（光学工程专业论文）数字式裂纹测量仪的系统设计与显示单元的研究.pdf

摘要 随着建筑物质量问题的日渐严重，针对建筑物裂纹的检测设备越来越显得必 要。传统的一些检测方法存在着种种问题，如测量不方便和精度不高等。本文就 是在这样的情况下，提出一种针对建筑物裂纹的数字式的测量方法。以先进的数 字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为核心处理单元，再加上采集模块和液晶输出模块， 构成整个系统。并采用一种新型的边缘检测算法对裂纹图象进行处理，从而可以 得到比较准确的结果。整个系统可以实现方便，快速，准确的检测建筑物裂纹， 有很高的实用价值。 本论文主要工作如下： 1 分析了建筑物裂纹的测量方法和意义，提出了数字式裂纹检测仪的整体 设计思路和方案。 2 利用c m o s 图象传感器的特点，并采用c p l d 技术设计内部逻辑功能， 成功的完成基于e p p 并口模式的c m o s 图象传感器的图象采集实验。 3 数字式裂纹检测仪的硬件电路设计。包括图象采集电路，图象缓存电路， 图象存储电路，d s p 自举电路以及d s p 周边电路的设计。 4 数字式裂纹检测仪显示单元的研究与设计。液晶显示电路实现了裂纹图 象的方便、直观的输出。 5 针对裂纹图象预处理算法的初步研究和实现。通过将对称指数滤波器 ( i s e f ) 算法与边过程算法有机结合的方法，有效的提取裂纹的边缘。 本论文的主要创新点是： 1 针对建筑物裂纹的测量提出了一种数字式的测量方法。 2 c o m s 图象传感器直接用于图象测量的应用。 3 针对建筑物裂纹图象的算法研究，将对称指数滤波器( i s e f ) 算法与边过 程算法有机结合，有效的提取裂纹的边缘。 关键词：建筑物裂纹，c m o s 图象传感器，并口e p p ，d s p ，边缘检测 a b s t r a c t t h ed e v i c ew h i c hc a nb eu s e dt od e t e c tt h eb u i l d i n g sc r a c ki sm o l ei m p o r t a n t n o wb e c a u s et h eq u a l i t yo ft h eb u i l d i n gi sb e c o m i n gw o r s e w i t ht h eo l dd e t e c t i n g m e a n s ，t h e s ei sm a n yp r o b l e m sl i k ed i s c o r n m o d i o u s n e s sa n dl o wp r e c i s i o n i nt h i s t h e s i s ，t h ep u r p o s ei st od e s i g nad i g i t a lm e t h o dt od e t e c tt h eb u i l d i n g sc r a c k t h e w h o l es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ec o l l e c t i n gu n i t ，t h ep r o c e s s i n gu n i ta n dt h eo u t p u t u n i t t h ep r o c e s s i n gu n i ti sb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 6 2 0 1 b y c o m b i n gi n f i n i t es y m m e t r i ce x p o n e n t i a l f i l t e ra n dc o n t o u rp r o c e s sa l g o r i t h m ，t h e c r a c ko f t h e b u i l d i n gc a n b ee x t r a c t e d e f f i c i e n t l y t h e c o m p l e t e dw o r k i nt h i st h e s i s ： 1 an e w d i g i t a lw a y t od e t e c tt h eb u i l d i n g sc r a c ki sp u r p o s e di nt h i st h e s i sb y a n a l y z i n g t h em e a n sa n dt h es e n s e o f d e t e c t i n g t h e b u i l d i n g sc r a c k 2 f i n i s h e dt h ee x p e r i m e n to ft r a n s m i t t i n gt h ei m a g ed a t af r o mt h ec o m s i m a g e s e n s o rt ot h ee p po f t h ec o m p u t e r , i n c l u d i n gt h et e c h n o l o g yo f c p l d 3 t h ec i r c u i to ft h ec r a c kd e t e c t i n gd e v i c eh