基于機(jī)器視覺(jué)的圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、2009年1月第1期電子測(cè)試EL ECTRON IC TESTJ an.2009No.1基于機(jī)器視覺(jué)的圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱海寬(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院南昌330029摘要:機(jī)器視覺(jué)包括了信息探測(cè)、采集系統(tǒng)、圖像處理、顯示及智能決策等模塊。信息的探測(cè)和采集是通過(guò)攝像頭來(lái)獲取,經(jīng)過(guò)圖像的處理,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,判斷結(jié)果來(lái)控制設(shè)備運(yùn)作。本文以S3C2410A 為核心處理器,通過(guò)FIFO 緩存的FP GA 實(shí)現(xiàn)、Flash 存儲(chǔ)器和SDRAM 存儲(chǔ)器,結(jié)合L CD 接口、J TA G 接口、串行接口和電源電路來(lái)控制圖像的采集和處理,給出了硬件實(shí)現(xiàn)的總體框架圖。本套系統(tǒng)處理速度快、

2、占用資源少、效率高、穩(wěn)定性能好,為整體機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺(jué);圖像采集;圖像處理中圖分類(lèi)號(hào):TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of image acquisition and disposal system based on machine visionZhu Haikuan(Information Engineer College ,Nancang University ,Nanchang 330029,China Abstract :Machine Vision contains modules of information detection ,image

3、 acquisition ,image manipu 2lation ,display system and intelligent decision.Information collected through the detection and access to camera.After image processing ,the information was transferred to digital signal.By computing ,the computer can judge the results to control the device operation.We d

4、esign a scheme by using S3C2410A as the key processor ,together with FIFO caches ,Flash memorizers ,SDRAM memorizers and LCD ,J T A G interfaces.This system is faster ,less occupation of resources ,high efficiency and good stability ,laying a solid foundation of the machine vision system.K eyw ords

5、:machine vision ;image acquisition ;image manip ulation0引言機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息,轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)作1。一般機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要包括信息探測(cè)、采集系統(tǒng)、圖像處理、顯示及智能決策等模塊。這里我們主要探討關(guān)于圖像采集和圖像處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2009.1Test Tools &Solutions1總體設(shè)計(jì)方案視覺(jué)作為外部傳感器

6、,能在無(wú)接觸的情況下感知外部信息,因此越來(lái)越廣泛地在智能控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,需要利用視覺(jué)傳感器提供的信息實(shí)時(shí)構(gòu)造閉環(huán)反饋。實(shí)現(xiàn)這一目的不僅要有視覺(jué)傳感器CCD 攝像機(jī),同時(shí)還要有能實(shí)時(shí)地將攝像機(jī)產(chǎn)生的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為可處理數(shù)字圖像信息的實(shí)時(shí)圖像采集卡。通常是根據(jù)所要達(dá)到的分辨率、灰度級(jí)要求及應(yīng)用的特殊性而自己設(shè)計(jì)圖像采集平臺(tái)。圖像采集平臺(tái)的作用是把圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣,量化為圖像的數(shù)字信號(hào),然后把數(shù)字式視頻信號(hào)送到幀存儲(chǔ)器或計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中以進(jìn)行處理。圖像采集系統(tǒng)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)2。這里所設(shè)計(jì)的圖像采集與處理平臺(tái)由CCD 攝像機(jī)、視頻解碼器、可編程邏輯器件和處理器S3C2

7、410A 及所需的外圍電路構(gòu)成。系統(tǒng)功能簡(jiǎn)略組成框圖如圖1所示。 圖1圖像采集與處理平臺(tái)系統(tǒng)框架2FIFO 緩存的FPG A 實(shí)現(xiàn)在基于EDA 技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,如果能直接調(diào)用可設(shè)置模塊庫(kù)中的兆功能塊,則可大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和可靠性。為了提高電路設(shè)計(jì)效率,應(yīng)盡量多采用L PM 宏單元庫(kù)。L PM 包括了常用的邏輯單元,通過(guò)修改L PM 的某些參數(shù),就能迅速設(shè)計(jì)出自己的電路。Al 2tera 公司提供的L PM 宏單元庫(kù)是Altera 系列FPG A 器件的絕佳組合,可以實(shí)現(xiàn)絕大部分的設(shè)計(jì)功能,并能提供較高的運(yùn)行速度和較低的資源占用率。在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn),多采用L PM 宏單元庫(kù)的電路與不采用

