机器视觉在自动化测量系统的控制器选择

机器视觉在自动化测量系统中的应用日益普及。 其原因是越来越多的信息需要从相机中提取，而不是从一个专用传感器中提取。 相机可以用于提取温度信息、测量尺寸，并检查对象存在与否，同时也提供了许多其它有用的信息。 这使其广泛应用于质量检测、机械控制和机器人引导等应用中，所有这些应用在选择控制硬件和软件时都有独特的需求和挑战。 本文概述了其中一些考量因素来帮助您选择最适合您机器视觉系统的控制器。
 

1. 什么是视觉系统？

视觉系统由一个或多个用于图像采集的相机以及一个用于运行采集和分析软件的控制器组成。 这些系统可以有多种组成结构，但最常见的是智能相机，在智能相机中，相机和控制器集成到一个装置中，相机通过帧接收器或以太网、USB等其他连接端口连接到台式计算机或工业PC，甚至相机可直接连接到可编程逻辑控制器(PLC)等工业控制设备，由控制器管理图像采集以及片I/O和测量设备。

您可以使用这些系统来解决类似的应用，但每个系统的功能各不相同，使之更适合于某些使用场景。 选择最适合您应用的控制器时，需要考虑您的需求并将这些需求匹配到最适合任务需求的控制器。 虽然最明显的考量因素是控制器的处理能力，但其他因素也对控制器的选择影响甚大，比如所支持的相机、I/O功能和与现有基础设施集成的能力。

2. 处理能力

强大的处理能力可以直接影响可运行的算法以及视觉系统做出决策的速度。 单相机条码检测系统所需的处理能力显然比多相机立体视觉系统要低得多。 此外，I/O或闭环运动控制等机器视觉系统需要更高的处理能力来确保视觉组件以及I/O和运动控制组件可以稳定地运行。 为了减少图像处理时间，一些厂商现在使用同构处理来运行视觉算法。 同构处理方法使用CPU和GPU、FPGA或DSP的组合来处理图像，速度比单独使用其中某个组件要快得多。 同构处理减少了图像处理所需的时间，甚至可以允许图像用作为闭环控制算法的输入。 在选择视觉系统所需的控制器之前，充分理解要使用的算法以及系统运行这些算法所需的时间是很重要的。

3. 支持的相机

图像采集所使用的相机数量和通信总线类型也会影响控制器的选择。 在您选择了应用所需的相机后，请确保控制器能够支持相机所使用的通信总线。 机器视觉应用中两个常用的工业标准总线是USB3 Vision和GigE Visio。 这些标准可允许控制器使用标准USB 3.0或以太网端口来连接相机，这两种端口常见于消费和工业计算机上。 两种标准可以通过集线器或交换机来将多台相机连接至一个端口。 这是在系统中添加更多相机的一种可行方法，但请记住，连接到集线器的每个相机都会与同一个集线器的其他相机共享带宽。 此外，大多数消费级交换机并不支持以太网供电(PoE) 等特定功能。 如果您打算使用这些功能，或者您的系统没有足够的带宽来让多个相机共享，则可能要选择一个具有多个独立控制端口的控制器，使得每个相机都能够获得完整的带宽。

4. I/O功能

大多数机器视觉系统需要一些基本的数字I/O来触发相机或读取编码器。 一个例子是视觉系统使用安装在传送带上方的相机来检测所传送的零件。 这其中的难点在于如何让相机在零件移动到相机正下方时拍摄图像，除非系统可以跟踪输送带的位置。 这个问题的一种常见解决方法是使用编码器来读取传送带的位置并以与传送机上放置零件的时间间隔来触发相机。 如果零件在传送机上的间隔不均匀，则可使用接近式传感器来触发相机。

有些机器视觉系统可能需要更高级的I/O功能。 在一些材料分析应用中，通常需要将图像与测量数据同步，以便图像中的事件可以与测量数据相关联。 设想一个使用相机和应变计来测量施加外力时复合材料的弯曲程度和负载的应用。 这些同步的数据可以用来了解材料在外力作用下的行为，甚至可以测量出材料的断裂点。 这种级别的同步需要图像采集和I/O之间能够紧密集成，使得测量数据可以精确地进行时间标记或者相机和测量设备之间能够共享同一个时钟。 选择控制器之前需要了解您的I/O和同步需求。 对于触发或非同步测量等基本I/O需求，可以选择具有集成式或网络分布式I/O的控制器。对于更复杂的I/O需求，可选择具有集成式I/O或通过EtherCAT等确定性通信协议连接I/O设备的控制器。

