（检测技术与自动化装置专业论文）水表盘字轮号码读取装置.pdf

沈阳【：业人学硕士学位论文 摘要 长期以来，我国大多数水表公司均采用入户人工抄表的方式，入户抄表不但扰乱人 们的正常生活而且可能导致入户抢劫，使住宅私密性及安全性得不到保障，管理人员抄 表不易且抄表工作量大等。这种收费方式就越来越显得与社会发展不适应，特别是那些 大用户水表的查抄问题，如油田井下水表的读取问题，目前还需要抄表人员下到油井下 面去读取，不但增加工作量而且危险，由于这些问题的产生，水表字轮号码的自动读取 己成为必然的选择。为了改善目前这种落后的状况，本文介绍了一种以d s p 芯片为核 心并应用图像处理技术的水表字轮号码读取装置。 常见的水表号码读取方式一种是采用c c d 图像传感器加模数转换器a d d 实现采集 的，利用先进先出f i f o 进行图像的缓存，在进入信号处理器进行处理，另一种是采用 c m o s 数字图像传感器代替c c d 加模数转换器a d ，采用单片机或t i 公司的 t m s 3 2 0 c 6 x 系列作为信号处理器。鉴于上述两种方案的优缺点，系统选用了c m o s 图 像传感器采集号码图像，1 1 公司的信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 对号码图像进行预处理， 并将采集的图像在数码管上进行直观地显示。系统采用了以信号处理器、数字图像传感 器为核心的系统硬件结构以及图像处理技术，完成了对水表字轮号码图像的读取。 水表字轮号码读取装置的研究主要分为三个部分：水表号码图像的采集、水表号码 图像的预处理及显示。本文主要完成了水表字轮号码读取装置的软、硬件设计，电路板 的制作和调试等。该读取装置实现了水表号码0 功耗读取，o ”功耗是指平时不向水表 和通信网络供电，需要读取水表号码时才供电。 本文首先介绍了系统的整体设计思想和系统要达到的性能指标，然后分章节具体介 绍了各个部分设计的技术细节和在系统中要实现的功能。最后为了完善本系统，提出了 一些改进意见。 关键词：信号处理器，水表号码，图像传感器，数码管 水表盘字轮号码读取装置 w a t e rm e t e rd i a lw o r dr o u n dn u m b e r sr e a dd e v i c e a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，t h er e c o r da n dc h a r g em a n a g e m e n to f t h ew a t e rm e t e rn u m b e r si sa l lt o d e p e n do nt h em a n u a lm e t h o d sf o rt h em a j o r i t yo f t a pw a t e rc o m p a n i e s d a i l yl i f eo f p e o p l ei s d i s t u r b e dp o s s i b l ya n dm o r e o v e rl e dt oam e m b e ro faf a m i l yr o b ，f a m i l ys e c u r i t yc a n n o tb e e n s u r e d ，t h et a s ko f r e a d i n gw a t e rm e t e rn u m b e r si sg r e a t a tp r e s e n t ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i sn o t a d a p t e dw i t h s o c i a l d e v e l o p m e n te s p e c i a l l y t h o s eb i gc o n s u m e rw a t e rm e t e r c o n f i s c a t i n gp r o b l e m , f o re x a m p l e ，o i lw e l lu n d e r n e a t hw a t e rm e t e r r e a d ，n e e dt oc o f i e c ti n t h ew e l lu n d e r g r o u n d , n o to n l yi n c r e a s i n ga m o u n to fw o r ka n dd a n g e r ，w a t e rm e t e r a u t o m a t i o nr e a da k e a d yb e c o m ei n e v i t a b l ec h o i c es i n c et h e s ep r o b l e m , t oi m p r o v eb a c k w a r d s t a t u sa tp r e s e n t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sak i n do f t h ew a t e rm e t e rr e a de q u i p m