（精密仪器及机械专业论文）基于ARM和CPLD的数字图像采集系统设计.pdf

中文摘要 应用于船舶部件大尺寸几何量测量的视觉检测系统对实时性和稳定性都提 出了更高要求，数据处理量和带宽要求也逐渐增大。本文针对这种应用，在以前 视觉检测系统的基础上，设计了基于a r m 和c p l d 的数字图像采集系统以构成分 布式数字图像检测系统。 该采集系统使用c m o s 数字图像传感器采集被测图像数据，并由c p l d 控制数 据存入静态r a m 中。在采集完被测图像后，数据由c p l d 控制读入a r m 7 芯片中， 并按照h 2 6 4 标准中的算法对图像数据进行分割、预测和压缩，并通过串行总线 传输入p c 中进行进一步处理。整个系统由运行于a r m 7 芯片中的u c o s i i 操作 系统统一管理。 基于a r m 和c p l d 的图像数据采集、存储、处理和传输是本文的重点。本文 完成了硬件电路的设计、制作和相关软件的开发；本文还完成了u c o s i i 操作 系统的移植和用户程序的开发；此外，还完成了对图像数据的处理、压缩和传输。 最后，对图像数据的压缩进行了实验，表明了可行性，但精度有待进一步提高。 关键词：a r m ；c p l d ；c m o s ；u c o s i i a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fg e o m e t r i cp a m a m e t e r so fw a t e r c r a f t s c o m p o n e n t sb r i n g s f o r w a r dr e q u i r e m e n t so fs t a b i l i t ya n dr e a l - t i m ef e a t u r e so fv i s u a lm e a s u r e m e n t s y s t e m , w h i l et h ed a t aa m o u n ti nt h ep r o c e s s i n ga n dt h eb a n d w i d t h - r e q u i r e m e n ti s g r a d u a l l yg r o w i n g i nc o n c e r nw i 也t h i st r e n d , t oi m p r o v et h eo l ds y s t e m , an e w d i # t a li m a g ec o l l e c t i n gs y s t e mb a s e d0 1 1a r ma n dc p l di sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t of o r maw h o l ev i s u a lm e a s u r e m e n ts y s t e m t h i ss y s t e mm a k e su s eo fc m o sd i 酉t a li m a g es e n s o rt oc o l l e c td i g i t a li m a g e d a t a sa n ds t o r et h e mi n t ot h es r a mt h r o u g h tt h em a n a g e m e n to fc p l d a f t e r c o m p l e t i n gc o l l e c t i o no ft h ei m a g ed a t a s ，t h ea r mc h i pr e a d si nt h ed a t a st h r o u g h t t h ec p l da n dd i v i d e s ，p r e d i c t sa n dc o m p r e s s e st h ei m a g ed a t a s t h e na r mt r a n s m i t s t h ed a t a st op ct h r o u g ht h es e r i a ld a t ab u st oc o m p l e t ea d v a n c e dp r o c e s s t h ew h o l e s y s t e mi sm a n a g e db yt h eu c o s i ir e a l - t i m eo s t h ec o l l e c t i o n ，s t o r a t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o no ft h ei m a g ed a t a sa r et h e k e yp o i n t si nt h i st h e s i s h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dr e l e v a n ts o f t w a r ep r o g r a m m i n g a r ea c c o m p l i s h e d ；t h et r a n s p l a n t a t i o no fu c o s - i ia n du s e r - p r o g r a m sd e v e l o p