a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h e i m a g ec o l l e c t i o n ，t h ei m a g eb u f f e r , t h ei m a g es t o r a g e ，t h eb o o t l o a dc i r c u i ta n d t h ep e r i p h e r a lc i r c u i to ft h ed s e 4 f i n i s h e dd e s i g n i n gt h e d i s p l a yu n i to f t h ed i g i t a lc r a c kd e t e c t i n gd e v i c e ， 5 f o rd e t e c t i n gt h ec r a c kc o n t o u r , an e w a l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt op r e t r e a tt h e c r a c kb yc o m b i n gi n f i n i t es y r m n e t r i ce x p o n e n t i a lf i l t e ra n dc o n t o u rp r o c e s s a l g o r i t h m t h ei n n o v a t i o nw o r kl nt h i st h e s i s ： 1 an e w d i g i t a lw a y t od e t e c t i n gt h eb u i l d i n g sc r a c kh a sb e e n p u tf o r w a r d z t h ec m o s i m a g e s e n s o rh a sb e e na p p l i e dt oc o l l e c tt h ei m a g ei nt h es y s t e m 3 an e wa l g o r i t h mi s p u tf o r w a r dt op r e t r e a tt h ec r a c kb yc o m b i n gi n f i n i t e s y m m e t r i ce x p o n e n t i a lf i l t e ra n dc o n t o u rp r o c e s sa l g o r i t h m k e y w o r d s ：t h eb u i l d i n g sc r a c k , c m o s ，e p p , d s p , c o n t o u r d e t e c t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发我 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盂津太擘或其他教育机构的学位或i i l ! 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文l i l f i 。了明确的晚明并表示了酣意。 学位论文作者签名：聂- 劲掩 签字f 期： 2 0 口笋 ，月2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津太掌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权五津太学叫以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。刷意学校 向i 到家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 豇髟榴导师签名歹譬 签字同期：动口 年j 月2 f 1 签字同期叫年月岁同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究目的和背景 近年来，建筑结构构件上的裂纹大量出现，可以说量大面广。所谓面大是指 其出现的比例比较高，有相当数量的建筑结构存在着裂纹问题。所谓面广是该类 问题在全国各地都可看到。建设部和中国消费者协会每年都要受理大量这类问题 的投诉。在国家建设工程质量监督检验中心每年承接的检验鉴定工作中，结构构 件裂纹问题及涉及该类问题的项目所占的比例相当大，超过每年检测鉴定项目总 数的1 2 。对这样量大面广的问题理应引起广大工程技术人员的高度重视。 由于混凝土的组成材料、结构体系、结构构造和受力状态的不同，以及约束 条件和所受外界影响的差异，致使混凝土产生裂纹的原因较为复杂，因而对结构 性能的影响也各不相同，总的来说，建筑结构及构件的裂纹可以分成以下几类： 荷载( 特别是重力荷载) 造成的裂纹；结构、构件变形所造成的裂纹；施 工不当造成的裂纹；与耐久性性能相关的裂纹。在上述几种裂纹中，构件变形 所造成的裂纹数量最多。应当承认，大多数结构构件的变形裂纹对结构的安全性 并没有明显的影响，也就是对构件的承载能力没有明显的影响。但是建筑结构不 仅要保证安全性，还要保证适用性和耐久性。裂纹的存在，会使使用户产生不安 全感，墙体裂纹给用户造成的心理负担是非常大的。再者，结构构件上的裂纹可 引发社会的不安定。对裂缝问题处理不好会引起住户和有关部门的对立情绪，因 其而引起的静坐示威、上访、告状已不是少数。