8、L PM 宏單元庫(kù)的電路相比,資源占用率可減少10%30%,可見(jiàn)節(jié)省的芯片資源是很可觀的。我們可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要,在L PM 中選擇適當(dāng)?shù)哪K,對(duì)其參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整設(shè)置,使其符合自己的要求,將已有的設(shè)計(jì)成熟的模塊為己所用3。FIFO 在高速數(shù)字系統(tǒng)中常用作緩存。FIFO的寫(xiě)入(讀出時(shí)間只需要一個(gè)時(shí)鐘周期,不需要對(duì)地址進(jìn)行加1操作,大大提高了存儲(chǔ)速度。使用FIFO 作為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中圖像數(shù)據(jù)的緩存是可行的。數(shù)據(jù)流在不同時(shí)鐘域間的傳遞一直是集成電路芯片設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題,使用異步FIFO 可以在兩個(gè)不同時(shí)鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。FIFO 的調(diào)用是簡(jiǎn)單的,就像拿來(lái)了一款FIFO

9、 芯片一樣。3接口設(shè)計(jì)3.1存儲(chǔ)器接口3.1.1Flash 存儲(chǔ)接口Flash 存儲(chǔ)器是一種可在系統(tǒng)(In 2System 進(jìn)行電擦寫(xiě),掉電后信息不丟失的存儲(chǔ)器。它具有低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程(燒寫(xiě)、擦除等特點(diǎn)。作為一種非易失性存儲(chǔ)器,Flash 在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的Flash 為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度,編程電壓為單3.3V 。主要的生產(chǎn)廠商為ATME L 、AMD 、HYUNDAI 等。雖然NOR flash 具有芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP ,eXecute In Place 的優(yōu)點(diǎn),但工藝復(fù)雜,價(jià)格比較貴;

10、NOR 的傳輸效率很高,它在14MB 的小容量時(shí)具有很高的成本效益,但很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。NOR flash 價(jià)格比較貴,而SDRAM 和NAND flash 存儲(chǔ)器的價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合適,這樣就激發(fā)了一些用戶產(chǎn)生希望從NAND flash 啟動(dòng)和引導(dǎo)系統(tǒng),而在SDRAM 上執(zhí)行主程序代碼的想法。S3C2410A 恰好滿足這一要求,它可以實(shí)現(xiàn)從NAND flash 上執(zhí)行引導(dǎo)程序。為了支持NAND測(cè)試工具與解決方案2009.1flash 的系統(tǒng)引導(dǎo),S3C2410A 具備了一個(gè)內(nèi)部SRAM 緩沖器,叫做“Steppingstone ”。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),NAND flash 存

11、儲(chǔ)器的前面4K Byte 字節(jié)將被自動(dòng)載入到Steppingstone 中,然后系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行這些載入的引導(dǎo)代碼。一般情況下,這4K 的引導(dǎo)代碼需要將NAND flash 中程序內(nèi)容拷貝到SDRAM 中,在引導(dǎo)代碼執(zhí)行完畢后跳轉(zhuǎn)到SDRAM 執(zhí)行5。使用S3C2410A 內(nèi)部硬件ECC功能可以對(duì)NAND flash 的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性的檢測(cè)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用NAND flash 啟動(dòng)方式,選用K9F1208芯片做flash 存儲(chǔ)器。K9F1208是Sam 2sung 公司生產(chǎn)的采用NAND 技術(shù)的大容量、高可靠Flash 存儲(chǔ)器。該器件存儲(chǔ)容量為64M 8位,除此之外還有2048K 8位的空閑存儲(chǔ)區(qū)

12、。該器件采用TSSOP48封裝,工作電壓2.73.6V 。 K9F1208對(duì)528字節(jié)一頁(yè)的寫(xiě)操作所需時(shí)間典型值是200s ,而對(duì)16K 字節(jié)一塊的擦除操作典型僅需2ms 。8位I/O 端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用的方法。這樣既可減少引腳數(shù),還可使接口電路簡(jiǎn)潔。電路連接圖如圖2所示。因不需要寫(xiě)保護(hù),所以將WP 接到高電平。 圖2Flash 電路連接圖3.1.2SDRAM 存儲(chǔ)器接口隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 是易失性存儲(chǔ)器,掉電后數(shù)據(jù)即消失,不能長(zhǎng)久保存。但與ROM 器件不同的是,它的隨機(jī)讀寫(xiě)速度非?？?寫(xiě)入數(shù)據(jù)前不需要進(jìn)行擦除。SDRAM 在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。SDRAM 具有單