m e n t s a r ei n c l u d e d ；b e s i d e s ，t h ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o no ft h ei m a g ed a t a sa r ea l s o a c c o m p l i s h e di nt h i st h e s i s t h ee x p e r i m e n to fc o m p r e s s i n gt h ei m a g ed a t a si n d i c a t e s t h ef e a s i b i l i t yo fw h o l es y s t e m m e a n w h i l e ，t h ep r e c i s i o ni ss t i l ln e e d e dt ob e i m p r o v e d k e yw o r d s ：a r m ，c p l d ，c m o s ，u c o s - i i 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表 或撰写过白勺- 研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 。 学位论文作者签名：撇 签字日期： z 0 0 7 年 7 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可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。同意学校 向国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：1 泰扣舔幻 导师签名： 厶， 讯亨饭 签字日期：7 年7 月f ) 日签字日期：舻7 年7 月弦日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 检测技术是现代制造业的基础技术之一，是保证产品质量的关键。近几十年 来，由于制造业在新材料、新工艺、新设备等方面取得了巨大进步，许多传统检 测技术已经不能满足现代制造业的需要。其表现在：现代制造业产品繁多，许多 新型产品没有相应的检测方法；现代制造强调实时、在线、非接触检测，以更高 效的控制生产过程，并提高生产效率和产品的合格率，这是许多传统检测手段无 法提供的；现代产品的制造精度要求大大提高，需要相应的高精度检测方法；现 代产品的体积复杂度提高，需要处理的数据量也大大提高，需要在检测系统中融 入图像压缩算法以提高数据的处理和传输效率。 视觉检测技术作为重点研究物体的几何尺寸及物体在空间位姿的三维测量 技术，凭借其具有非接触、快速、精度高、现场抗干扰能力强、可以快速获取大 量信息自动进行数据处理以及易于同设计信息及加工信息集成等突出特点，伴随 着现代自动化生产应运而生。 视觉检测可以提高生产的柔性和自动化程度。在一些不合适人工作业的危险 环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用计算机视觉来代替；在大批量工业生 产过程中，采用视觉检测系统检查产品质量可以大大提高生产效率和自动化程 度。另外计算机视觉系统便于信息集成，是实现现代工业自动化的基础技术。 视觉检测系统在汽车零件尺寸测量、模具测量、机器人视觉引导、微电子器 件检测、大型工件三维尺寸检测等领域都有重要的应用价值。如天津大学精密测 试技术及仪器国家重点实验室已经成功研制出了汽车车身视觉检测系统。 此外，随着海洋资源开发力度的不断增大，船舶制造业也取得了飞速的发展， 对船舶部件零件的大尺寸几何量的测量也将成为视觉检测技术应用的热点。本文 系统即应用于船舶部件的大尺寸几何量测量，并且可以作为通用测量平台加以使 用。 今后，随着测量点数量的增加以及测量区域的不断扩大，视觉检测系统将势 必与现在的i n t e r a e t 技术相结合，逐渐发展成分布式测控网络系统。 1 2 计算机视觉检测概述 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 计算机视觉检测系统 本文设计的应用于船舶部件大尺寸几何量测量的数字图像检测系统应用了 计算机视觉检测的原理。 计算机视觉就是利用各种成像系统代替入的视觉器官作为输入手段，由计算 机代替人脑完成处理和解释。它是计算机科学和人工智能研究领域的重要分支。 视觉检测理论来源于计算机视觉，是计算机视觉技术在外形尺寸检测方面的应 用。视觉检测的任务是对已加工件或装配工件的几何尺寸进行测量以评价其与相 应预置标准量的相符程度，所以它不仅要求能够定量的确定景物中物体的空间性 质，更重要的是精确描述被测景物的三维尺寸坐标。 目前计算机视觉检测系统主要由三部分组成：图像的采集、图像的处理、图 像的输出显示。视觉检测系统 组成如图卜1 所示。 视觉检测系统一般包括： 光源、光学系统、c c d c m o s 相机、图像采集卡、图像处理 单元、机器视觉处理软件、监 视器、通讯单元等。图像的采 摄 数 帧 计算机 像 字 存 机 化 体 显示器 图1 - 1视觉检测系统组成框图 集包括光源、摄像机等部分。c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机是现在最常 用的视觉传感器。