在广播电台播发的房屋质量问题 和电视台爆光的新闻中，多数都是裂纹问题。 裂纹问题属于工程质量问题! 原因在，其一，裂纹是有关设计规范要求避免 出现的。其二，现行的施工验收规范中没有允许构件出现裂纹的条款。其三，没 有人愿意购买带有墙体裂纹的房子。从另外一个角度来看，裂纹问题也反映了建 筑业的技术水平问题。建筑结构和构件出现裂纹给结构造成一定的损伤，影响建 筑物的正常使用，有些裂纹则危及结构的安全，甚至造成建筑物的严重破坏和倒 塌。 第一章绪论 对于裂纹造成经济上的影响，对出现裂纹的建筑物结构构件进行翻修和修补 将会投入巨额费用。美国一些专家预计，光在国内每年修补和翻修现有基础设施 的费用以1 0 亿美元计。 可见，裂纹问题不仅是个有关社会安定的巨大社会问题，也是相关于工程灾 变行为与健康状态监测的技术问题。对出现的裂纹进行准确识别、定位，是进而 修正结构模型、进行灾变预防，准确评定结构物健康状态的基础。如果对裂纹不 能及时发现，或者发现后测量数据不够周全、不够准确，对数据的记录不够详细 有效，那根本就谈不上如何去解决问题。 但是国内目前的对于结构裂纹的检测方法，至今也没有数字化的检测和分析 专用设备。还是通过人眼目视或使用简单的的仪器如读数放大镜来进行估测。依 然停留在手工状态上。检测工作只是通过目测来对比裂缝和显微镜上的刻痕宽 度，人为判断其宽度，并且人工在纸上划出形状，不仅不科学，也不够准确。以 此数据而提出的检测报告在客观性、准确性和权威性方面也存在着相当的缺陷。 并且检测手段的原始使得检测工作劳动强度高，测量精度低。效率低下。并且， 电子化、数字化的测量数据结果对于当今重大工程整体结构安全健康状态的长期 自动监测是不可豁缺的。而这一点正是现在检测技术的瓶颈之一。 建筑业和建筑质量检测部门迫切需要客观、准确、快速的数字化建筑物裂纹 检测分析手段。本课题的提出。目标是研制成功一套便携式一体化全自动结构物 裂纹检测分析仪及数字化裂纹分析方法，只要把此仪器的测头放嚣在被测物体的 表面，就可以把裂纹的形状、走向、各区域最大宽度等相关信息信息化、数字化 的显示出来，并可以全自动的完成数字电子化的显示、记录和输出。对被测的裂 纹进行数字化建模后用计算机技术进行进一步分析，以准确判断工程结构构件的 损伤程度。减轻了检测工作的劳动强度，提高了测量效率、水平和精度，保证了 检测工作的客观性和权威性。技术进步将给建筑质量提高和检验监督工作水平的 带来相当的益处。 本项目的学术特点和创新之处在于，对于当今建筑领域急切需要研究解决的 结构构件裂纹问题，提出了测量数据数字化处理的新技术，并且研制一种可以准 确测量裂纹相关指标的便携式自动化仪器设备，并自主开发一套裂缝识别与分析 软件，为进行工程安全性监控研究的进行提供全面准确的监测数据，判断构件的 安全程度，预示危险构件和危险荷载，为网络系统化进行结构安全性的评估和重 第一章绪论 大事故的预警提供了保证。 1 2 本文的主要工作 本文在分析当前建筑行业存在的质量问题的背景前提下，考虑了一种针对 建筑物裂纹的的数字式的测量方法，本文所做的工作如下： 1 分析了建筑物裂纹的测量方法和意义，提出了数字式裂纹检测仪的整体 设计思路和方案。 2 c m o s 图象传感器及其应用实验。利用c m o s 图象传感器的特点，并 采用c p l d 技术设计内部逻辑功能，成功的完成基于c m o s 图象传感 器的图象采集实验。 3 数字式裂纹检测仪的硬件电路设计。充分的考虑整体方案，并在充分熟 悉高性能的d s p 等新器件的知识、了解其性能的基础上完成了以高性 能的d s p 为核心单元的裂纹检测仪的整体的硬件电路的设计。 4 数字式裂纹检测仪显示单元的研究与设计。液晶显示的输出方式可以实 现图象直观、方便的显示，利用液晶显示控制器完成液晶显示模块与 d s p 之间的连接与控制。 5 针对裂纹图缳的预处理算法的初步研究和实现。考虑建筑物裂纹图象的 具体的特点，在分析传统的图象处理算法的基础上。通过将对称指数滤 波器( i s e f ) 算法与边过程算法有机结合的方法，有效的提取裂纹的边缘， 实现了初步的效果。 通过本课题的研究，对当今极大困扰建筑技术人员的裂纹问题的监测、分析， 并对重大建筑物的健康状态进行准确评估和灾变预警的问题给出一个崭新的解 决方案，这项新技术的研究对提高整体建筑行业的技术水平，对于整个社会的进 步都将发挥重要作用。同时，该项技术的研究对于建筑质量的准确验收和在建 项目的跟踪监测及已建工程质量纠纷的准确技术鉴定都提供了一个便捷准确权 威的检测技术和手段，将对启动住宅消费、减少纠纷，保持社会安定发挥一定的 作用，办具有明显的社会效益前景。 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 基于c m o s 图象传感器的图象采集是整个系统的重要的组成部分，完成图 象采集的功能，对系统的设计有很重要的实际意义。c m o s 图像传感器是近几 年发展较快的新型图像传感器，由于采用了c m o s 技术，因此可以将像素列阵 与外围支持电路集成在同一芯片上。实际上，c m o s 图像传感器是一个较完整的 图像系统，通常包括：一个图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编 程功能和模数转换器。与c c d 相比，c c d 摄像芯片相比，c o m s 摄像芯片将图 像传感单元与扫描电路、全电视信号产生电路、信号放大电路、驱动电路、自动 曝光控制电路、a d 转换电路以及彩色平衡计算电路等集成在一块芯片上，采 用超大规模c mo s 集成电路制作，具有集成度高、功能强、体积小、成本低、 性能稳定等优点制。 