e n tw h i c hb a s i n g o nd s p c h i pa n di m a g ep r o c e s s o rt e c h n o l o g y r e a dm e t h o do fn o r m a lw a t e rm e t e rn u m b e r sa d o p tc c di m a g es e n s o ra n dm o d u l u s c o n v e r t e ra d a n dm a k eu s eo fm e m o r yf i f ot os t o r ei m a g e ，t h es i g n a lp r o c e s s o rc a r r i e so u t t h ei d e n t i f i c a t i o na n dp r o c e s s o r ，t h ea n o t h e ro n ek i n do ft m s 3 2 0 c 6 xb e i n gt oa d o p tt h e c m o sd i g i t a li m a g es e n s o rt or e p l a c ec c da n dm o d u l u sc o n v e r t e ra d ，u s et h es i n g l e c h i p c o m p u t e ro rt h et ic o m p a n ys e r i e s s i g n a lp r o c e s s o ra ss y s t e ms i g n a lp r o c e s s o r i nr e g a r dt o a b o v et w om e t h o d s d i s a d v a n t a g e ，t h es y s t e mu s e sd i g i t a li m a g es e n s o rt oa c q u i r ew a t e r m e t e rn u m b e ri m a g e ，t h e np r o c e s s e dw a t e rm e t e rn u m b e ri m a g ei nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r l e di n d i c a t e dt h ep r o c e s s i n gr e s u l t sd i r e c t l y i m a g er e a dw a sc o m p l e t e di nt h eh a r d w a r e c i r c u i tb yu s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 、d i g i t a li m a g es e n s o ro v 7 6 2 0a n di m a g ep r o c e s s o r t e c h n i q u e t h es t u d yo fw a t e rm e t e rn u m b e r sr e a di n c l u d e st h r e ep a r t so fw a t e rm e t e rn u m b e r s a c q u i s i t i o n 、p r o c e s s i n ga n di n d i c a t i o n t h es y s t e mu s e sc m o si m a g es e n s o ro v 7 6 2 0t o r e a l i z ew a t e rm e t e rd i a ln u m b e r sa c q u i s i t i o n , i n d i c a t ew a t e rm e t e rn u m b e r si nt h el e d d i r e c t l y ，t h a ti st os a yt h a tt h es y s t e mr e a l i z ei m a g er e c o g n i t i o nb yu s i n gh a r d w a r ea c q u i s i t i o n c i r c u i t t h ew a t e rm e t e rn u m b e r se q u i p m e n tr e a l i z e s 0 ”p o w e rd i s s i p a t i o n s ，0 p o w e r 沈阳丁：业大学硕士学位论文 d i s s i p a t i o n si sn o ts u p p l ye l e c t r i c i t yt ot h ew a t e rm e t e ra n dc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ki nt h e o r d i n a r yt i m e ，o n l ys u p p l ye l e c t r i c i t yw h e nr e a dw a