13、位空間存儲(chǔ)容量大和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),SDRAM 的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容,總是傾向于放電,為避免數(shù)據(jù)丟失,必須定時(shí)刷新(充電6。因此,要在系統(tǒng)中使用SDRAM 就要求微處理器具有刷新控制邏輯,或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。S3C2410A 芯片本身提供了與SDRAM 進(jìn)行直接接口的解決方案,因此,不需要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)它們所需要的接口時(shí)序,而只須對(duì)與存儲(chǔ)器相關(guān)的寄存器進(jìn)行適當(dāng)配置。目前常用的SDRAM 為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度,工作電壓一般為3.3V 。主要的生產(chǎn)廠商為YUNDA I 、Winbond 等。本系統(tǒng)的SDRAM 采用三星公司的K4S561632C ,容量32M ,接口電路如

14、圖3所示。圖3S3C2410A 與SDRAM 的接口電路圖通過(guò)設(shè)置連接器的工作參數(shù)可將系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)區(qū)定位在SDRAM 的地址范圍。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,SDRAM 映射在Bank6中,因此SDRAM 的起始地址為0x30000000。在編譯軟件時(shí),進(jìn)入ADS1.2的連接器設(shè)置對(duì)話框,在對(duì)話框的RW 2base 文本框中輸入數(shù)據(jù)區(qū)的基地址,例如,0x30000000,數(shù)據(jù)區(qū)將定位在SDRAM 空間。3.2LCD 接口本系統(tǒng)采用優(yōu)龍公司的L CD 驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)品,該模塊的L CD 是SHARP 的L Q035Q7D H01。L Q035Q7D H01由一個(gè)TF T 2L CD 板、驅(qū)動(dòng)IC 芯片、一個(gè)FPC

15、 一個(gè)背光、一個(gè)觸摸板和一個(gè)背面密封裝置組成。屏本身不帶有控制驅(qū)動(dòng)電路,優(yōu)龍公司的驅(qū)動(dòng)板提供了對(duì)屏模塊的有效支持。3.3JTAG 接口J TA G 在20世紀(jì)80年代中期制定了邊界掃描技術(shù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即為J TA G 。主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。J TA G 技術(shù)是一2009.1Test Tools&Solutions種嵌入式調(diào)試技術(shù),它在芯片內(nèi)部封裝了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試電路TA P,通過(guò)專(zhuān)用的J TA G測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。目前大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持J TA G協(xié)議,如ARM、DSP、FP GA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的J TA G接口是4線:TMS、TC K、TDI、TDO,分別為

16、測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。通過(guò)J TA G接口,可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)58。IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邊界掃描結(jié)構(gòu)的定義包括4個(gè)基本單元:4個(gè)引腳的測(cè)存取口T AP、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器和T AP控制器。T AP引腳定義如下:TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入,TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入, TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出,TMS為測(cè)試模式選擇。J T A G標(biāo)準(zhǔn)接口有14針和20針兩種,其中20針的接口由于地線較多,電磁串?dāng)_較小(尤其對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸7,本系統(tǒng)采用的是20針的J T A G接口。3.4串行接口幾乎所有的微控制器、PC都提供串行接口,使用電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA推薦的RS2232

17、2C標(biāo)準(zhǔn),這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)的串口作用就是負(fù)責(zé)調(diào)試時(shí)ARM與PC的通信8。3.5電源接口在該系統(tǒng)中,需要使用5V、3.3V和1.5V的直流穩(wěn)壓電源,其中,S3C2410A及部分外圍器件需3.3V電源,另外部分器件需5V電源(L CD,電源芯片采用L M2596和1117系列(使用兩款分別產(chǎn)生3.3V和1.5V的電壓。4系統(tǒng)測(cè)試分析為了驗(yàn)證本研究論文所設(shè)計(jì)的圖像設(shè)計(jì)采集系統(tǒng),對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試,仿真平臺(tái)選用Proteus仿真軟件進(jìn)行。Proteus是基于SPICE3F5仿真引擎的混合電路仿真軟件,不僅能夠仿真模擬、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路,更具特色的是Proteus