2 1c m o s 图象传感器o v 8 6 1 0 原理 2 1 1 c o m s 图象传感器o v 8 6 1 0 的结构和特点 o v 8 6 1 0 是美国o m n i v i s i o n 公司的单片c m o s 摄像芯片，其图象矩阵为8 0 0 6 0 0 象素，象索尺寸6 2 6 2 u m ，输出数据格式为8 位和1 6 位的视频数据， 并完全符合c c i r 6 0 1 6 5 6 规范，0 v 8 6 1 0 把所有的摄像机的功能同图象传感器阵 列集成在同一芯片上，标准的摄像机功能包括自动增益控制( a g c ) ，自动曝光 控制( a e c ) ，自动白平衡( a w b ) ，伽玛校正，背景光补偿等，所有的彩色矩 阵处理功能也集成在芯片上。o v 8 6 1 0 的结构框图如图2 1 所示，由图中可以 看出，o v 8 6 1 0 图象传感器组成结构包括一个8 2 4 6 1 5 的象素阵列，模拟信号 产生器，两个1 0 位的a d 转换器，多路复用器，视频端口，s c c b 接口和控制 寄存器等。o v 8 6 1 0 同时还具有丰富的编程功能，其图象帧频，曝光时间，增益 控制等均可通过对芯片内部寄存器的读写来进行设置。o v 8 6 1 0 提供了一个1 2 c 总线的接口允许从外部来编程以实现其功能。1 2 c 总线是一种双向串行总线，它 只有两根信号线，可用于不同的i c 或硬件模块之间的通讯。两条线分别是串行 数据线s d a 和串行时钟线s c l ，当与设备相连时，每条线都要通过上拉电阻接 到电源上。1 2 c 总线具有控制简单，稳定可靠的特点。此处，图象传感器的s c c b 4 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 接1 ：2 就相当于1 2 c 总线接口，信号线s i o 1 为串行时钟线，s i o 0 为串行数据线。 o v 8 6 1 0 的典型工作频率为2 0 m h z ，工作电压为3 3 伏，低功耗。 v t d 图2 1o v 8 6 1 0 的结构框图 2 1 2 c o m s 图象传感器o v 8 6 1 0 的控制 o v 8 6 1 0 的数据输出方式有y u v 的方式输出和r g b 的方式输出，可以通过 编程以实现，而且都可以以8 位或者1 6 位的方式输出。由o v 8 6 1 0 提供帧同步 信号v s y n c ，行有效信号h r e f ，象素时钟信号p c l k ，行同步信号c h s y n c 等标准的视频时序信号。图象传感器能够以标准的v 4 ：2 ：2 格式输出数据，分 别由y 通道和u v 通道输出，输出的时序图如下图所示。 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 p c l k h r e f y p ：o 】 u v l 7 ：o 】 图2 21 6 位输出时序 上图中是象素时钟周期，当系统时钟为2 0 m h z 时，k = 5 0 n s ，r s 。是 h r e f 的建立时间，最大为1 5 n s ，矗。为h r e f 的保持时间，最大为1 5 n s 。 其中h r e f 为有效输出的尺寸，最大为8 2 4 个象素，默认为8 0 0 个象素，可 通过相应的寄存器进行设置。当h r e f 由低电平变为高电平后，o v 8 6 1 0 开始输 出有效数据，直到h r e f 变低，有效数据输出完毕。当h r e f 再一次由低电平 变为高电平的对候，开始下一行有效数据的输出。输出数据的频率p c l k 由外面 所提供的系统时钟所确定。 r e s e t 为o v 8 6 1 0 复位信号，复位信号可以由硬件产生，也可以由s c c b 接口通过软件设置，复位信号产生后，o v 8 6 1 0 将内部所有的控制寄存器恢复到 默认状态。p w d n 为o v 8 6 1 0 的休眠模式信号，可以硬件方式对p w d n 管脚设 置，同样也可以通过s c c b 接口对相应的寄存器进行设置。片上的s c c b 接口 提供了丰富的可编程能力，通过s c c b 接1 ：3 ，可以访问内部所有的控制寄存器， 可以使o v 8 6 1 0 按照不同的需要，进行具体的设置。 2 2 基于e p p 方式的图象采集方案 2 2 1 采集方案的设定 在分析c m o s 图象传感器的基础上，考虑了一种基于计算机e p p ( 增强型 并行接口) 的图象采集方案，来完成图象采集的实验。图象采集方案的大致工作 过程为：由o v 8 6 1 0 采集图象数据，可以以帧的方式，也可以以场的方式，将采 6 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 集来的图象数据放入缓存电路中，这里的缓存电路由2 片静态存储器s r a m 构 成，当写完一帧数据后，由相应的逻辑控制关系关断o v 8 6 1 0 与s r a m 之间的 通道，同时将计算机的e p p 口与s r a m 之间的通道打开，由e p p 接口的数据口 把s r a m 里存储的图象读到计算机中。