t e rm e t e rn u m b e r s i nt h i sp a p e r ，t h es o f ta n dh a r d w a r ed e s i g no f w a t e rm e t e rn u m b e r sr e a ds y s t e mb a s eo n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri sc o m p l e t e dm a i n l y ，a sw e l la sm a k i n gc i r c u i td i a g r a ma n dd e b u g g i n g i n t e g r a ln o t i o no fs y s t e md e s i g ni sb r o u g h to u ta tt h eb e g i n n i n go ft h et e x t s e c o n d l y d e t a i l t e c h n i c a li n f o r m a t i o no f m o d u l ed e s i g ni sn a r r a t e di ne a c hc h a p t e r a tl a s tp a r to f p a p e r ，s o m e p r o b l e m se n c o u n t e r e di ns y s t e md e b u g g i n ga n dm e t h o do nr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m sa r e n o u g h to u t ，a n ds o m es u g g e s t i o n sf o rs y s t e mo p t i m i z a t i o na l ea l s op r o v i d e d k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，w a t e rm e t e rn u m b e r s ，i m a g es e n s o r ，l e d 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：圣旌勉日期：丝哗，厶丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：孬撇导师签名：j 燃日期：丝嘭l 址 沈阳丁业大学硕士学f 节论文 1 绪论 1 1 课题的提出与意义 自来水作为商品，当然有其价值和使用价值。我国是一个水资源并不丰富的国家， 许多地区都面临着水资源枯竭的威胁。因此我们国家现在提倡节约用水，这样水表成了 唯一的计量设备。对于大多数自来水公司来说，人工抄表是一项工作量巨大的工作，而 且在抄表过程中由于抄表不到位，私自调表改读数等人为因素造成的水损是全部水损的 主要部分。其中水表号码识别的准确与否关系到千家万户的切身利益，也关系到自来水 公司的经济效益和国家水资源的合理利用，甚至会涉及到子孙后代的生存大计。而且针 对水表字轮号码读取的硬件装置目前国内没有人去研究这个问题，因此我在导师的指导 下选择了水表盘字轮号码读取装置作为我的研究课题。本系统是针对各种水表大用户， 如井下水表号码的读取而设计的，该水表盘字轮号码读取装置有节电功能。 市场上目前有两种水表远传系统部分投入试用。一种是i c 卡式水表【l 】，另一种是三 表( 水电煤气) 远传抄表【2 _ 9 】系统。这两种产品由于价格较高，维护量较大，且需带电 工作，易造成停电漏记，推广有一定难度。目前市面上比较流行的是远传直读式和摄像 式【4 】，从理论上讲，它的读出数据和表盘数据总是同步的。摄像直读式远传水表的结构 方式较为简单，在机械字轮显示窗前安装一只摄像头，5 位数字十分清楚，还保留了四 种信息，图片下面标有时间及用户的姓名等信息，将拍到的数字图像传出即可。水表号 码识别关键在于有准确的数据采集和可靠的通讯条件。本文研究是不同于以上的两种水 表的基于硬件电路的水表字轮号码读取装置，即采用c m o s 数字图像传感器完成水表 字轮号码的采集，和以往不同的是处理器采用的是1 1 公司的信号处理器d s p 芯片代替 了传统的单片机，这样本系统在采集识别水表号码的速度方面有大幅度提高，在软件方 面是将水表号码识别程序嵌入到硬件电路中，从而实现水表字轮号码的识别和处理，实 验阶段在硬件电路中直观地显示出来。实际应用中可用软连接将显示部分放在外部如井 上，该硬件装置只在读取水表号码的时候上电，具有节电功能，由于采用的c m o s 图 像传感器内部集成模数转换器a d ，硬件电路简单、成本低，而且可应用到其它号码图 像的采集识别上，因此对水表号码读取进行研究具有重要的意义和广泛的应用价值。 水表盘字轮号码读取装置 1 2 水表号码识别的现状及发展方向 为了实现水表的自动抄表，曾有人研制了c c d 电子抄表系统，它是利用c c d 摄像头 获取水表图像，采用图像识别技术读取水表读数f l 。它是用抄表器读取水表号码后利用 串口传到计算机中进行后台的数据识别处理。