模拟c c d 相机输出的图像信号可以以p a l 制式视频信号输入标 准电视显示器直接显示或者用图像采集卡将其转化为数字信号进行其它处理。图 像的处理包括软件处理和硬件处理两部分，一般分为图像存储和图像处理两个单 元。计算机是整个视觉检测系统的核心，它除了协调、控制系统各个单元的正常 工作外，还承担着视觉检测系统最后结果的运算和输出显示任务。计算机对获取 的图像数据进行数字图像处理，得到所需要的各种目标图像特征值，并在此基础 上实现模式识别、坐标计算、灰度分布图等操作。输出设备包括监视界面、过程 控制器和报警装置等。计算机视觉检测系统能够根据其检测结果快速的显示图 像、输出数据、发布指令从而完成自动化流程。与人工视觉相比，计算机视觉的 最大优点是精确、快速、可靠以及信息数字化。 随着图像传感器芯片技术的不断成熟和完善，视觉检测系统也产生了较大的 技术革新。目前视觉检测系统存在以下几种常用的构建模式：( 1 ) 典型的视觉检 测系统，应用的是c c d 模拟摄像机，输出模拟图像信号；( 2 ) 数字化视觉检测系 统，将数字摄像机直接或者间接通过网络与计算机相连，进行数据通信，包括 c c d 数字摄像机模式和c m o s 数字摄像机模式两种。 1 2 2 计算机视觉检测系统常用设计方案 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 一) c c d 模拟摄像机加视频转换卡模式 典型的视觉检测系统都是由c c d 模拟摄像机产生p a l 或n t s c 制式的信 号，经过图像采集卡将模拟信号转变成计算机能够识别的数字信号，然后由计算 机对数字图像信号进行解压缩，图像增强，去噪，图像匹配等处理，最后送到显 示器显示或者进行其他处理。其系统原理图如图1 2 所示。 图l ，2 模拟c c d 摄像机模式原理图 从系统原理图我们不难看出，典型的视觉检测方法存在一些技术瓶颈。突出 的缺点是：( 1 ) 视频线较多。从摄像机出来的模拟信号传到图像采集卡需要专用的 视频线，成本较高。如果是多节点，在传输距离较长的情况下，布线困难。( 2 ) 前 期传输的是模拟信号，在现场抗电磁干扰能力较差。( 3 ) 模拟图像信号转变成数字 图像信号后未经过预处理而直接由计算机进行高级处理。在多节点的情况下，庞 大的数据加大了计算机的负担，影响了检测系统的实时性。 ( - - ) c c d 数字摄像机模式 如图1 - 3 所示，c c d 数字摄像机模式就是用c c d 数字摄像机取代了以往的 模拟摄像机，这样就不再需要视频转换卡，而直接输出数字图像信号。这种模式 的视觉检测系统最大的问题在于现在专用的c c d 数字摄像机价格都很昂贵。如： 大恒公司的b a s l e r 数字摄像机，a 6 0 0 系列，黑白，输出为8 位数字信号，采 用的是专用的传输总线i e e e l 3 9 4 ( f i r ew h ) 。d h h v 系列，黑白，u s b 2 0 接口， 最高输出速度为1 0 3 0 帧秒。它们的价格都在上万元一台。同时数字摄像机输出 的是未经数字图像处理的数据，且不便于同低级图像处理模块进行集成。数据信 号传输需要专用的数据线，用于多节点系统成本较高。 c c d 数字 园删i - 计算机 摄像机 图1 3 数字c c d 摄像机模式原理图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 三) c m o s 数字摄像机模式 c m o s 数字摄像机模式的原理与c c d 数字摄像机模式基本相同，都是将数 字摄像机与计算机直接或通过网络相连。c m o s 数字摄像机实际上就是以c m o s 数字图像传感器为光电转换器件的相机。c m o s 数字图像传感器是新推出来的一 种图像传感芯片，将其用于视觉检测实际上就是用它进行数字化图像采集，改进 传统的视觉检测模式。c m o s 数字图像传感器能够达到3 0 帧秒的传输速度，输 出数字图像信号，可以直接与低级处理模块连接，构成更加智能的摄像机。运用 此模式进行检测系统设计具有很大的灵活性，设计者可以自主选择和设计摄像机 的图像采集单元、预处理单元和通讯传输单元。 综合分析这几种视觉检测系统，不难发现区别主要在于图像的采集以及图像 传输的方式和方法不同。视觉检测系统在图像采集环节主要分为数字和模拟两大 类。 基于c m o s 数字摄像机的种种优点，本文选用了c m o s 数字摄像机作为应 用于船舶部件大尺寸几何量测量的数字图像采集系统的图像采集单元，以提高系 统性能并降低开发难度。 1 3 船舶部件测量现状 中国的船舶制造产量已经连续l o 年位居世界第三，但低水平重复建设严重， 制造水平却一直未能取得明显的突破，究其根本原因，就是在船舶部件的测量方 面无法保证足够的精度，导致各部件在船舶整体组装线上无法实现一次性焊接成 功率，即在组装过程中需要不断调整各部件的几何量，如最基本的长度、角度等。 在组装线上发现的几何量偏差往往需要在线调整、切割，大大降低了生产线的效 率。 在国内，船舶部件在生产过程中通常采用手工方法测量。由于船舶部件尺寸 较大，人工测量精度差，效率低。这就亟需一种实时、高速、高精度测量系统， 以实现对船舶部件大尺寸几何量的测量。 本文设计的数字图像采集系统为分布式计算机视觉检测系统的前端子系统， 用于采集、预处理和传输被采集的数字图像数据，应用于船舶部件大尺寸几何量 的测量中，以实现代替对部件大尺寸几何量的手工测量，提高船舶整体组装的一 次性焊接成功率，提高生产线效率。