求和挑戰(zhàn)。本文概述了其中一些考量因素來幫助您選擇最適合您機器視覺系統(tǒng)的控制器。
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1. 什么是視覺系統(tǒng)？

視覺系統(tǒng)由一個或多個用于圖像采集的相機以及一個用于運行采集和分析軟件的控制器組成。這些系統(tǒng)可以有多種組成結構，但最常見的是智能相機，在智能相機中，相機和控制器集成到一個裝置中，相機通過幀接收器或以太網(wǎng)、USB等其他連接端口連接到臺式計算機或工業(yè)PC，甚至相機可直接連接到可編程邏輯控制器(PLC)等工業(yè)控制設備，由控制器管理圖像采集以及片I/O和測量設備。

您可以使用這些系統(tǒng)來解決類似的應用，但每個系統(tǒng)的功能各不相同，使之更適合于某些使用場景。選擇最適合您應用的控制器時，需要考慮您的需求并將這些需求匹配到最適合任務需求的控制器。雖然最明顯的考量因素是控制器的處理能力，但其他因素也對控制器的選擇影響甚大，比如所支持的相機、I/O功能和與現(xiàn)有基礎設施集成的能力。

2. 處理能力

強大的處理能力可以直接影響可運行的算法以及視覺系統(tǒng)做出決策的速度。單相機條碼檢測系統(tǒng)所需的處理能力顯然比多相機立體視覺系統(tǒng)要低得多。此外，I/O或閉環(huán)運動控制等機器視覺系統(tǒng)需要更高的處理能力來確保視覺組件以及I/O和運動控制組件可以穩(wěn)定地運行。為了減少圖像處理時間，一些廠商現(xiàn)在使用同構處理來運行視覺算法。同構處理方法使用CPU和GPU、FPGA或DSP的組合來處理圖像，速度比單獨使用其中某個組件要快得多。同構處理減少了圖像處理所需的時間，甚至可以允許圖像用作為閉環(huán)控制算法的輸入。在選擇視覺系統(tǒng)所需的控制器之前，充分理解要使用的算法以及系統(tǒng)運行這些算法所需的時間是很重要的。

3. 支持的相機

圖像采集所使用的相機數(shù)量和通信總線類型也會影響控制器的選擇。在您選擇了應用所需的相機后，請確保控制器能夠支持相機所使用的通信總線。機器視覺應用中兩個常用的工業(yè)標準總線是USB3 Vision和GigE Visio。這些標準可允許控制器使用標準USB 3.0或以太網(wǎng)端口來連接相機，這兩種端口常見于消費和工業(yè)計算機上。兩種標準可以通過集線器或交換機來將多臺相機連接至一個端口。這是在系統(tǒng)中添加更多相機的一種可行方法，但請記住，連接到集線器的每個相機都會與同一個集線器的其他相機共享帶寬。此外，大多數(shù)消費級交換機并不支持以太網(wǎng)供電(PoE) 等特定功能。如果您打算使用這些功能，或者您的系統(tǒng)沒有足夠的帶寬來讓多個相機共享，則可能要選擇一個具有多個獨立控制端口的控制器，使得每個相機都能夠獲得完整的帶寬。

4. I/O功能

大多數(shù)機器視覺系統(tǒng)需要一些基本的數(shù)字I/O來觸發(fā)相機或讀取編碼器。一個例子是視覺系統(tǒng)使用安裝在傳送帶上方的相機來檢測所傳送的零件。這其中的難點在于如何讓相機在零件移動到相機正下方時拍攝圖像，除非系統(tǒng)可以跟蹤輸送帶的位置。這個問題的一種常見解決方法是使用編碼器來讀取傳送帶的位置并以與傳送機上放置零件的時間間隔來觸發(fā)相機。如果零件在傳送機上的間隔不均勻，則可使用接近式傳感器來觸發(fā)相機。

有些機器視覺系統(tǒng)可能需要更高級的I/O功能。在一些材料分析應用中，通常需要將圖像與測量數(shù)據(jù)同步，以便圖像中的事件可以與測量數(shù)據(jù)相關聯(lián)。設想一個使用相機和應變計來測量施加外力時復合材料的彎曲程度和負載的應用。這些同步的數(shù)據(jù)可以用來了解材料在外力作用下的行為，甚至可以測量出材料的斷裂點。這種級別的同步需要圖像采集和I/O之間能夠緊密集成，使得測量數(shù)據(jù)可以精確地進行時間標記或者相機和測量設備之間能夠共享同一個時鐘。選擇控制器之前需要了解您的I/O和同步需求。對于觸發(fā)或非同步測量等基本I/O需求，可以選擇具有集成式或網(wǎng)絡分布式I/O的控制器。對于更復雜的I/O需求，可選擇具有集成式I/O或通過EtherCAT等確定性通信協(xié)議連接I/O設備的控制器。

5. 系統(tǒng)集成

理想情況下，我們希望來自不同廠商的硬件和軟件能夠奇跡般地自動相互支持，以允許數(shù)據(jù)完美共享，但事實并非如此。通常情況下，機器視覺系統(tǒng)必須被添加到現(xiàn)有基礎設施，而這些基礎設施包含了來自不同廠商的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)使用專用的接口。這種集成極具挑戰(zhàn)性，但值得慶幸的是，以太網(wǎng)/IP和Modbus等標準通訊協(xié)議的出現(xiàn)使得這個過程變得更為容易。確保您充分了解現(xiàn)有的基礎設施，并選擇一個可以與其集成的視覺控制器。同時所選的控制器應可支持各種工業(yè)通信協(xié)議，以確保最佳的集成效果。