由于图像的质量直接影响读数的自动识别， 图像采集的像素越多就越清晰，但要求的采样速度高，存储容量大。抄表器作为便携式现 场仪表，要求体积小，重量轻和成本底，降低对抄表器的处理速度和存储容量是必要的。 因此，如何在保证能准确识别水表号码所要求的图像清晰度的前提下，尽量减少采集的 图像数据量，成为c c d 图像采集需要解决的问题。而且采用c c d 采样数据还需要a d 转换电路，并加高速的存储设备。 实现水表的自动计量在技术上首先要解决信息转换和数据采集这两个关键问题口】。 目前国内大量采用的机械式水表没有与计算机接口，而国外的全电子式流量表计量精度 高，使用方便，但价格昂贵，不适合我国国情。由于自来水管不可能像电线那样能传输 信号，还有重要的一点，就是怎样把基表的机械计量怎么转换成信号送出去，目前，国 内远程抄表系统所使用的终端表具大多都以脉冲信号为计数依据，通过采集器对脉冲进 行采集、存储和传送，因此，在实际的计量过程中，一个最基本、最重要的条件就是必 须维持稳定、可靠、不间断的供电。同时，脉冲数量的准确度决定系统计量精确度。但 由于机械振动、电磁干扰、供电问题、水表倒转以及表内磁铁的退磁现象等因素的影响， 使脉冲计量的精确度成为一个极难解决的问题。另外，由于脉冲表的“计数”与“读数”同 步，一旦停电就会使“计数”丢失，“读数”就会低于“计数”，使供水行业受到损失，一旦 因外界的影响，造成“计数”脉冲虚增，“读数”就会高于实际“计数”，给居民造成损失。 这种方式比较简单，容易实现，但可靠性差且抗干扰性差，人们又试验了在水表计数的 齿轮下装了同步转动的可变电阻，通过单片机来测试、分析得到数据，但由于在防水、 机械结构、材料等问题上还没有很好的解决，还是不能成为成熟的产品。两点做得不够： 一是选用的基表不能适合大部分地区的使用。普通水表主要分干式与湿式两种，干式表 的表盘面是干燥的，所以在密封的情况下，水表盘面的读数始终是清澈的，这正是视频 表采集图像的基本要求。但干式表由于结构的原因，表中的旋翼与计量齿轮是通过磁缸 沈刚j 业大学硕十学位论文 来传动的，因而它的流量比较大，而且磁缸由于长期工作磁力减退，会导致计量不准， 现在水的价格贵了，所以很多水表公司不采用这种表。二是图像信息处理上不符合水表 公司的管理要求，最终的图象识别是在计算机中完成的，一个大的水表公司不可能只选 用一家的智能水表，每种智能水表都有自己的管理平台，但水表公司也有自己的管理平 台，进入水表公司的管理平台实际上只要统一数据库格式就行了，以图像的格式进入数 据库显然是不现实的。 在水表号码的采集上c m o s 的数字传感器将渐渐取代c c d ，利用视频方式直读基 表的读数来代替传感器【1 1 】，从而实现远程抄表，就是在原基表的基础上，通过传感器发 出计数信号，上传至采集器，采集器通过编码、分析将有关数据放入存储器后。可通过 网络或通用串行总线u s b 传送到管理平台，从而实现远程抄表【1 2 】。 1 3 课题所要达到的目标 本课题属于自选课题，目前脉冲计数式水表的局限性主要有以下几个方面：掉电问 题，存在累计误差，传感器的长期稳定性，需改变水表的结构等，因此探讨各种现场仪 表盘如水表大用户的查抄问题具有重要的现实意义，根据上述问题确定了本文的研究目 标为设计一套水表字轮号码读取装置，采用数字图像传感器将水表号码图像读入，并将 采集到的图像进行预处理，最终采用数码管直观显示水表号码。对字轮式大用户水表的 自动读取进行尝试性的探讨，即在硬件采集器中实现水表号码的读取。 1 4 课题的主要工作 本文介绍了水表字轮号码识别系统的相关技术与应用，在综合国内外研究成果的基 础上，自主开发了一套水表盘字轮号码读取装置，并进行了其硬件系统和应用软件的设 计。 水表盘字轮号码读取装置 2 系统整体设计方案 水表字轮号码读取装置的研究分为三大部分：包括水表号码采集部分，号码图像处 理部分及水表号码显示部分。 2 1 系统的总体结构框图及各部分的功能 如下图2 1 所示主要部分的功能如下： 图2 1 系统结构框图 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r ef r a m ef i g u r e 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 图像传感器部分：这部分的主要功能是采集图像，并对获取的图像进行抗混叠 滤波、放大、a d 转换，行列起始位置选择以及图像截取等预处理，从而得到满足系统 要求的数字图像数据，并为系统提供同步信号等。 ( 2 ) 微控制器部分：此部分主要是利用微控制器来实现对水表字轮号码图像的预处 理。同时根据系统预处理的要求，对d s p 的存储空间进行了合理的分配。 ( 3 ) 显示部分：将微控制器的主机接口h p i 改为通用i o 口，并采用易控制的数码 管l e d 与其接口，从而将处理后的结果在数码管中直观地显示。 