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文意义及主要工作 先进的视觉检测系统需要具有先进的检测方式，高效的处理手段以及快速的 传输速率。受到网络技术的i 发展，当前被检测对象的多样性以及检测环境的复杂 性的影响，先进的视觉检测系统开始向多节点的分布式、网络化检测系统发展。 而本文设计的应用于船舶部件大尺寸几何量测量的通用视觉检测系统即采用了 分布式的设计( 具体内容见第二章) 。 在分布式视觉检测系统中，除了需要运用先进的光学检测原理和图像处理软 件以外，还需要高级智能的数字图像采集系统。它是计算机视觉检测系统的前端 子系统，是计算机视觉系统的重要组成部分。 以前对数字图像采集系统的研究主要有两个方向：( 1 ) 偏向于数字图像处理， 也就是在把数据交给计算机处理之前就由d s p + f p g a 硬件电路模块对数据进行 一些预处理，这样就可以大大减少需要传输的数据，从而加快了系统的传输速率， 提高了上位机的工作效率。但在图像采集方式上还是没有摆脱c c d 模拟摄像机 加图像采集卡的模式，而在这种图像采集模式中摄像机输出的是模拟信号，需要 专用的a d 转换器，系统体积较大，而模拟信号在现场也容易受到电磁干扰。( 2 ) 偏向于数据采集，也就是在系统内部不对图像进行任何预处理，而只负责图像的 采集和传输，图像处理全部由上位机进行，以提高采集系统工作速度，但上位机 的工作负担较重；而且由于被测量位船舶部件大尺寸几何量，数据量较大，对数 据总线带宽要求也较高。 本课题就是试图在以上两种研究方向上取得一个平衡。根据分布式视觉检测 系统组成的要求，在以前研究工作的基础上进一步改进视觉检测系统中数字图像 采集系统，使图像采集、处理、传输各单元能够更好的相互配合工作；并且首次 在系统中引入a r m 芯片和运行其上的u c o s i i 嵌入式实时操作系统对整个系统 加以管理和控制，以增强系统对实时性的要求；并利用a r m 芯片较强的运算能 力对被采集图像进行预测并压缩数据。由此，组成了一个高级智能的数字图像采 集系统，从而为构建一个庞大的、先进的分布式计算机视觉检测系统服务。 本文的工作重点在于：( 1 ) 图像的采集与传输：在设计时尝试抛弃传统的 c c d 模拟摄像机加视频图像采集卡的方案，而选择具有更大灵活性的c m o s 数 字摄像机模式。c m o s 数字图像传感器能直接输出数字图像信号和数据同步参考 信号，从而方便了数字图像的低级处理和系统集成。( 2 ) c p l d 接口软件设计， 使其更高效的完成数据存储读取的调配作用( 3 ) u c o s 系统的移植和软件设 计：使用u c o s 1 i 嵌入式实时操作系统有利于整个系统运行的稳定，并保证系 统的实时性以及出现故障时能够快速便捷的进行修正。( 4 ) 在a r m 芯片中，对 被采集图像按照h 2 6 4 标准进行分割、预测和压缩，以减小数据量，提高系统工 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 作效率。 整个系统全数字化设计，具有较强的抗干扰性，有利于数据在现场的传输； 由实时操作系统管理，实时性强。同时，本设计运用的硬件及操作系统皆为运用 极为广泛的成熟产品，保证了系统较强的移植性和延续性。 本文主要完成以下几方面内容： 1 、根据服务与船舶部件大尺寸几何量的视觉检测系统实际需要，在以前视 觉检测系统的基础上，设计了分布式数字化视觉检测系统方案。 2 、根据视觉检测系统采集子系统的功能要求以及数字图像检测系统的工 作原理，设计了本摄像机系统的组成结构和工作原理。重点对摄像机系 统的图像采集、图像存储、图像传输单元进行了硬件电路设计，根据各 部分功能的要求选择了相应的硬件芯片。 3 、完成u c o s i i 嵌入式实时操作系统在所选a r m 芯片上的移植。 4 、根据摄像机系统的硬件功能，设计了系统软件：( 1 ) 根据a r m 芯片的 控制、数据处理及上传功能设计了a r m 芯片在u c o s i i 下的工作程序。 ( 2 ) 按照c p l d 的存储器接口管理功能，设计了c p l d 存储器接口管 理模块电路，并进行了相关的功能验证，达到了预期效果。 5 、设计了系统实验板，对系统的相关功能进行了实验。并采集到了二进制 图像数据，证明了系统方案的可行性。 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 第二章系统总体设计及基本原理 2 1 视觉检测系统设计 应用于船舶部件大尺寸几何量测量的分布式视觉检测系统主要由数字图像 采集系统，系统任务机和传输网络组成。由于受测量区域的限制数字图像采集 系统和系统任务机之间往往有较远的距离因而需要通信接口和数据传输具有较 强的抗干扰能力。为了适应现场检测的需要，我们将检测系统设计为全数字化工 作方式。把具有图像采集、存储、预处理和传输单元的系统作为数字图像采集系 统，以使整个视觉检测系统具有智能采集、预处理与传输的功能。系统任务机和 远程监控端则通过工业以太网进行远程通信，从而组成分布式数字化视觉检测系 统。系统组成如图2 1 所示。 卜鲫 r 占 图2 - i 船舶部件大尺寸几何量视觉测量系统 本文的工作是对应用于船舶部件大尺寸几何量测量的分布式数字化视觉检 测系统的采集系统进行设计，重点是对采集系统的图像采集、存储、预处理与传 输单元进行设计以实现构成数字图像采集系统的目的。