6. 產(chǎn)品比較

CVS、CompactRIO和NI工業(yè)控制器均是NI針對視覺系統(tǒng)提供的產(chǎn)品。正如前面所說的，處理能力和相機的數(shù)量會直接影響機器視覺系統(tǒng)的整體性能。為了理解這些產(chǎn)品之間的差異，可以看一下它們用作為取放機器的控制器時的性能，取放機器需要使用一個或多個相機來識別要拾取的零件。機器的整體性能通過每秒可識別的零件數(shù)量來衡量。

下圖顯示理論上該機器所能達到的性能。該圖表顯示了一個桌面級處理器分別采用主動冷卻系統(tǒng)和被動冷卻系統(tǒng)時可實現(xiàn)的性能。

機器視覺在自動化測量系統(tǒng)的控制器選擇

可以看到，NI工業(yè)控制器提供的性能接近于采用被動冷卻封裝的桌面級處理器可達到的性能。豐富的相機連接端口選項以及高性能處理器使其成為圖表上所有產(chǎn)品中最強大的控制器，但這些都并不是唯一要考慮的特性。

現(xiàn)在，看一下下表中這些產(chǎn)品的集成I/O、存儲器和特定視覺功能，比如PoE。

機器視覺在自動化測量系統(tǒng)的控制器選擇

1高性能CompactRIO控制器還可支持USB3 Vision相機，可向后兼容USB 2.0。

2盡管Compact視覺系統(tǒng)和工業(yè)控制器不具有用于C系列I/O的集成插槽，但是它們也可用于以太網(wǎng)或EtherCAT擴展機箱。

3Compact視覺系統(tǒng)提供了有限的FPGA圖像處理支持，但由于FPGA的尺寸小，協(xié)處理帶寬有限，因而只能小幅提升性能。

每個應用需求都決定著哪個控制器最適合您的應用。下面提供了每個產(chǎn)品的詳細概述。

7. Compact視覺系統(tǒng)

CVS是一款經(jīng)視覺優(yōu)化的工業(yè)計算機，提供兩個獨立控制的GigE或USB3.0端口來連接相機。 CVS擁有一個強大的四核處理器，提供了高需求應用所需的性能，同時也具有一個用于連接人機界面的內(nèi)置VGA端口和用于連接鼠標和鍵盤的USB2.0端口。 CVS還包括基于FPGA的數(shù)字I/O，可用于讀取編碼器和實現(xiàn)自定義觸發(fā)。雖然CVS缺少用于C系列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網(wǎng)或EtherCAT擴展機箱來將C系列I/O添加到系統(tǒng)中。

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)給其他設備，比如可編程邏輯控制器(PLC)與操作界面。 CVS還具有一個用于網(wǎng)絡連接的專用千兆位以太網(wǎng)端口以及兩個用于連接外部數(shù)據(jù)存儲器的高速USB端口。通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)計過程控制。

8. CompactRIO

CompactRIO適用于需要強大處理能力以及模塊化I/O來實現(xiàn)自動化、測量和控制任務的應用。最新的高性能CompactRIO型號搭載與CVS相同的四核Intel Atom處理器，并提供了與GigE Vision相機和USB3 Vision相機的連接端口，可向后兼容USB 2.0。

此外，CompactRIO提供了可支持數(shù)百個C系列I/O模塊的8個插槽，使您可以通過任何總線連接任何傳感器。CompactRIO還具有內(nèi)置的用戶可編程FPGA，可更快速處理圖像。這意味著CPU和FPGA可以相互配合來共同處理圖像，減少處理時間。 CompactRIO可以通過內(nèi)置的RS232/RS485端口或工業(yè)通信C系列模塊輕松地與PLC和操作界面集成。 CompactRIO還具有一個用于網(wǎng)絡連接的專用千兆位以太網(wǎng)端口以及兩個用于連接外部數(shù)據(jù)存儲器的高速USB端口。通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)計過程控制。

9. 工業(yè)控制器

與CVS相似，NI工業(yè)控制器也是經(jīng)過視覺優(yōu)化的工業(yè)計算機。該控制器具有四個獨立控制的千兆以太網(wǎng)端口、兩個USB 3.0端口、一個Intel i7處理器以及一個Xilinx Kintex-7 FPGA，這使其成為NI為視覺應用提供的最強大的嵌入式控制器。雖然NI工業(yè)控制器缺少用于C系列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網(wǎng)或EtherCAT擴展機箱來將I/O添加到系統(tǒng)中。工業(yè)控制器的大型FPGA和強大的處理器相結合，可更快速地處理圖像，從而降低延遲。

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)給其他設備，比如PLC與操作界面。工業(yè)控制器還具有一個用于網(wǎng)絡連接的專用千兆位以太網(wǎng)端口以及四個用于連接外部數(shù)據(jù)存儲器的USB 2.0端口。通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)計過程控制。 NI工業(yè)控制器適用于需要高速處理的高性能多相機應用。