2 2 系统的工作流程 系统初始化后通过数字图像传感器采集水表号码图像，具体的工作过程是系统先上 电将固化在外部程序存储器中的处理程序下载到信号处理器内部高速的随机存储器中， 进而系统完成各种初始化操作以后数字图像传感器按照信号处理器控制的1 2 c 总线模式 工作，这需要设置控制信号处理器主机接v i t 作方式的相应寄存器实现，系统采用查询 数字图像传感器的行场同步信号及像素时钟的方式将数字图象保存到数据存储器中，然 后在以数字信号处理器为主的硬件电路中进行处理，最终通过数码管l e d 在硬件电路 板上直观地显示出水表号码，如图2 2 所示： 系统上电 一5 水表盘字轮号码读取装置 2 3 系统的设计要点 1 1 硬件： 图2 2 系统工作流程图 f i g 2 2s y s t e mw o r kf l o wc h a r t 一6 一 沈i j f l - l l 业人学硕七学位论文 用数字图像传感器o v 7 6 2 0 将水表号码图像采集进数字信号处理器d s p 中并将采集 到的水表号码图像保存在数字信号处理器d s p 内部的r a m 中，进而在数码管l e d 上 直观地显示出水表号码图像。 2 ) 软件： 水表号码读取的难点是在读取水表号码时，传送有误码率存在，特别是一个水表字 轮号码视窗中同时有两个数字存在时，识别有难度，因此说与平面识别数字的区别在于 字轮上数字是在翻动的，有时在视窗中出现的数字可能是半个或是三分之一等其它比 例，这种状态下，可概括为，一个视窗中出现两个数字，以出现的数字平面大于二分之 一，则识别为该数字：如两个数字均为二分之一时要根据用户的具体要求来确定以上面 的还是以下面的数字为准。 采集到的水表号码图像如下： 图2 3 水表号码图像 f i g 2 3w a t e rm e t e r sc o d ei m a g e 3 ) 软硬件的有机结合： 在硬件电路调试成功后将号码处理软件程序移植到硬件电路中，而且要根据实际采 集到的水表号码情况不断优化软件程序，水表号码在l e d 中直观地显示。 2 4 本章小结 本章主要介绍了系统的总体设计方案，主要包括号码图像采集模块，信号存储处理 模块及图像显示模块的功能及系统软硬件的设计要点，最后介绍了本系统各章节的具体 安排。 水表盘字轮号码读取装置 3 水表号码成像机构设计 3 1 图像传感器的选择 现代图像处理系统的首要任务就是对摄像头输出的全电视信号数字成一定的图像 数据格式，所用到的图像采集系统的灵活度和稳定度直接影响整个系统的性能和成本。 根据不同的需求，采集到的图像数据的格式以及图像的大小都不同，这些工作都由采集 控制单元完成，如果用一般的分立元件来实现，将使系统硬件电路很复杂，稳定度不高， 且调试困难。 按照类型来分图像传感器主要可以分为c c d 和c m o s ，c c d ( c h a r g e dc o u p l e d d e v i c e ) 技术由贝尔实验室在1 9 6 9 年首先提出，在过去的2 0 年里，c c d 图像传感器以 高灵敏性低噪声和宽动态范围的优点占领了图像传感器市场。但随着c c d 应用范围的 扩大，其缺点逐渐显露出来，首先是c c d 光敏单阵列难与驱动电路及信号处理电路单 元集成，不易处理一些模拟和数字功能，这些功能包括模数转换器、精密放大器、存储 器、运算单元等元件的功能，其次c c d 阵列驱动的脉冲复杂，需要使用相对较高的工 作电压，而且c c d 功耗大的缺点严重限制了其在便携电子设备上的应用【1 2 i 。m o s 图像 传感器的概念最早出现在2 0 世纪6 0 年代，但当时由于大规模集成电路工艺的限制未能 进行研究。随着超大规模集成电路和微细加工技术的发展，最近人们已经成功将图像传 感器，模数转换器，图像处理电路等模块集成在一块c m o s 图像传感器上，以达到低 功耗，高性能，高集成度和高可靠性，并且大大降低系统成本和面积，c m o s 图像传感 器开始突破原来成像质量差的缺点，逐渐成为图像传感器领域的研究热点 1 3 - 1 8 】。更重要 的一点是c m o s 图像传感器的窗口读出模式是读出感兴趣窗口内的图像信息，这样增 加了读出速率。c c d 图像传感器信息不能随意读取，而c m o s 图像传感器可对局部像 素图像编程随机访问。水表基表的选择为全液封湿式水表，以确保水表字轮号码读数清 楚，同时在满足本系统要求前提下降低成本。故此本文采用的是o m n i v i s i o n 公司推出的 c m o s 数字图像传感器o v 7 6 2 0 。o v 7 6 2 0 的内部结构如图3 1 所示： 沈阳= 业大学硕士学位论文 图3 1 图像传感器的内部结构 f i g 3 1i n t e r i o rs t r u c t u r eo f i m a g es e l b o t 3 2 系统成像机构设计与水表盘字轮号码位置的确定 根据水表号码和系统图像传感器的特点，我们将水表盘放在图像传感器镜头的前 方，由于镜头采集是在上下左右3 0 度角的范围内进行的，故需要在采集号码图像的过 程中随时调整两者之间的相对位置。因此系统做了如图3 2 的硬件采集装置： 图3 2 水表号码读取的硬件图 f i g 3 2w a t e rm e t e rr e a dh a r d w a r ed r a w i n g 水表盘字轮号码读取装置 3 3 镜头选择，9 1 3 3 1 光照 号码通过镜头( l e n s ) 生成的光学图像投射到图像传感器( s e n s o r ) 表面上， 然后转为电信号，经过a d ( 模数转换) 转换后变为数字图像信号，即获取模拟图像、 产生数字图像，同时对获取的模拟图像进行抗混叠滤波、放大、a d 转换、帧速可调以 及图像截取等预处理，其硬件电路中带有多种快门速度且对自然光有一定的适应能力的 摄像头，从而得到满足系统要求的数字图像数据，并为系统提供同步信号等。 