機(jī)器視覺是基于軟件與硬件的組合，通過光學(xué)裝置和非接觸式的傳感器自動地接受一個(gè)真實(shí)物體的圖像，并利用軟件算法處理圖像以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置。機(jī)器視覺可以賦予機(jī)器人及自動化設(shè)備獲取外界信息并認(rèn)知處理的能力。機(jī)器視覺系統(tǒng)內(nèi)包含光學(xué)成像系統(tǒng)，可以作為自動化設(shè)備的視覺器官實(shí)現(xiàn)信息的輸入，并借助視覺控制器代替人腦實(shí)現(xiàn)信息的處理與輸出。從而實(shí)現(xiàn)賦予自動化設(shè)備看與處理的能力，替代人眼完成生產(chǎn)制造中的識別、測量、定位以及檢測等工作。

▲機(jī)器視覺的四大基礎(chǔ)功能機(jī)器視覺作為工業(yè)傳感的核心，是機(jī)器人和自動化設(shè)備的眼睛，是建設(shè)數(shù)字化工廠感知網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)柔性化智能生產(chǎn)的重要組成部分。一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)，一般包括：工業(yè)光源、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、視覺控制系統(tǒng)(視覺軟件及視覺控制硬件)等。其中，工業(yè)光源負(fù)責(zé)照亮目標(biāo)并突出可視化特征，工業(yè)鏡頭負(fù)責(zé)將光源照亮的物體成像折射投影至工業(yè)相機(jī)感光元件，工業(yè)相機(jī)負(fù)責(zé)將感光元件接收到的圖像采集并輸送至控制系統(tǒng),以上三個(gè)硬件部分負(fù)責(zé)成像功能。視覺控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對成像結(jié)果進(jìn)行處理分析、輸出分析結(jié)果或控制指令至其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

▲機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成圖（來源：?？禉C(jī)器人）

隨著工業(yè)自動化技術(shù)不斷走向成熟，對于物體檢測、增強(qiáng)分析、監(jiān)控容差和準(zhǔn)確的組件測量等能力要求也逐漸提升,越來越多的制造企業(yè)開始采用機(jī)器視覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中檢查、測量和自動識別等功能的優(yōu)化。從全球市場來看，GGII數(shù)據(jù)顯示，2023年全球機(jī)器視覺市場規(guī)模 925.21億元，2024年全球機(jī)器視覺市場規(guī)模有望突破1000億元，同比增速 8.63%左右，預(yù)計(jì)至2028年全球市場規(guī)模有望接近1400 億元，2024-2028年年均復(fù)合增長率約為8.20%。2023年中國機(jī)器視覺市場規(guī)模185.12億元，2024年中國機(jī)器視覺市場規(guī)模有望突破200億元，同比增速接近12%，預(yù)計(jì)至2028年我國機(jī)器視覺市場規(guī)模將超過395億元，2024-2028年復(fù)合增長率約為17.5%。

01

機(jī)器視覺技術(shù)集成方式

在工業(yè)控制系統(tǒng)中集成機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)成為了一種趨勢。目前，現(xiàn)有的視覺與控制系統(tǒng)的集成方法主要分為兩類，即軟件集成和通信集成。

軟件集成

軟件集成即是由攝像機(jī)采集圖像，然后將圖像信息通過成熟的通信方式如 PCI)、USB、串口、火線或TCP/IP協(xié)議直接傳給PC，由PC中的專用軟件進(jìn)行圖像處理，最終通過輸出實(shí)現(xiàn)控制功能。該集成方法需通過非實(shí)時(shí)性接口傳輸大量的圖像信息給PC，很容易成為整個(gè)系統(tǒng)性能提升的“瓶頸”所在。同時(shí)PC的操作系統(tǒng)如Windows，通常并不具有實(shí)時(shí)性，難以直接應(yīng)用于對實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制當(dāng)中，并且由于非實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理時(shí)間無法確定，因此時(shí)間的波動性也較大。

