一种嵌入式PAC控制器和采用该控制器的图像处理方法

技术领域

本发明涉及控制器领域，尤其是涉及一种嵌入式PAC控制器和采用该控制器的图像处理方法。

背景技术

目前PAC控制器大多采用嵌入式Linux平台作为开发操作系统，并采用高性能微处理器，使得其控制器运算能力、数据分析能力均拥有强大优势。在数据采集部分实现了常见模拟量如温度、湿度、压力非电量数据输入，数字量数据的输入。但随着AI时代的来临，工业应用环境对于PAC控制器的控制性能要求日益提高，面对复杂的外界环境和高精度需求的控制场景下，传统的模拟量、数字量数据采集以无法满足控制要求。传统PAC控制器虽具有一定程度通用性，但也受到较多限制，控制器往往无法达到多个场景下的通用功能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种嵌入式PAC控制器和采用该控制器的图像处理方法，装置的通信协议实现通过编写API函数链接到相关软件的同名函数，与同名函数进行数据交互，完成各类功能的调用，通用性强。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种嵌入式PAC控制器，PAC控制器包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括与微控制器连接的以下模块：

电源模块，用于提供整个硬件部分的电源；

时钟电路，包括微控制器内部的时钟电路模块和微控制器外部的晶体和电容；

复位电路，所述复位电路采用专用的复位芯片；

调试模块，用于采用JTAG标准进行芯片内部测试；

外部储存，包括非易失性串行Flash芯片与SD存储卡；

视频采集模块，包括CMOS图像传感器；

模拟量输入输出模块，用于将非电量信号转换成电量，完成模拟量到数字量的转换；

数字量输入输出模块，用于采集开关信号或频率，输出开关量信号或PWM频率信号；

通讯模块，所述通讯模块包括4G模块和以太网，分别支持4G无线通讯和以太网通讯，所述通讯模块与云服务器连接；

所述硬件部分还集成了IR接口、I2C、SPI、RS232、RS485和CAN总线中的一种或多种接口电路，接口电路的接口为串行接口；

所述软件部分包括嵌入式软件开发环境、通讯协议、驱动程序和上位机控制软件，其中，

软件开发环境为基于ARM的集成开发环境RealView MDK；

通讯协议包括作为图像传输协议的HTTP协议，通讯协议还包括用于软硬件信息交互的MQTT协议、Modbus TCP/IP通讯协议、Modbus-RTU协议和CAN总线协议，所述通信协议实现通过编写API函数链接到相关软件的同名函数，与同名函数进行数据交互，完成各类功能的调用；

驱动程序包括4G模块的驱动程序、模拟量输入程序、模拟量输出程序、数字量输入程序和数字量输出程序；

上位机控制软件用于对嵌入式PAC控制器进行Web监控，获得资源访问及控制能力。

进一步地，所述电源模块提供的电源根据应用系统的具体要求设计。

进一步地，所述模拟量输入输出模块的输入信号包括电压信号、电流信号和传感器信号，所述模拟量输入输出模块的输出信号为电压信号通过放大器放大或转换的电流信号。

进一步地，以太网内部集成10/100M快速以太网MAC+PHY接口。

进一步地，模拟量输入程序的设计基于对ADC与DMA进行的配置，模拟量输出程序的设计基于对微控制器的DAC外设的软件进行的配置，数字量输入程序的设计和数字量输出程序的设计基于定时器与PWM输入输出的配置。

进一步地，所述上位机控制软件基于LabVIEW开发。

进一步地，MQTT协议用于在线运维服务。

进一步地，PAC控制器的软件部分的操作系统为Linux操作系统。

进一步地，4G模块的驱动程序通过交叉编译烧入控制器。

本发明还提供采用上述的嵌入式PAC控制器的图像处理方法，方法包括以下步骤：

基于硬件部分采集图像；

基于软件部分对采集的图像进行预处理，所述预处理包括图像灰度化处理、多尺度变换及合并和图像边缘化处理；

基于硬件部分和软件部分对预处理的图像进行数据传输；

利用云服务器不同场景的API函数，基于PAC控制器调用云服务器的不同场景的图像处理方式，对传输的预处理的图像进行处理，反馈处理后的图像。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)针对不同环境下PAC控制器采集目标及控制需求的不一致，本发明的控制器可以利用云服务器不同场景的API函数，对图像进行不同方式的处理，反馈相应环境的数据信息从而完成对图像的控制，扩展PAC控制器适用范围，满足其通用性需求。

(2)对于PAC数据输入输出形式多样化需求，集成IR接口、I2C、SPI、RS232、RS485、CAN总线等接口电路，满足数据的多元化处理。使用串行接口扩展接口，对控制器后续功能扩展留有余地。