1 ) 光学镜头：1 3 镜头 2 ) 外加光源：如果光线太暗会影响采集到水表号码图像的效果，因此系统选用普通 的白炽灯作为采集的外加光源。 3 4 传感器分辨率输出方式 系统图像传感器o v 7 6 2 0 的数字信号输出有8 位模式和1 6 位模式两种。由于本系 统针对灰度图像进行处理，数据输出只采集o v 7 6 2 0 低8 位( y 7 一y 0 ) 亮度数据，减 少数据的处理量和存储量，故此不需要输出彩色图像，且采用y u v 的数据输出格式。 3 5 本章小结 本章论述了c m o s 数字图像传感器o v 7 6 2 0 性能特点和工作过程，d s p 编程实现 1 2 c 总线协议完成对o v 7 6 2 0 的初始化，图像采集电路的硬件设计和图像传感器的初始 化程序设计，以及为保证图像质量所应采取的调焦、补光等措施。 一l o 沈拜 t 业大学硕十学位论文 4 水表号码图像采集电路 图像采集装置是集计算机、光电技术、图像技术、数据处理技术等于一体的综合技 术。而图像采集装置是这些技术及产品的重要且不可或缺的组成，无论什么样的图像处 理系统都需要稳定的图像采集装置。 号码图像采集的常用方法是c c d 图像传感器加视频解码芯片 1 9 l ，从c c d 摄像头出 来的视频模拟信号需经过视频解码器转换为视频数字信号，再经过先进先出存储器 f i f o 缓存1 2 0 ，最后通过可编程逻辑器件c p l d 进行图像截取才能进入d s p 处理【2 1 - 2 3 1 ， 而且还需外扩数据存储器r a m 。由于d s p 的控制能力比较差，本身的通用i o 口少， 而对视频解码器的控制是通过内置的1 2 c 总线来实现的。为了实现对视频解码器的控制， 1 2 c 总线是用单片机的p 1 口模拟完成对视频解码器的初始化，虽然这种方案实现了号码 采集，但硬件结构复杂。另一种方法是采用c m o s 数字图像传感器进行采集【2 4 1 ，在信 号处理器与传感器之间加入数据缓存器f i f o 解决图像传感器与信号处理器之间的时序 匹配问题。但图像数据处理量大的问题依然存在，因此如何减少数据处理量和简化硬件 电路是本系统所要解决的关键问题。 d s p 5 4 1 6 最大允许访问的数据存储空间为1 2 8 k ，而一幅6 4 0 * 4 8 0 的灰度图像就需要 大约3 0 0 k 的存储空间，因此本文针对信号处理器d s p 5 4 1 6 的存储容量有限的特点，选 择了具有图像开窗功能的c m o s 图像传感器o v 7 6 2 0 。这种传感器具有内部默认工作模 式和s c c b ( 1 2 c ) 总线模式【2 5 加l ，为实现图像截取功能，将d s p 5 4 1 6 的主机接口h p i 改为通用i oe l ，分别用h d 2 和h d 3 模拟1 2 c 总线的数据线s d a 和时钟线s c l 进行 1 2 c 总线的设置。通过设置o v 7 6 2 0 内部各个寄存器实现开窗等一系列功能，将有用的 图像截取出来，数据输出只采集o v 7 6 2 0 低8 位( y 7 y o ) 亮度数据，减少了d s p 的数 据存储量和处理量，节省了d s p 的存储空间。 水表盘字轮号码读取装置 4 1 水表号码截取与传感器初始化 4 1 1 水表号码截取 数字图像传感器o v 7 6 2 0 的默认上电模式和o r r m i v i s i o n 的1 2 c 总线编程模式。这两 种模式的选择是通过设置图像传感器o v 7 6 2 0 的i i c b 引脚实现的。本系统采用的是1 2 c 总线编程模式，通过将信号处理器d s p 的主机接口h p i 口1 2 7 - 3 0 设置为通用i o 口( g p i o 口) ，来模拟1 2 c 总线协议，从而完成对数字图像传感器o v 7 6 2 0 的初始化。在此采用 数字图像传感器的开窗截取功能实现水表号码图像的截取。具体的实现方法是通过设置 1 2 c 总线工作模式下的行列寄存器，从而实现对行列开始和结束位置的控制。 4 1 2 传感器初始化 系统图像传感器的初始化主要包括设置各种寄存器，系统是将信号处理器的主机接 口改为通用i o 口，进而用软件模拟1 2 c 总线协议，才能实现对下面各种寄存器的设置 及实现对图像传感器的行场同步信号，开窗及扫描格式的确定。可以分别设置水平窗口 起止寄存器和竖直窗口起止寄存器为：0 x 6 7 ，0 x 9 9 ，0 x 6 c ，0 x 9 3 ，用以控制采集到的图像 大小为2 0 0 * 4 0 ：设置通用控制寄存器h ( c o m m o nc o n t r o lh ) 为0 x 4 8 ，用以设置黑白模 式、隔行扫描和自动增益控制等；设置信号处理控制寄存器b ( s i g n a l p r o c e s s c o n t r o l b ) 为0 x 8 2 ，选择y u v 模式。