▲機(jī)器視覺技術(shù)軟件集成方式

通信集成

通信集成即是通過嵌入式設(shè)備直接進(jìn)行圖像的采集和處理，然后將處理的信息通過 USB、串口或 TCP/IP 協(xié)議輸出給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能。智能相機(jī)是這種視覺集成方式的典型代表。該方法使得整個(gè)系統(tǒng)變得小巧，且具有一定的圖像處理實(shí)時(shí)性，但是對于控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性卻無法保證，并且如果需要實(shí)現(xiàn)特定功能，其整個(gè)開發(fā)周期又十分漫長，難以滿足實(shí)際需求。

▲機(jī)器視覺技術(shù)通信集成方式

在自動化程度較高的工業(yè)控制中，有大量集成機(jī)器視覺的應(yīng)用需求，例如智能裝配、快速分揀等。這些應(yīng)用都對機(jī)器視覺的集成方法、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)性有著較高的要求；同時(shí)，現(xiàn)有的視覺集成方法如通信集成和軟件集成具有實(shí)時(shí)性不足的缺點(diǎn)，復(fù)雜的傳輸環(huán)境使得視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的關(guān)系變得難以預(yù)測，這對需要實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用來說影響很大;同時(shí)傳統(tǒng)的視覺算法大多依賴于PC，應(yīng)用成本高且難以向設(shè)備小型化發(fā)展。德國倍福公司提出了一種解決實(shí)時(shí)性不足的EtherCAT技術(shù)，該技術(shù)以傳統(tǒng)的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，并充分利用了其全雙工的通信方式，使數(shù)據(jù)的傳輸具有可預(yù)測和同步精度高的特點(diǎn)。同時(shí)，該技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層使用實(shí)時(shí)調(diào)度的軟核，并利用雙端口RAM進(jìn)行 PDO(過程數(shù)據(jù)對象)的傳輸，從而有效的提高了實(shí)時(shí)性。

02

基于EtherCAT的機(jī)器視覺集成系統(tǒng)

基于EtherCAT視覺系統(tǒng)集成技術(shù)，使用EtherCAT將機(jī)器視覺系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)集成，視覺系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)間關(guān)系得到了確定，從而使該視覺集成方法擁有良好的實(shí)時(shí)性和確定性，同時(shí)使用SPI集成了具有圖像處理功能的視覺模塊，不僅減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，還對PC的依賴小，可滿足如今設(shè)備小型化發(fā)展的需求；腳本化的編程方式也降低了開發(fā)難度，提高了效率。

▲基于EtherCAT機(jī)器視覺系統(tǒng)集成技術(shù)示意圖基于EtherCAT的機(jī)器視覺集成系統(tǒng)由視覺檢測和運(yùn)動控制兩部分組成。

視覺檢測部分的圖像數(shù)據(jù)采集由工業(yè)相機(jī)完成。圖像處理任務(wù)由控制器完成。運(yùn)動控制部分主要是EtherCAT主站和從站的搭建，控制命令由主站發(fā)出經(jīng)從站傳遞給驅(qū)動器，完成對工作臺的運(yùn)動控制?？刂葡到y(tǒng)采用普通PC+EtherCAT從站的形式。圖像處理單元和EtherCAT主站通過EtherCAT總線完成數(shù)據(jù)共享。視覺系統(tǒng)EtherCAT從站由從站控制器芯片和微處理器共同搭建包括通信板和視覺檢測兩部分。通信板經(jīng)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)主站的EtherCAT通信功能，接收系統(tǒng)主站發(fā)送的EtherCAT下行數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行解析，獲取主站發(fā)送的控制信息并將控制信息通過SPI接口轉(zhuǎn)發(fā)給視覺檢測微處理器，同時(shí)將視覺檢測采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)SPI接口插人到EtherCAT數(shù)據(jù)幀中返回給主站。運(yùn)動控制從站由驅(qū)動模塊（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動或者伺服電機(jī)驅(qū)動等）和執(zhí)行器（機(jī)械臂等）組成。視覺檢測將圖像處理后提取的源圖像寬高等信息通過EtherCAT通信板傳給主站，同時(shí)驅(qū)動模塊從站將執(zhí)行器執(zhí)行結(jié)果信息反饋傳給主站。主站收到后進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，執(zhí)行對工件的實(shí)時(shí)控制指向。