数字图像采集系统是一 种高度集成化的微小计算机视觉系统。它将图像采集、预处理、和通信功能集成 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 与单一的相机内，具有较高的智能化程度，可以满足多种视觉检测的需要。 数字图像采集系统一般由图像采集单元、图像存储单元、图像处理单元( 包 括图像处理软件) 、网络通信接口等构成【5 1 。在数字图像采集系统中，图像采集 单元相当于普通意义上的相机和图像采集卡。它将光学图像转换为模拟或者数字 图像，并输出至图像处理单元。图像处理单元类似于图像采集处理卡，它可以 对图像采集单元传来的图像数据进行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进 行图像处理，如几何边缘的提取，二值化处理等。网络通信接口实现控制信息的 传递、图像数据的通信等任务。 2 2 数字图像采集系统设计 根据数字图像采集系统的工作原理，结合以前的研究成果，本采集系统设计 包括了图像采集、图像存储、图像处理与图像传输四个部分。对比c c d 与c m o s 图像传感器的各自优缺点，系统选择c m o s 数字图像传感器来构建摄像机系统 的数字化采集单元；利用a r m 芯片对被采集图像进行预处理( 预测、压缩) ； 利用r s 2 3 2 总线作为摄像机系统与任务机进行图像数据传输的接口。从而实现 了摄像机系统的数字化采集、处理与传输。整个系统由u c o s 实时操作系统 统一控制管理，大大提高了系统的实时性、稳定性和易维护性。系统结构如图 2 2 所示。 ；u c o s i i 实时操作系统； ， 图2 2 摄像机系统原理框图 - 8 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 系统选用o m n i v i s i o n 公司的c m o s 数字图像传感器o v 9 6 5 3 作为摄像机系 统的图像采集元件；选用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4a r m 7 t d m i s 芯片作为主控芯 片运行u c o s i i 实时操作系统并进行图像预处理：选用x i l i n x 公司的x c 9 5 0 0 系列c p l p x c 9 5 2 8 8 x l 作为图像存储接1 2 1 转换控制芯片：选用c y p r e s s 公司 的5 1 2 k 字节容量的静态存储器c y 7 c 1 0 4 9 b v 3 3 作为图像数据存储器；选用 m a x i m 公司的m a x 2 3 2 接口芯片作为系统通讯接口，从而构成了一个完整的 摄像机数字化图像采集和传输硬件系统。摄像机系统原理框图如图2 2 所示。 本文着重对数字图像采集系统的图像采集单元、图像存储单元、图像处理单 元、图像传输单元进行了功能设计。系统将c m o s 数字图像传感器o v 9 6 5 3 作为 图像采集单元。系统上电，在u c o s u 操作系统的控制下，o v 9 6 5 3 首先通过 l p c 2 2 1 4 的控制采集图像数据，紧接着输出二进制数字图像数据。输出的数据通 过x c 9 5 2 8 8 x l 的存储管理接口电路被存入r a mc y 7 c 1 0 4 9 中。当r a m c y 7 c 1 0 4 9 存完一帧数据以后，c p l dx c 9 5 2 8 8 x l 将向l p c 2 2 1 4 发出中断信号， 以启动图像数据的处理和上传。c p l d 和r a m 构成了图像存储单元。系统将 l p c 2 2 1 4a r m 7 t d m i s 芯片作为摄像机系统的控制器，并进行简单的图像低级 算法处理，是系统的主控和图像处理单元；l p c 2 2 1 4 通过m a x 2 3 2 接口芯片与 主机进行通信，从而构成系统的图像传输单元。当l p c 2 2 1 4 接受到c p l d x c 9 5 2 8 8 x l 发出的中断后，在适当的时机发出读数据信号。r a m c y 7 c 1 0 4 9 b v 3 3 中的图像数据随后被读入l p c 2 2 1 4 中进行低级算法处理，被处 理后的数据随后传入u s a r t 发送缓冲器，通过m a x 2 3 2 接口芯片的驱动中转【4 】， 传入计算机。 摄像机系统的图像采集单元、图像存储单元、图像处理单元和图像传输单元 通过c p l d 的接口管理控制自动进行数据通道的切换和数据交换，从而实现系统 智能控制功能。 2 3 摄像机硬件系统基本原理 2 3 1c m o s 数字图像传感器基本原理 c m o s 数字摄像机是由c m o s 数字图像传感器芯片、芯片外围电路和光学 镜头组成的。在通常情况下，图像传感器芯片的性能就决定了摄像机的性能。 典型的c m o s 图像传感器芯片是由像素感光阵列及辅助电路构成，其结构 如图2 - 3 所示。其中像素感光阵列主要完成光电转换功能，实现图像的采集，是 芯片的核心组成部分。辅助电路主要完成驱动信号的产生、光电信号的处理和信 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 号输出等任务，是芯片实现各种功能的关键电路。 图2 3c m o s 图像传感器芯片结构 像素感光阵列是由光电二极管和m o s 场效应管阵列构成的集成电路。