由于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 工作在1 6 0 m h z 时对同步信号进行判 断大约需要7 个时钟周期( 4 5 n s 左右) ，而o v 7 6 2 0 的输入时钟为2 7 m h z ，所以需要 对o v 7 6 2 0 的输入时钟进行二分频来产生象素时钟( 1 3 5 m h z7 4 n s ) ，这通过设置时钟 速率控制寄存器( c l o c kr a t ec o n t r 0 1 ) 为0 x 8 0 。具体的软件程序如下： # i n c l u d e ”i i c h 。 v o i do v i n t ( v o i d ) s w r i t e o n e ( 0 x l1 ，0 x 8 0 ) ； s w r i t e o n e ( 0 x 1 3 ，o x 0 1 ) ； s w r i t e o n e ( 0 x 1 4 ，0 x 1 4 ) ； s _ w r a e o n e ( 0 x l6 ，0 x 0 3 ) ； 沈阳工业大学硕十学位论文 s _ w r i t e o n e ( o x l 7 ，0 x 6 7 ) ； s _ w r r e o n e ( 0 x l8 ，0 x 9 9 ) ； s _ w r i t e o n e ( 0 x 1 9 ，o x 2 0 ) ； sw r i t e o n e ( 0 x 1 a , 0 x 4 7 ) ； s _ w r i t e o n e ( 0 x 2 8 ，o x 2 0 ) ； s _ w r i t e o n e ( 0 x 2 d ，o x f s ) ； s _ w r i t e o n e ( 0 x 6 0 ，o x 2 7 ) ； s _ w f i t e o n e ( 0 x 6 1 ，0 x 8 2 ) ； s _ w r i t e o n e ( 0 x 6 7 ，0 x l a ) ； 4 2 数据的缓冲 将c m o s 数字图像摄像头的数据总线通过一个总线驱动芯片接入d s p ，在不采集 的状态，将总线驱动芯片关闭，这样并不影响d s p 的工作。在采集状态能使该芯片， 读取摄像头传来的数据。本系统采用7 4 l v c h l 6 2 4 5 a 作为图像传感器o v 7 6 2 0 与信号 处理器d s p 5 4 1 6 之间的缓冲芯片，它的典型工作电压是3 3 v ，是一个双向收发器，可 以用作2 个8 位收发器或1 个1 6 位收发器，根据方向控制端( d i r ) 的电平可允许数据 从a 端传输到b 端，或从b 端传输到a 端。输出使能控制线( 0 e 拌) 可用来使器件有 效或无效。 4 3 数据的采集与时序关系 4 3 1 号码图像采集的实现 号码图像采集系统是由c m o s 数字图像传感器o v 7 6 2 0 ，信号处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 及数据缓冲器7 4 l v c h l 6 2 4 5 a 三部分组成，如图4 1 所示： 这里主要介绍图像传感器的确定和图像采集系统的实现过程，系统采用c m o s 数 字图像传感器0 v 7 6 2 0 采集水表号码，存入t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 内部的r a m 中，在0 v 7 6 2 0 与t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 之间采用菲利普公司的7 4 l v c h l 6 2 4 5 a 作为数据缓冲芯片。用 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的h d 2 和h d 3 分别模拟数据线s d a 和时钟s c l ，即在硬件电路上保 1 3 水表盘字轮号码读取装置 证图像传感器工作在1 2 c 总线模式，在软件上系统将t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的h p o 改为通用 i 0 口作为水表号码采集的使能。当i o e 为低电平时，7 4 l v c h l 6 2 4 5 a 将数据通道打开， t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 开始接收数据从而系统完成水表号码的采集工作。 数据总线 数据总线一数据 缓冲 控制线 图像传感器 微控制器 。控制线 采集同步信号 图4 1 号码图像采集框图 f i g 4 1n u m b e r si m a g ec o l l e c t i o nf r a m ef i g u r e 图像像素的采集脉冲与同步信号要保持严格的同步关系才能保证图像的正确采集， 为了实现图像的稳定采集必须保证采样时钟与行同步信号严格同步【3 ”。编程过程中必须 满足时序要求，并严格符合协议规则。在采集图像的过程中，最主要的是判别一帧图像 数据的开始和结束时刻，通过1 2 c 总线软件编程便可实现采集过程起始点的精确控制。 v s y n c 的上升沿表示一帧新的图像的到来，下降沿表示一帧图像数据采集的开始 ( c m o s 图像传感器是按列采集图像的) 。