18、能夠仿真基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)。這里我們采用基于Proteus單片機(jī)仿真軟件的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方法,由于在仿真平臺(tái)環(huán)境下缺少圖像傳感器,因此我們通過(guò)加載外在信號(hào)源的方法測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及分析的可行性與可靠性。具體按照以下步驟執(zhí)行仿真:(1首先在Proteus中構(gòu)建與設(shè)計(jì)方案相一致的仿真模型。(2分別為各單片機(jī)編制程序,在Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下將編好的程序進(jìn)行編譯、調(diào)試,調(diào)試通過(guò)后會(huì)生成“.H EX”文件。(3運(yùn)行Proteus模擬仿真軟件,打開(kāi)已繪制好的仿真電路原理圖,在Program File中加載編譯好的“.HEX”,文件,然后點(diǎn)擊“O K”就可以進(jìn)行仿真了。(4如果使用虛擬傳感器

19、采集數(shù)據(jù),或者采用構(gòu)建虛擬顯示終端,以顯示采集到的數(shù)據(jù),會(huì)使仿真程序變得復(fù)雜化,為了更加直觀的顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理性能及其效果,這里我們采用正弦信號(hào)發(fā)生器的方式作為外在的加載數(shù)據(jù)信號(hào)源,倘若整個(gè)圖像采集與處理系統(tǒng)能夠順利實(shí)現(xiàn),那么在系統(tǒng)的輸出端口也應(yīng)該是正弦信號(hào)波形,我們?cè)趩纹瑱C(jī)輸出側(cè)通過(guò)設(shè)置波形顯示器來(lái)觀察通信的效果。(5以上步驟設(shè)置好后,啟動(dòng)仿真就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真測(cè)試了。仿真結(jié)果如圖4所示 。圖4系統(tǒng)仿真測(cè)試結(jié)果圖如上圖所示,橫坐標(biāo)為時(shí)間,由于設(shè)計(jì)的采樣頻率較高,因此數(shù)據(jù)量較大,這里我們只采樣1min;縱坐標(biāo)即為采集到的數(shù)據(jù)。從波形圖可以發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)呈正弦曲線,可見(jiàn),數(shù)據(jù)的通信及處理是符合要

20、求的,是可行的。(下轉(zhuǎn)第89頁(yè)企業(yè)直擊2009.1POD天線等等。記者:貴公司EMC產(chǎn)品服務(wù)主要定位在哪些行業(yè)?李:電子產(chǎn)品生產(chǎn)商,通訊設(shè)備生產(chǎn)商,汽車(chē)電子生產(chǎn)商,實(shí)驗(yàn)室,大學(xué),研究機(jī)構(gòu)等。我們?cè)谶@幾個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)形成了一個(gè)用戶群,產(chǎn)品受到了用戶的認(rèn)可。記者:貴公司目前EMC領(lǐng)域的產(chǎn)品都有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)?李總:敝公司結(jié)合各家供應(yīng)商的技術(shù)優(yōu)點(diǎn),為客戶提供相應(yīng)的售前和售后服務(wù),包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)咨詢。目前我們代理的產(chǎn)品都有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。比如Milmega功率放大器則以固態(tài)器件的方式設(shè)計(jì),十分適合用于IEC610002423系統(tǒng)之中,亦被各大檢測(cè)機(jī)構(gòu)所認(rèn)同;菊水(K ikusui緊跟日本汽車(chē)生產(chǎn)商的信息及技術(shù)發(fā)展,生產(chǎn)出有關(guān)汽車(chē)零部件瞬態(tài)浪涌測(cè)試儀等以靈活。可調(diào)?？蛇x組合成適合不同用家的設(shè)置,這都是我們優(yōu)勝之處。記者:貴公司針對(duì)EMC這一領(lǐng)域2009年的市場(chǎng)策略會(huì)是怎樣規(guī)劃呢?李:2009年我們?cè)诰S護(hù)好原有用戶群的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)針對(duì)汽車(chē)電磁兼容市場(chǎng),以及各檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的需要出發(fā)制定相應(yīng)的系統(tǒng)解決方案。(上接第56頁(yè)圖中有4種正弦