整个过程的关键部分在于o v 8 6 1 0 与e p p 之间的通道选择问题，当o v 8 6 1 0 在往s r a m 里写数据时，计算机的e p p 口不 能读数据；当e p p 正在从s r a m 里读数据时，o v 8 6 1 0 不能往s r a m 里写数据。 整个过程的操作由计算机里的软件控制，通过e p p 接口完成对o v 8 6 1 0 的寄存 器设置以及并口的读写操作。整个系统的方案图如图2 3 所示。 坠 s r a m o ：v l 8 6 10 图2 3 采集方案框图 2 2 2 内部逻辑功能的c p l d 的实现 c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 设计方法是当今比较流行的一种电路设计方 法。通过对c p l d 器件的编程，可以方便的实现电路所需要的时序、组合等逻辑 电路。c p l d 器件由三个部分组成：可编程逻辑宏单元，可编程i o 单元，可编 程内部连线构成。可编程逻辑器件的使用简化了系统设计，缩小了系统规模提 高了系统的可靠性。本方案中采用的c p l d 器件是l a t t i c e 公司生产的m a c h 系列的c p l d ，它具有低电压，高速度等优点，尤其是其在线可编程的能力，可 以随时的对器件进行编程，极大的方便了调试和开发。在方案中，采用c p l d 主 要为了完成c m o s 摄像芯片与并1 3 之间的逻辑关系，由c m o s 摄像芯片过来的 数据作为输入信号输入到c p l d 中，包括数据信号和控制信号，同时并口的数据 端口和控制端口也和c p l d 器件相连，由c p l d 内部产生并口读数据是所需要 的象素时钟、行同步信号和帧同步信号等，还有一些相关的信号选择信号，用于 7 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 在并口与c m o s 之间进行选择。整个电路主要包括以下几个方面 1 地址产生电路的设计 在往s r a m 读写数据的时候，需要提供地址，所用的s r a m 是5 1 2 k 8 位 的，有1 9 条地址线，但是由于o v 8 6 1 0 和e p p 均没有产生地址信号，所以 需要在c p l d 内部逻辑设计的时候，设计一个地址产生电路。在c p l d 内 部构造了两个1 2 位的计数器，一个用来产生a 0 a 9 低1 0 位地址线，另一 个用来产生a 1 0 a 1 8 高9 位地址线，如下图所示： e n c l k l i n e f a 0 - a g e n l i n e f z o f c b u l 2 q o q e e n c l k c l r 图2 4 地址产生电路 第一个计数器的时钟信号为o v 8 6 1 0 和e p p 读写时钟选择之后的输出，即 同一时间只能产生一个方向的地址。清零信号为也是由写时行同步信号 h r e f 和读时行同步b k l i n e 信号选择之后反相输出。第一个计数器的清零 信号作为第二个计数器的时钟信号，产生高位地址。读或写的帧同步信号做 为第二个计数器的清零信号，表示新的一帧的开始。 2 数据选择电路的设计 两片s r a m 有1 6 位的数据端口，对应着o v 8 6 1 0 的1 6 位输出。将s r a m 的1 6 位数据口分为高8 位和低8 位，对应着并e l 的8 位数据端口。设计中 在c p l d 内构造了数据选择器，将并口的8 位数据端口和o v 8 6 1 0 的1 6 位 数据端口作为输入端，在控制信号o v b k 的控制下，选择合适的通道，即 当o v b k = 0 时，由o v 8 6 1 0 操作，当o v b k - - 1 时，由并口对s r a m 操作。 o v b k 信号由c p l d 产生。 3 控制信号的选择 对于o v 8 6 1 0 和并e 1 ，都各自有不同的控制信号，以控制读写的过程，在设 计中，要保证这些控制信号之间操作的正确顺序。对于并口，控制信号包括 并口读写时钟c l k ，并口读写的行同步信号b k l i n e ，并口读写的帧同步 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 信号b k z o f ，这些信号均由c p l d 内部产生。对于o v 8 6 1 0 ，控制信号包 括象素时钟o v c l k ，行同步信号o v l i n e ，帧同步信号o v z o f ，这些信 号均由o v 8 6 1 0 产生的相应信号直接输入c p l d 产生。如图2 - - 5 所示，在 o v b k 信号的选择下，同一时间，并口和c m o s 之间只有一组信号有效， 用来控制各自的操作，确定了外部存储的s r a m 在同一时间只有一个方向 的操作，从而保证了读写的正确性。 图2 - 5 控制信号逻辑图 l l n e f l i n e w d 2 3 基于e p p 方式的图象采集实验 图象采集实验完成了图象从c m o s 摄像芯片到计算机e p p 口的传输，采用 v c 编程进行调试，调试环境界面如下； 图2 6 图象采集实验的调试界面 眶 睢 呲 洲 洲 = = 第二章c m o s 图象传感器及其应用实验 调试环境可以很方便的对c m o s 进行设置，对地址进行读写，控制图象的 采集，存储图象数据，整个软件系统方便快捷，操作简便，经测试工作稳定。下 面是所采集的图象的示例： 通过改变c m o s 寄存器的设置，调节相应的参数，可以在不同的工作模式 下得到优化后的图象，改变图象的效果。 