h r e f 是水平同步信号，其上升沿表示一列 图像数据的开始。p c l k 是输出数据同步信号。h r e f 为高电平即可开始有效地数据采 集，而p c l k 下降沿( 或上升沿) 的到来则表明数据的产生，p c l k 每出现一个下降沿 ( 上升沿) ，系统便传输一位数据。h r e f 为高电平期间，系统共传输6 4 0 位数据。也 就是说：在帧图像中，即v s y n c 为高电平期间，h r e f 会出现4 8 0 次高电平。而下 沈刚。l - 业大学硕十学位论文 一个v s y n c 信号上升沿的到来则表明分辨率6 4 0 x 4 8 0 的图像采集过程的结束。各个同 步信号的极性选择通过设置o v 7 6 2 0 对应的寄存器完成。 4 3 2 图像传感器与微控制器的接口时序关系 图像传感器与微控制器d s p 的接口即是图像传感器o v 7 6 2 0 与t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 主机 接口h p i 之间的接口，由于t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 片上通用i o 口少，而要实现与图像传感器 的接口需要多个通用i 0 口，因此系统将主机接口h p i 改为通用i o 口，具体的方法是 将h p i e n a 直接接地，进而通过软件模拟的方法实现d s p 与图像传感器o v 7 6 2 0 的接 口保证微控制器d s p 与o v 7 6 2 0 之间时序的匹配。 o v 7 6 2 0 工作方式和输出格式非常多，可以适应不同的应用场合。针对我们的较小 系统，采用了单通道y 输出，以及逐行扫描的工作方式。这些工作方式的实现是通过信 号处理器的1 2 c 编程控制的，当o v 7 6 2 0 设置工作方式稳定后，它就会输出视频数据， 同时还有3 个重要的参考信号输出：帧同步信号v s y n c ，水平同步信号h r e f 和像素 时钟信号p c l k 。如图3 所示：每一个帧同步信号v s y n c 周期包含4 8 0 个水平同步信 号h i 冱f 脉冲，而每一个h r e f 周期包含6 4 0 个p c l k 时钟脉冲。每一个p c l k 时钟输 出一个像素的视频数据。 。nn 一一r 厂1r 1 弘卜一 图4 2 图像采集信号时序 f i g 4 2i m a g ec o l l e c t i o ns i g n a lt i m i n gd r a w i n g 水表盘字轮号码读取装置 在片1 0 位a d 转换器能够工作在1 3 5 m s p s ，因此完全能够跟象素速率保持同步， 其转换速度总是与每帧的速率保持一致。一个a d 黑色等级校准电路用于确保y r g b 的黑色象素被转换的最低象素值为1 6 ，而白色象素上限被限制在2 4 0 。即通常转换输出 的数字象素灰度值在1 6 2 4 0 ，0 和2 5 5 保留用于同步信号。 4 4 采集图像示例 采集到水表盘号码图像都是在开窗为2 0 0 x 4 0 情况下的，且光源为普通的白炽灯。 由图4 5 所示可知采集到的图像有光斑，分析原因是由于水表盘表面突起的情况引起的， 因此光源的照射位置对采集到实际图像的质量有很大的影响。采集图像的结果表明明亮 稳定均匀的光源及其重要，目的是将被测物与背景明显地区分开来。还有更重要的一点 是适当调整焦距是关键，下面的图4 5 是在适当调焦的结果。 图4 3 焦距不当 f i g 4 3i m p r o p e rl o c i 图4 4 光线不足 f i g 4 4b e a mi n s u f f i c i e n c y 图4 5 焦距适当 f i g 4 5c o r r e c tf o c i 4 5 本章小节 本章主要介绍了水表号码截取与传感器初始化，数掘隔离以及如何保证数据的采集 时序关系，最后介绍采集电路的实现及实际采集到水表号码图像。 沈阳+ 【：业人学硕十学侥论文 5 存储空间设计 5 1 系统对存储器的要求 根据水表号码图像的存储需要的空间，再加上水表号码在图像的处理过程中需要存 储大量的中间数据及中间标志。对于脱机系统来说，用一片非易失性的r o m 来存储程 序( 和结果) 是必不可少的。因此本系统外扩了一个f l a s h ( s s t 3 9 v f 4 0 0 ) ，若装载 程序后剩余的空间可作为外部数据区。 5 2 存储器的选择 5 2 1 程序存储器的选择 由于映射存储器的配置受到信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 外部管脚m p m c 以及处理 器模式状态寄存器p m s t 的控制。因此所采用的方案是m p m c = 0 且o v l y = i 的情况， 其中o v l y 为1 6 位寄存器p m s t 的第5 位，当d s p 5 4 1 6 上电硬复位且m p m c = 0 时， 片上物理r o m 会映射程序存储器的f f 0 0 至f f f f 地址范围内，芯片自动调用片上r o m 中固化的b o o tl o a d e r 程序。在m p m c = 0 ，