▲基于EtherCAT的機(jī)器視覺系統(tǒng)框架

03

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT機(jī)器視覺系統(tǒng)解決方案

EterCAT從站的核心部分是EterCAT從站控制器芯片（ESC），ESC使用雙端口 RAM 實(shí)現(xiàn)EtherCAT 主站和從站之間的數(shù)據(jù)交換。碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列為EtherCAT機(jī)器視覺系統(tǒng)從站控制器芯片提供了全新的選擇。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)以太網(wǎng)PHY，不再需要額外PHY，大大的簡化了外圍電路設(shè)計(jì)。同時(shí)該芯片每一個(gè)PHY包含了一個(gè)全雙工100BASE-TX收發(fā)器，支持雙工100Mbps的工作頻率，在借助光纖收發(fā)裝置情況下還支持100Mbps光纖通信，支持Auto-Negotiation自動協(xié)商、Auto-MDIX自動交叉識別功能，所以在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用交叉LAN 光纜或者直接連接。CF110x系列從站控制器具有8KB的DPRAM和8個(gè)FMMU，還包括8個(gè)SyncManager，同時(shí)該ESC可以通過8/16位總線與8/16/32位嵌入式微處理器相連。CF110x系列工作時(shí)可提供緩沖和郵箱兩種工作模式。緩沖模式下，EtherCAT主器件和本地微處理器可同時(shí)對器件執(zhí)行寫入操作，但由于該ESC的緩沖區(qū)始終只包含最新數(shù)據(jù)，如果新數(shù)據(jù)在舊數(shù)據(jù)讀出前到達(dá)，舊數(shù)據(jù)將被覆蓋。這也就意味著我們需要在數(shù)據(jù)在覆蓋之前執(zhí)行讀取操作。郵箱模式下，EtherCAT 主器件和本地微處理器采樣握手的方式來訪問緩沖區(qū)，從而確保不會丟失任何數(shù)據(jù)。主設(shè)備與本地應(yīng)用還可以使用SPI通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CF110x系列的每一個(gè)端口包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行指示器和一個(gè)鏈路/活動指示器，在工作時(shí)可以通過指示器判斷 CF110x系列的工作狀態(tài)，同時(shí)CF110x系列內(nèi)部集成了64位分布式時(shí)鐘，在同步模型下，可以提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步功能。

▲碼靈半導(dǎo)體CF1106系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列支持3種工作模式：數(shù)字IO模式、單片機(jī)模式以及擴(kuò)展模式。數(shù)字IO模型是最簡單的一種工作模式，該模型下從站設(shè)備不需要外接嵌入式微處理器，可通過 EtherCAT 主器件來監(jiān)控和控制32個(gè)數(shù)字IO，還可另外提供了6個(gè)控制信號，該模式一般適用于一些簡單的IO控制場合。在單片機(jī)模型下，CF110x系列可通過類似于SRAM 的從接口與嵌入式微處理器通信。憑借簡單但功能強(qiáng)大的主機(jī)總線接口，該器件可通過8/16位外部總線無縫連接到大多數(shù)通用8/16/32位微處理器和單片機(jī)。同時(shí)在單片機(jī)模式下該器件也可以通過SPI總線進(jìn)行訪問，該方式也可同時(shí)提供多達(dá)32個(gè)通用IO。擴(kuò)展模式是指當(dāng)器件處于SPI模式時(shí)，可通過第三個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口用來提供額外的MII端口。內(nèi)置的PHY可通過該端口與ESC連接，以實(shí)現(xiàn)樹形或星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑫r(shí)該端口可配置為上行方向或下行方向。

▲碼靈半導(dǎo)體CF1103系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖

使用面向?qū)崟r(shí)總線EtherCAT應(yīng)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)不僅開發(fā)方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、實(shí)時(shí)性高，視覺系統(tǒng)與控制系統(tǒng)間的關(guān)系具有確定性，還符合工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。碼靈半導(dǎo)體CF110x系列可為機(jī)器視覺系統(tǒng)的EtherCAT通信板、運(yùn)動控制驅(qū)動模塊等場景提供實(shí)時(shí)性、可靠性、低成本的EtherCAT通信技術(shù)。