l o 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 本章在前面c m o s 图象传感器使用实验的基础之上，介绍了裂纹测量仪的 系统硬件设计及实现方案，以t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 高性能d s p 作为中央处理单元，设 计系统的各个功能模块，实现图象数据的采集，存储和输出。 3 1 系统组成 本课题以数字化的c m o s 摄像芯片为图象采集单元，以高性能的数字信号处 理器t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为中央处理单元，研制一台便携式数字化自动裂缝测量仪， 其外型如图一所示 图3 - 1 系统的外形图 通过光学镜头把裂纹图象成像到c c d c m o s 图象传感器上。d s p 取出图象 数据，进行处理和分析，求出裂纹的宽度、形状等各种特征。然后把裂纹图象和 裂纹参数显示在仪器的液晶显示屏上。通过数据传输口可以把分析仪的裂纹数据 和图象传输到笔记本电脑或其他计算机上 以d s p 为核心处理单元的硬件系统构成了裂纹仪的主要结构，系统采用了 当今比较流行的高性能的数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 和一些相应的外围芯片 组成，大致包括了图象采集模块，图象缓存模块，数据存储模块，系统自举模块， 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 数据输出模块和数据显示模块等相应的结构，大致结构如图3 - 2 所示 图3 - 2 硬件系统的功能框图 由图中可以看出，系统各部分的大致结构和所实现的方式： 1 用c o m s 摄像芯片作为图象数据的采集装置，直接输出数字化的数据。系统 采用的c o m s 摄像芯片是o v 9 6 2 0 ，与o v 8 6 1 0 相比，数据输出为单a d 通 道，输出为1 0 位的r g b 数据，分辨率比o v 8 6 1 0 高，达到1 2 8 0 1 0 2 4 ，其 他的结构与控制功能基本上与o v 8 6 1 0 相似，可以实现图象数据的数字化采 集。 2 采用f i f o 作为图象数据的输入缓冲器。f i f o 为先入先出存储器，为实现图 象数据读写速度的匹配，保证正确的写入和读出数据，需要在0 v 9 6 2 0 与d s p 之间有一个缓存电路，先将数据输入缓存中，然后再由d s p 从缓存中读取数 据，这里用f i f o 实现了这一功能。 3 采用8 位的f a l s hr o m 固化程序和实现自举。为了使系统能够脱机独立的 运行，必须使用r o m 固化程序。使用8 位的f l a s hr o m 来存储程序数据， 在系统启动的时候，d s p 能够将f l a s hr o m 中的程序数据通过d m a 的方 式搬移到指定的存储空间并加以运行，完成相应的功能，具体的工作方式可 以通过相关的寄存器和管脚加以设置。 4 采用s d r a m 实现图象数据和程序代码的存储。s d r a m 是同步动态存储器， 是通过同步时钟对控制接口的操作和安排片内隔行突发方式地址发生器来提 高存储器的性能，由d s p 提供其所需要的工作时钟。s d r a m 具有功耗低、 体积小、容量大、价格便宜等优点，t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 又提供了专门的s d r a m 的读写接口，便于了开发。s d r a m 的采用，实现了系统大容量的存储空间， 用以存储图象数据和程序代码。 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 5 采用串口方式与p c 通信，采用液晶方式直观输出。系统的输出有多种方式， 可以采用串口方式与计算机进行通讯，也可以采用液晶的输出方式直接输出。 为了以串口的方式与计算机通讯，需要串行通讯接口芯片进行电平转换，并 需要对d s p 的相关端口进行设置。在采用液晶方式输出数据时，通过液晶显 示控制器，可以完成d s p 与液晶显示模块的连接，实现图象数据的直观显示。 同时为了兼容目前比较流行的u s b 接口方式，系统还预留了u s b 接口的方 式用以和计算机进行通讯，充分利用u s b 的高速，快捷的特点，方便将来的 使用。 3 。2 辅助单元设计 1 光学成像系统 所采用的成像系统为透镜成像系统，图示为物体a b 经透镜成像a i b l 的光 路图。 刚 ，1 剥削 图3 - 3 成像系统的光路图 图中，u 为物距，v 为象距，f 为焦距，由透镜成像公式有关系如下： lll 一 _ - _ 7 , l 又由成像系统的放大率公式可以得到 。：丝：烈 a bu 在本系统中，物面上所要检测的范围大致为5 0 m m ，象面即为o v 9 6 2 0 的感 光单元，由参数可知其象面大小为6 6 6 m m x5 3 2 m m ，实际使用中，物面与象面 之间的距离大致为1 5 0 m m ，即“+ v = 1 5 0 r a m ，将上述已知条件代入成像公式和 放大率公式中可以得到： 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 兰：丝，可得v ：1 6 m m ，u ：1 3 4 r a m “5 0 r ：j 生。