5. 系统集成

理想情况下，我们希望来自不同厂商的硬件和软件能够奇迹般地自动相互支持，以允许数据完美共享，但事实并非如此。 通常情况下，机器视觉系统必须被添加到现有基础设施，而这些基础设施包含了来自不同厂商的系统，每个系统使用专用的接口。 这种集成极具挑战性，但值得庆幸的是，以太网/IP和Modbus等标准通讯协议的出现使得这个过程变得更为容易。 确保您充分了解现有的基础设施，并选择一个可以与其集成的视觉控制器。 同时所选的控制器应可支持各种工业通信协议，以确保最佳的集成效果。

6. 产品比较

CVS、CompactRIO和NI工业控制器均是NI针对视觉系统提供的产品。 正如前面所说的，处理能力和相机的数量会直接影响机器视觉系统的整体性能。 为了理解这些产品之间的差异，可以看一下它们用作为取放机器的控制器时的性能，取放机器需要使用一个或多个相机来识别要拾取的零件。 机器的整体性能通过每秒可识别的零件数量来衡量。

下图显示理论上该机器所能达到的性能。 该图表显示了一个桌面级处理器分别采用主动冷却系统和被动冷却系统时可实现的性能。

可以看到，NI工业控制器提供的性能接近于采用被动冷却封装的桌面级处理器可达到的性能。 丰富的相机连接端口选项以及高性能处理器使其成为图表上所有产品中最强大的控制器，但这些都并不是唯一要考虑的特性。

现在，看一下下表中这些产品的集成I/O、存储器和特定视觉功能，比如PoE。

1高性能CompactRIO控制器还可支持USB3 Vision相机，可向后兼容USB 2.0。

2尽管Compact视觉系统和工业控制器不具有用于C系列I/O的集成插槽，但是它们也可用于以太网或EtherCAT扩展机箱。

3Compact视觉系统提供了有限的FPGA图像处理支持，但由于FPGA的尺寸小，协处理带宽有限，因而只能小幅提升性能。

每个应用需求都决定着哪个控制器最适合您的应用。 下面提供了每个产品的详细概述。

7. Compact视觉系统

CVS是一款经视觉优化的工业计算机，提供两个独立控制的GigE或USB3.0端口来连接相机。 CVS拥有一个强大的四核处理器，提供了高需求应用所需的性能，同时也具有一个用于连接人机界面的内置VGA端口和用于连接鼠标和键盘的USB2.0端口。 CVS还包括基于FPGA的数字I/O，可用于读取编码器和实现自定义触发。 虽然CVS缺少用于C系列I/O的集成插槽，但可通过连接以太网或EtherCAT扩展机箱来将C系列I/O添加到系统中。

此外，系统还可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工业协议来传送指令与数据给其他设备，比如可编程逻辑控制器(PLC)与操作界面。 CVS还具有一个用于网络连接的专用千兆位以太网端口以及两个用于连接外部数据存储器的高速USB端口。 通过企业连接功能，您还可监测检测结果、查看图像或是把数据储存在数据库中进行统计过程控制。

8. CompactRIO

CompactRIO适用于需要强大处理能力以及模块化I/O来实现自动化、测量和控制任务的应用。 最新的高性能CompactRIO型号搭载与CVS相同的四核Intel Atom处理器，并提供了与GigE Vision相机和USB3 Vision相机的连接端口，可向后兼容USB 2.0。

此外，CompactRIO提供了可支持数百个C系列I/O模块的8个插槽，使您可以通过任何总线连接任何传感器。CompactRIO还具有内置的用户可编程FPGA，可更快速处理图像。 这意味着CPU和FPGA可以相互配合来共同处理图像，减少处理时间。 CompactRIO可以通过内置的RS232/RS485端口或工业通信C系列模块轻松地与PLC和操作界面集成。 CompactRIO还具有一个用于网络连接的专用千兆位以太网端口以及两个用于连接外部数据存储器的高速USB端口。 通过企业连接功能，您还可监测检测结果、查看图像或是把数据储存在数据库中进行统计过程控制。

9. 工业控制器

与CVS相似，NI工业控制器也是经过视觉优化的工业计算机。 该控制器具有四个独立控制的千兆以太网端口、两个USB 3.0端口、一个Intel i7处理器以及一个Xilinx Kintex-7 FPGA，这使其成为NI为视觉应用提供的最强大的嵌入式控制器。 虽然NI工业控制器缺少用于C系列I/O的集成插槽，但可通过连接以太网或EtherCAT扩展机箱来将I/O添加到系统中。 工业控制器的大型FPGA和强大的处理器相结合，可更快速地处理图像，从而降低延迟。

此外，系统还可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工业协议来传送指令与数据给其他设备，比如PLC与操作界面。 工业控制器还具有一个用于网络连接的专用千兆位以太网端口以及四个用于连接外部数据存储器的USB 2.0端口。 通过企业连接功能，您还可监测检测结果、查看图像或是把数据储存在数据库中进行统计过程控制。 NI工业控制器适用于需要高速处理的高性能多相机应用。

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