在实 际工作中，c m o s 图像传感器首先在行选择译码器的控制下依次接通被选中行的 像素模拟开关，图像信号通过行开关传送到列线上，再通过列选择译码器的控制 传送到放大器。经过处理的模拟信号最后由a d 转换器进行模数转换，再经预处 理电路处理后通过接口电路输出r 7 1 。 c m o s 图像传感器主要性能指标有：分辨率，光谱性能和量子效率，填充因 子，噪声等。分辨率和噪声关系着成像质量。填充因子决定了感光阵列的利用率。 光谱性能和量子效率则反映了芯片的光电转换效率。c m o s 图像传感器和c c d 图像传感器的性能区别主要表现在以下几方面： ( 一) 图像传输过程。c m o s 图像传感器与c c d 采用了相同的光敏材料， 光电转换的原理也相同，都是应用光电效应。但是二者结构的不同决定了信号读 取过程的不同：c c d 以电荷包的形式进行存储及转移，其信号的读取需要多路 外部驱动脉冲及电源的支持，系统电路相对复杂。c m o s 图像传感器经光电转换 后由像元直接产生电流( 电压) 信号，采用行列查询的方式，行信号低速并行采 样，列信号多路转换则在阵列底部完成。以类似于d r a m 的方式读出信号。工 作时仅需要单一的工作电压供电。 c m o s 这种结构又提供了随机进入 像元，任意截取图像的能力。同时直 接从像元上读取信号又避免了类似 c c d 中大量电荷需要转移很长距离 的情况。c c d 传感器结构图分别如图 2 4 所示。 ( 二) 图像质量。c c d 与c m o s 在结构上的不同，使得它们的读出噪 慢 速 并 镗 电 荷 转 移 _ _ p 赢速电简转移 图2 - 4c c d 传感器结构图 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 声有很大的差别。由于c m o s 图像传感器集成度高，噪声干扰较重，对图像质 量的影响较大。c c d 由于采用了埋沟技术等先进手段，成像质量相对较高。但 是近年来随着微电子技术的快速发展，c m o s 生产工艺有了很大的改进，一定程 度上克服了c m o s 图像传感器噪声大，图像质量不好的缺陷。 ( 三) 芯片集成性。c m o s 图像传感器可以将光敏元阵列、信号读取电路、 a d 转换电路、图像信号处理电路及控制器等集成到一块芯片上，易于实现单芯 片的成像系统，从而大大的减小了系统的体积，有利于系统的集成。而c c d 由 于和c m o s 工艺不兼容，从而难以将时序发生器、驱动电路以及信号处理电路 集成在同一芯片上，这些功能只能由3 至8 个芯片组合实现，使系统的体积和重 量增大，不利于系统的集成化、微型化。 ( 四) 芯片的功耗大小。c m o s 图像传感器将许多外围电路都集成在一片硅 片上，整个系统只需要一路电源( 3 至5 v ) 供电，其功耗仅为c c d 的1 1 1 0 。而 c c d 由于需要3 路以上电源来满足特殊时钟驱动，并且使用大电压驱动完成竖 直和水平电荷转移，其功耗相对较大。 2 3 2l p c 2 2 1 4a r m 7 t d m i s 微处理器简介 l p c 2 2 1 4 是一款基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s ，并支持实时仿真和跟踪的c p u ， 并带有1 2 8 2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接 口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严 格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失 却很小。 l p c 2 2 1 4 采用1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 p w m 输出以及多达9 个的外部中断，这款微控制器特别适合工业控制、医疗系 统、收款机控制等应用领域。其可用g p i o 范围为7 6 脚( 外部存储区) 到i 1 2 脚( 单 片) 由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转 换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。 其基本特性有： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s 核，l q f p l 4 4 封装； 1 6l 圆片内s r a m ； 1 2 8 2 5 6k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接m a n 速器可实现高达6 0 删z 工作频率； 可加密：全球首个实现可加密的a r m 微控制器； 多个串行接口，包括双u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) ，高速1 2 c ( 4 0 0 k b i t s s ) 和双s p i ； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。5 1 2 字节 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 行编程时间为1 m s 。 