1 4 3 m m ，实际中取焦距为1 2 m m 或1 6 m m u + v 所以成像中当所采用的透镜的焦距为1 2 m m 时，物距大致取1 2 5 m m ，象距 大致取1 3 m m ；当所采用的透镜的焦距为1 6 m m 时，物距大致取1 6 6 m m ，象距 大致取1 8 m m ，可以达到比较好的效果。 2 照明系统 系统需要外部提供一个光源来照明，为了保证成像的质量，需要所提供的照 明系统照明均匀、柔和、显色好并有足够的光强度。这里我们采用发光二极管进 行照明，工作电压3 v ，光色白色，亮度很强，并和电位器相连，亮度可调，基 本上可以满足要求。 3 显示 系统的显示部分采用的是液晶显示的方式，液晶显示部分分为液晶显示模块 液晶控制模块，通过液晶控制模块，可以实现数据的输出到液晶的控制。设计中 采用的是液晶显示控制模块是s e d l 3 3 5 ，其特点和高性能在实际中得到了应用， 具体的显示部分的应用在后面第四章中有详细的介绍。 4 交互控制 实际设计中，必须考虑到交互控制的部分，能够完成对相关部分的人机交互 控制。系统中采用了一个锁存器实现对外部系列按键信号的锬存，针对每个信 号的值完成相应的功能，大致结构如下图所示 a 0b 0 a 1 b 1 a 2b 2 a 3b 3 a 4b 4 a 5b 5 a 6b 6 a 7b 7 e e d o e d l e d 2 e d 3 e d 4 e d 5 e d 6 e d 7 图3 - 4 交互控制接口示意图 图中可以看出，被锁存的信号包括背光控制( l c d b g ) ，液晶测试( l c d t s ) ， 上( u p ) ，下( d o w n ) ，左( l e f t ) ，右( r i g h t ) ，放大( z o o m i n ) 和缩小 4 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 ( z o o m o u t ) 等，锁存后的信号直接连在了d s p 的低八位的数据端口。由外 部按键所输入的信号被锁存器锁存，由d s p 通过低8 位数据端口读取相应的信 号，从而采取相应的控制，通过这种方式，可以实现系统的交互控制。 3 3t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的基本特点 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 是世界上第一个采用先进v e l o c i t l t m 的超长指令字结构的 d s p 芯片，它将v l i w 结构和高并行性结合起来，通过增加指令级的并行性使 其性能有了较大的飞跃。片内的锁相环路( p l l ) 将5 0 m h z 的外部输入时钟4 倍频， 使c 6 2 0 1 的最高工作时钟达到2 0 0 m h z ，指令周期仅为5 n s 。片内有8 个可以完 全并行运算的功能模块，单周期最多可执行8 条3 2 位指令，最大处理能力可以 达到1 6 0 0 m i p s ，即每秒1 6 亿次定点运算是当前市场上功能强大的定点数字信 号处理器。 3 3 1t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的体系结构 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 处理器由三个主要部分组成：c p u 内核。外设和存储器。c p u 中8 个功能单元可以并行操作，这些功能单元被分成类似的两套，每套由4 个基 本功能单元组成。c p u 有两组寄存器，每组寄存器由1 6 个3 2 位寄存器组成。 由于在运行期间不作硬件数据相关性的检查，所以程序的并行性在编译的时候就 被确定。片内程序存储器的总线宽度为2 5 6 b i t 。使每个周期可以取8 条3 2 位指 令。 图3 - - 5 是t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的结构框图，芯片包括片内程序存储器和数据存 储器。外设包括直接存储器访问( d m a ) 、低功耗逻辑、外部存储器接口( e m i f ) 、 串口、主机口和定时器等。图中阴影部分为c p u ，包括： ( 1 ) 程序取指单元 ( 2 ) 指令分配单元 ( 3 ) 指令译码单元 ( 4 ) 3 2 个3 2 位寄存器 ( 5 ) 两个数据通路，每个数据通路有四个功能单元 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 ( 6 ) 控制寄存器 ( 7 ) 控制逻辑 ( 8 ) 测试、仿真和中断逻辑 图3 - 5t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 结构框图 c p u 有两个可进行数据处理的数据通路a 和b ，每个通路有四个功能单元 ( l ，s ，m 和d ) 和一个包括1 6 个3 2 位寄存器的寄存器组。功能单元执行逻 辑、位移、乘法、加法和数据寻址等操作。除取指令和存指令之外的所以指令均 对寄存器产生影响。两个数据寻址单元( d 1 和d 2 ) 专门负责寄存器组与存储 器之间的数据传递。每个数据通路的4 个功能单元有单一的数据总线连接的c p u 的另一侧的寄存器上，以便两侧的寄存器组可以交换数据。 