(3)本发明采用4G模块，4G模块的4G无线通讯技术解决实际安装PAC控制器时空间上的限制，降低了安装成本；且保留以太网的通讯模块，支持传统以太网通讯技术，满足不同客户的实际需求。

附图说明

图1为本发明的控制器结构图；

图2为本发明的驱动程序开发流程图；

图3为本发明的视频采集流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供嵌入式PAC控制器，PAC控制器包括硬件部分和软件部分。PAC控制器的硬件部分结构图如图1所示。硬件部分包括与微控制器MCU连接的以下模块：

电源模块，用于提供整个硬件部分的电源。电源模块的稳定性对整个系统具有重要作用，电源模块提供的电源根据应用系统的具体要求设计。电源模块设计时，需要注意输入输出电压、电流，电磁兼容、干扰，体积大小、功耗以及成本等因素。

时钟电路，包括微控制器内部的时钟电路模块和微控制器外部的晶体和电容。

复位电路，复位电路采用专用的复位芯片构建复位模块。

调试模块，用于采用JTAG标准进行芯片内部测试。

外部储存，包括非易失性串行Flash芯片与SD存储卡。

视频采集模块，包括CMOS图像传感器，保证现场环境中的图像采集。

模拟量输入输出模块，用于将非电量信号转换成电量，完成模拟量到数字量的转换。模拟量输入输出模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块，模拟量输入模块采用传感器将非电量信号转换成电量，由ADC完成模拟量到数字量的转换。模拟量输入输出模块的输入信号为模拟采样信号，模拟采样信号包括0～3V电压信号、4～20mA电流信号、具有电阻可变化等特性的传感器信号。模拟量输入输出模块的输出信号电压信号通过放大器放大或转换的电流信号。

数字量输入输出模块，用于采集开关信号或频率，输出开关量信号或PWM频率信号。数字量输入输出模块包括数字量输入模块和数字量输出模块。数字量输入模块采用传感器采集开关信号或频率。数字量输出模块输出开关量信号或PWM频率信号。

通讯模块，通讯模块包括4G模块和以太网，分别支持4G无线通讯和以太网通讯，通讯模块与云服务器连接。4G模块适配于移动、电信、联通等网络。以太网内部集成10/100M快速以太网MAC+PHY接口，满足通讯相关需求。

硬件部分还集成了IR接口、I2C、SPI、RS232、RS485和CAN总线中的一种或多种接口电路，满足数据的多元化处理。接口电路的接口为串行接口，可以拓展接口，支持多片级联，对控制器后续功能扩展留有余地。

PAC控制器的软件部分包括嵌入式软件开发环境、通讯协议、驱动程序和上位机控制软件。

软件开发环境为基于ARM的集成开发环境RealView MDK。PAC控制器的软件部分的操作系统为Linux操作系统。Linux微内核操作系统驱动丰富、满足多种硬件要求、完善的网络协议栈、内核可根据需求任意裁剪、代码公开免费，满足PAC控制器对操作系统的要求。软件开发环境的搭建过程包括：交叉编译环境的搭建，嵌入式linux中Bootloader的移植、linux内核的移植，制作linux中根文件系统。

通讯协议包括作为图像传输协议的HTTP协议，通讯协议还包括用于软硬件信息交互的MQTT协议、Modbus TCP/IP通讯协议、Modbus-RTU协议和CAN总线协议。使用HTTP协议可以实现对嵌入式PAC的Web访问与控制器维护升级。上述通信协议通过编写API函数链接到相关软件的同名函数，与其进行数据交互，完成各类功能的调用，实现控制器的通用性。利用MQTT和过程数据对象通信设计可以实现在线运维服务。

驱动程序是上层应用软件和硬件设备进行通信的介质，驱动程序的开发流程如图2所示。驱动程序包括4G模块的驱动程序、模拟量输入程序、模拟量输出程序、数字量输入程序和数字量输出程序。

4G模块的驱动程序的设计如下：4G模块采用AT指令集，使用拨号上网的方式进行数据传输，4G模块驱动程序主要包含USB接口驱动程序和网络通信模块驱动程序。将4G模块连接到USB接口后，USB中央控制系统通过probe()函数来探测接入的设备，根据USB设备的PID和VID，在USB驱动链上查找设备对应的驱动程序，调用init()接口函数及逆行初始化操作并分配相应资源。完成初始化操作后，相对应的驱动程序可以开始工作，驱动设备运行。完成驱动程序的主要内容如下：