单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ； e m b e d d e di c e - r t 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件对前台任 务进行调试时，中断服务程序可继续运行； 8 路l o 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4ps ； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时 时钟和看门狗； 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； 可设置的外部存储区( 寻址最大范围为1 6 m b ，支持8 1 6 3 2 位数据宽度) ： 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引 脚； c p u 工作晶振最大为6 0 m h z ，并内嵌片内可编程锁相环p l l ； 片内晶振频率范围：1 3 0m h z ； 两种低功耗模式，空闲掉电； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 外设功能可单独使能禁止，实现功耗最优化； 双电源： - - c p u 操作电压范围：i 6 5 1 9 5v ( 1 8v 0 1 5v ) ； 一i o 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 0v 1 0 ) ，可承受5 v 电压。 本系统采用a r m 7 t d m i s 微处理器用于运行u c o s i i 实时操作系统，并利 用其较强的运算能力对被采集的数字图像进行预处理，以减小带宽压力。 2 4 数字图像采集软件系统简介 2 4 1u c o s i i 实时操作介绍 u c o s i i 意为“微控制器操作系统版本2 ”。u c o s - i i 是著名的、原码公开 的实时内核，可用于各类8 位、1 6 位和3 2 位单片机和d s p 。从u c o s 算起，该 内核已有1 0 多年的应用历史，在诸多领域得到广泛的应用。u c 0 s i i 实时操作 系统有以下特点： 1 ) 原码公开。 2 ) 可移植性( p o r t a b l e ) ：u c o s - i i 的源代码绝大部分是使用移植性很强 的a n c lc 编写的，而与处理器硬件相关的部分则使用汇编编写。用汇编语言编 写的部分已经压缩到最低限度，以使u c o s - i i 便于移植到其他微处理器上。目 前，u c o s - i i 已经被移植到多种不同架构的微处理器上。 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 3 ) 可固化( r o m a b l e ) ：只要有合适的软硬件工具，就可以将u c o s - i i 嵌 入到产品中成为产品的一部分。 4 ) 可剥夺( p r e e m p t i v e ) ：u c o s - i i 使用条件编译实现可裁剪性，用户程 序可以只编译自己需要的u c o s - i i 功能，而不编译不需要的功能，以减少 u c o s - i i 对代码空间和数据空间的要求。 5 ) 多任务：u c 0 s i i 可以管理多达6 4 个任务，然而u c o s i i 的作者建议 用户保留8 个给操作系统使用。这样，留给用户的应用程序最多可以有5 6 个任 务。 6 ) 可确定性：绝大多数u c o s - i i 的函数调用和服务的执行时间具有确定性。 也就是说，用户总是能知道u c o s i i 的函数调用和服务执行了多长时间。 7 ) 任务栈：u c o s - i i 每个任务都有自己单独的栈，使用u c o s - i i 的栈空 间校验函数，可确定每个任务到底需要多少栈空间。 8 ) 系统服务：u c o s - l l 提供很多系统服务，例如信号量、互斥信号量、时 间标志、消息队列、消息油箱、块大小固定的内存的申请与释放时间管理函数等 等。 9 ) 中断管理：中断可以使在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务 被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断嵌套曾 数最多可达2 5 5 层。 i 0 ) 稳定性与可靠性：u c o s - i i 是基于u c 0 s 的，u c 0 s 自1 9 9 2 年以来已 经有数百个商业应用。2 0 0 0 年7 月，u c o s - i i 在一个航空航天项目中得到了美 国联邦航空管理局对商用飞机的、符合r t c ad 0 - 1 7 8 b 标准的认证。这一结论表 明，该操作系统的质量得到了认证，可以在任何应用中使用。 本系统利用u c o s i i 实时操作系统对整个数字图像采集系统进行实时管 理，提高了系统的实时性和稳定性，并易于程序的修改和系统维护。 2 4 2h 2 6 4 视频压缩标准介绍 h 2 6 4 是一种高性能的视频标准。