3 3 2 存储器 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 总的存储地址范围为4 g 字节，有两种存储器映射方式m a p 0 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 和m a p l 。m a p 0 方式下片外存储器地址位于首地址为0 的存储空间，而m a p l 方式下片内程序存储器位于首地址为0 的存储空间。映射方式通过 b o o t m o d e 4 ：0 管脚设置。 3 3 3 片内集成外设 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 在内部集成了许多外围设备，以便于控制和片外的存储器、 协处理器、主机以及串行设备的通讯 1 外存储器接口e m l f 当片内的r a m 容量不能满足系统的程序数据空间要求时用户必须在片外 进行存储器扩展，这就需要利用外存储器接口( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ， e m i f ) 。实际上，d s p 内部各个模块与片外的存储器通讯时，都必须通过e m i f 的控制。e m i f 支持的存储器包括： 同步突发静态r a m ( s b s r a m ) 同步动态r a m ( s d r a m ) 异步器件( 包括异步s r a m ，r o m 和f i f o 等，e m i f 为它们提供了高 度可编程的接口时序，以满足不同的要求) 外部共享存储空间的器件 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的e m i f 对这些空间提供了无缝接口( g l u e l e s si n t e r f a c e ) ，便 于开发。e m i f 整个外部空间最大容量为6 4 m b ，分为4 个空间c e 0 - - - c e 3 ，每个 c e 空间彼此独立，可以进行不同的访问控制；数据总线宽度为3 2 b i t ，同时也提 供对8 位1 6 位存储器的读写支持；既提供了同步存储器的高吞吐率接口，也支 持低速r a m 的存取接口：在控制信号上，对于s d r a m ，s b s r a m ，和异步存 储器件分别提供一套控制信号。 2 d m a 控制器 直接存储器访问( d m a ) 可以在存储空间的不同区域之间转移数据，这种 存取访问无需c p u 的介入，由d m a 控制器完成所有的控制。t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的 d m a 有四个彼此独立的通道，可以进行不同的访问控制，另外还有一个辅助通 道专门用于完成主机口( h p i ) 的存取请求，d m a 的主要特点有： d m a 控制器独立于c p u 工作，具有单周期的数据吞吐率。 第三章数字式裂纹测量仪系统的方案设计 四个通道，外加专用的辅助通道，每一个通道对于c p u 的优先级可设置。 3 2 位寻址能力，可以对存储器映射空间的任何一个区域进行访问。 传送数据支持8 位1 6 位3 2 位字长。 具有灵活的地址产生方式，支持多帧传输方式，有单通道分割操作模式。 每次数据传输完毕岳，可以进行d m a 通道韵自动初始化。 传输操作可以由选择的同步事件触发。 每一个通道都可以向c p u 发出中断反馈。 3 主机口h p i 主枫口h p i ( h o s t - p o r ti n t e r f a c e ) 是个1 6 位宽的并行接口，外部的主机可 以通过h p i 直接访问c p u 的存储空间，包括映射的外围设备。外部的主机是该 接口的主控者。h p i 存取的接曰是由一套寄存器来实现。h p i 控制寄存器h p i c ( h p ic o n t r o lr e g i s t e r ) 完成对接口的设置，主机和c p u 都可以访问h p i c ；外 部主机进一步通过主机地址寄存器i - i p i a ( h o s ta d d r e s sr e g i s t e r ) 和主机数据寄 存器h p i d ( h o s td a t ar e g i s t e r ) 来完成对c p u 存储空间的访问。主机对这些寄 存器的访问是通过外部的控制信号实现的。h p i 提供了非常灵活的外部控制信 号，充分考虑了不同类型处理器的接口需要，因此具有很强的接口能力。当前比 较流行的处理器，包括m o t o r a l a 的m c 6 8 0 0 0 系列，p o w e r p c 系列，以及i n t e l 的i 9 6 0 系列，都可以作为主机，实现与t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的h p i 接口。 4 自举逻辑控制 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 提供了一系列的外部管脚，完成芯片的状态设置。这些设置 项称为自举设置项( b o o t c o n f i g r a f i o n ) ，决定的是芯片在复位后执行的初始化操 作的内容，包括： 选择器件的存储映射方式，决定片内片外存储器映射在地址0 。 地址0 处的外部存储器的类型。 在c p u 开始正常运行之前，对地址0 开始的存储空间的初始化步骤： 口没有自举过程：c p u 直