1)创建结构体struct usb_driver,注册或注销USB驱动程序，usb_driver结构体中的每个成员需要单独实现。

2)编写file_operations结构体控制usb接口。File_operations结构体用来储存进行操作的函数指针。

3)完成驱动模块的Kconfig和Makeflie文件。

接下来，linux内核中增加驱动程序：

1)编写好文件放置在fold文件，将其添加到linux内核文件包中。

2)修改driver/usb/serial下的Kconfig文件。

3)返回内核代码根目录，将新加入的驱动选中使其与内核一起编译。

4)修改Makefile文件。

5)返回内核包的根目录，执行make命令。

完成4G模块的驱动程序，通过交叉编译将其烧入系统中。

模拟量输入程序的设计基于对ADC与DMA进行的配置，模拟量输出程序的设计基于对微控制器的DAC外设的软件进行的配置，数字量输入程序的设计和数字量输出程序的设计基于定时器与PWM输入输出的配置。

上位机控制软件基于LabVIEW开发。上位机控制软件的设计包含登录界面、通信模块、数据采集及显示设计、智能控制等。对嵌入式PAC控制器进行Web监控，获得资源访问及控制能力。Web页面采用Frontpage进行设计，采用回调函数模式进行程序设计，修改参数允许同时进行访问。基于MQTT和过程数据对象通信实现在线运维服务。

本发明还提供采用上述的嵌入式PAC控制器的图像处理方法，方法包括以下步骤：

基于硬件部分采集图像；

基于软件部分对采集的图像进行预处理，预处理包括图像灰度化处理、多尺度变换及合并和图像边缘化处理；

基于硬件部分和软件部分对预处理的图像进行数据传输；

利用云服务器不同场景的API函数，基于PAC控制器调用云服务器的不同场景的图像处理方式，对传输的预处理的图像进行处理，反馈处理后的图像。

基于硬件部分采集图像具体为采用视频采集模块的CMOS图像传感器进行采集，采集的流程如图3所示。采集的具体步骤包括：

首先open函数开启视频采集设备，然后对设备中的参数进行设置，向驱动请求数据的缓冲区，通过内存映射的方式将缓冲区的地址从内核空间映射到用户空间，并加入到输出队列中等待采集。采用CMOS图像传感器开始采集后，获取到的数据放入输入队列的缓冲区，随即移动到输出队列中，继续下一帧采集，应用程序从输出缓冲区中取出数据存储或压缩，处理完成后，将缓冲区重新放入输入队列，实现循环采集。

图像灰度化处理是图像预处理的基本步骤，为图像识别及分析做准备。本次设计采用加权平均法进行灰度化处理。按照下式对R、G、B三分量进行加权平均：

Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)

多尺度变换及合并为针对设备距离检测物距离远近不同所出现的问题，采用逐步放大检测窗口方式，将检测窗口按照比例逐步放大。对于重复检测的窗口，采用平均值的方式合并。

图像边缘化处理为采用Sobel算子进行边缘化处理。索贝尔算子是离散性差分算子，可用于图像任何区域，生成相应的矢量与灰度矢量。

基于硬件部分和软件部分对预处理的图像进行数据传输过程中，涉及控制器的ARM端H.264编码技术和服务器端H.264解码技术。H.264编码的实现过程为：

1)注册所有相关组件，设置录取参数。

2)打开设备获取视频流信息。

3)遍历视频流，查找上下文指针是否成功，如果成功继续第4)步骤，若否则直接结束。

4)查找编码器，初始化ACV结构体，设置编码器参数。

5)打开编码器。

6)读取数据，编码图像数据且修改像素值。

7)按照H.264编码数据，写入数据，开始技术是否达到帧数。若是则继续下一步骤若未达到帧数则跳转至写入数据步继续写入。

8)发送到上位机系统接收端。

9)判断是否发送成功，若成功就继续跳转至步骤6)，反之结束。

解码过程为编码的逆过程，此处不再赘述。

数据传输后，通过使用连接的云服务器，将不同场景下图像处理方式部署于服务器中，编写不同场景下对应的API函数。PAC控制器利用封装完成的API函数对服务器中的图像处理方式进行调用，云服务器对图像进行处理后反馈相应信息于PAC控制器，控制器完成相关操作处理。

本发明对于PAC系统存在开发量大，从而对核心处理器要求高，后续维护成本的问题采用标准化智能从站方案对PAC控制器功能进行扩展，减少开发人员的开发工作量和系统维护成本。本发明将视频采集模块添加至传统PAC控制器，丰富了数据采集形式，有利于控制器更高控制性能实现。采用4G无线通讯技术解决实际安装PAC控制器时空间上的限制，降低了安装成本；且保留以太网的通讯模块，支持传统以太网通讯技术，满足不同客户的实际需求。通过嵌入式产品与云服务器的相结合开发出通用型产品，降低了产品开发难度且使产品具有强有力的市场竞争性，有利于后期推广。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。