在国际上，视频编解码技术有两套标准， 一套是国际标准化组织i s o 国际电工协会i e c 的m p e g 一1 、m p e g 一2 、m p e g 一4 等m p e g 标准；另一套是国际电信标准化部门i t u - u 的h 2 6 4 、h 2 6 3 、h 2 6 3 + 等；而现 在的h 2 6 4 则是i t u t 和i s o i e c 联合开发的视频编码标准。i t u t 将这一标准 称为h 2 6 4 ( 即以前的h 2 6 l ) ，而i s o i e c 称它为m p e g 一4a v c ( a d v a n c e dv i d e o c o d i n g ，高级视频编码) ，并且它将成为m p e g 一4 标准的第十部分( 即i s 0 i e c 1 4 4 9 6 - 1 0 ) 。 h 2 6 4 最大的特点是具备很高的数据压缩比率。在同等画质条件下，h 2 6 4 的数据压缩率可比d v d 系统使用的m p e g 一2 高出2 3 倍，比m p e g 一4 高出1 5 2 倍。因 天津大学硕士学位论文第二章系统总体设计及基本原理 此，以h 2 6 4 压缩的视频数据，在传输过程中所需的带宽更少。u 2 6 4 因其更高的 压缩比、更好的i p 和无线网络信道的适应性，在数字视频通信和存储领域得到越 来越广泛的应用。同时也要注意，h 2 6 4 获得优越性能的代价是计算复杂度增加， 据估计，编码的计算复杂度大约相当于h 2 6 3 的3 倍，解码复杂度大约相当于h 2 6 3 的2 倍。 h 2 6 4 标准中的内部预测创造了一种从前面已编过码的一幅或多幅图像帧预 测新帧的模型。此模型是通过在参考帧中替换样本的方法做出来的( 运动补偿预 测) 。a v c 编码使用基于块的运动补偿。从h 2 6 1 标准制定以来，每一个主要的视 频标准都采用这个原理。 h 2 6 4 与以往标准的重要区别是： 1 ) h 2 6 4 支持一定范围的图像块尺寸( 可t j , 至l j 4 4 ) 和更细的分像素运动矢量 ( 在亮度组件中为1 4 像素) 。 2 ) n 2 6 4 具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的信道中的 传输视频信号。 3 ) h 2 6 4 支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。 4 ) h 2 6 4 能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。 5 ) h 2 6 4 的基本系统无需使用版权，具有开放的性质，能很好地适应i p 和无线网络的使用，这对目前的因特网传输多媒体信息、移动网中传输宽带信息 等都具有重要的意义。 本系统利用h 2 6 4 图像压缩标准中的帧内预测方法对被采集的数字图像进 行预测后压缩，有效减小了传输的数据量，减小了上位机的运算压力和传输总线 的带宽压力。 2 5 本章小结 本章通过对比不同的系统组成方案，提出了分布式视觉检测系统结构方案。 并且根据数字图像检测系统的工作原理，设计了摄像机系统的结构。通过比较 c c d 和c m o s 两种不同类型的图像传感器各自的优缺点，从集成性、功耗等方 面阐述了选择c m o s 图像传感器的理由。同时对摄像机系统的数字化传输原理 进行了介绍，并对l p c 2 2 1 4a r m 7 t d m i s 微处理器、u c o s i i 嵌入式实时操 作系统以及h 2 6 4 视频标准的选择和在系统中的作用进行了介绍。 天津大学硕士学位论文 第三章图像数字化采集与传输的实现 第三章图像数字化采集与传输的实现 p h i l i p s 公司的a r m 7 t d m i sl p c 2 2 1 4 芯片作为摄像机系统的主控器件，是 本设计的一个核心器件，其作用贯穿于整个系统。系统上电，它首先要进行自身 的端口和有关功能控制寄存器的初始化以及c m o s 数字图像传感器的初始化。 接到主机发出的“开始采集”命令后，它要向c m o s 数字图像传感器发出启动 图像采集命令，以控制图像采集单元的工作实现摄像机系统的图像采集功能。在 数据处理阶段，当接收到c p l d 发出的中断信号后，l p c 2 2 1 4 将发出读数命令， 把已经存入r a m 中的数字图像数据传入自身的数据存储器中，进行简单的图像 ( d c t 变换以及熵编码) ；之后再把数据通过u s a r t 串e l 传给m a x 2 3 2 接口芯片。 图像数据通过接口芯片的中转驱动，经过i 峪2 3 2 总线上传到主机，从而实现摄 像机系统的图像传输功能。系统原理图如图3 - 1 所示。 图3 1 系统原理图 天津大学硕士学位论文第三章图像数字化采集与传输的实现 3 1 系统初始化 系统的初始化，就是在系统上电结束还未开始工作的时候，对系统硬件，包 括p h i l i p sl p c 2 2 1 4a r m 7 芯片、o m n i v i s i o n0 v 9 6 5 3c m o s 数字图像传感器、x i l i n x x c 9 5 2 8 8 x lc p l d 进行参数设置和程序加载，以使它们能够正常的工作或者获得 最佳的工作状态。另外，对于l p c 2 2 1 4 来说，还包括u c o s - i i 实时操作系统的 初始化和内核的启动。 系统上电后，l p c 2 2 1 4a p , m 7 芯片最先初始化。 l p c 2 2 1 4 首先从内部f l a s