（电路与系统专业论文）基于机器视觉的智能手持式数据采集仪.pdf

p _ ， 妒硕士论文 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 摘要 目前数据采集有各种各样的方式和设备，针对不同的要求和不同的场合采用 不同的方式和设备，其目的是为了真实的反映周围环境和提供各种信息。本文分 析了机器视觉的基本工作原理和应用现状，根据其应用特点设计出基于机器视觉 的智能手持式数据采集仪。其原理类似人的视觉系统，对系统“看到”的图像进 行“分析”，提取出所需的信息。据此，本论文主要讨论了以下几点：一、如何 实现对图像的采集，以尽量少的硬件成本得到高质量的图像；二、如何有效的降 低系统功耗，延长电池使用时间：三、如何设计科学合理的操作界面，以符合一 般人的操作习惯；四、如何进行硬件和软件各模块的设计，提高系统设计的效率 等等。在设计思路上力图体现个人的创新，然后通过具体的开发设计进行验证， 解决关于实时嵌入式系统的一些有意义的实际问题。 竺! ：兰望。堡丝兰 墨垫墨垫苎竺童垡苎叁墼墨墨墨垡 a b s t r a c t a tp r e s e n tv a r i o u sm e a n sa n dd e v i c e sc a nb eu s e dt oc o l l e c td a t a b u tw e a d o p t d i f i b r e n tm e a n sa n dd e v i c e st od i f i e r e n tr e q u e s ta n dd i f f e r e n to c c a s i o ni no r d e rt og e t t h ec o r r e c ti n f o r m a t i o nt h a tr e f l e c t st h es u r r o u n d i n g t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f t h em a c h i t i ev i s i o na n di t sa p p l i c a t i o n ，a n dt h e np r o p o s e san e wd e v i c e c a l l e di n t e l l i g e n tp o r t a b l ed pd e v i c eu s i n gm a c h i n ev i s i o n i t sw o r k i n gp r i n c i p i ei s l i k et h ep r i n c i p l eo ft h ev i s i o ns y s t e m t h ed e v i c eg e t st h ei m a g e t h r o u g hi t si m a g e s e n s o r ，a n dt h e no b t a i n st h ed a t aw en e e d e db yi m a g er e c o g n i t i o n t or e a l i z et 1 1 ei d e a t h i sp a p e ri n v o l v e si nr e s o l v i n gt h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：h o wt og e tt h eh i g hq u a l i t y i m a g ew i t l ll o wc o s t ；h o wt o r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ；h o wt o d e s i g nt h e f r i e n d l yo p e r a t i o ni n t e r f a c e ，a n ds oo n b e s i d e s 。l o t so f w o r k h a sb e e nd o n et od e v e l o p ap h y s i c a li n s m m a e n to fi n t e l l i g e n tp o r t a b l ed pd e v i c ea n di ti sb e n e f i tf o rt h e o r y r e s e a r c h p _ ，z 妒项士论文 基于机嚣视觉的智能手持式数据采集仪 1 1 机器视觉 第一章综述 机器视觉主要是用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处 理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制等。机器视觉技术是在2 0 世纪初期崭露头 角的，随着图像处理技术的专业化与计算机成本的下降和速度的提高，已经广泛应用于军事 领域、机器人和自动化检测、i c 制造行业、医疗行业等传统的以及新兴的高科技产业领域 中。如今机器视觉系统是实现设备智能化、自动化、高效化、高精度途径中必不可缺的功 能模块。 1 1 1 机器视觉基本原理及其特点 美国制造工程师协会机器视觉分会和美国机器人协会的自动化视觉分会对机器视觉下 定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动接受和处理一个真实物体的图 像以获得所需信息或用于控制机器人动作的装置。” 机器视觉主要是借助计算机软件来处理和分析图像并做出结论。简单的说，机器视觉就 是用机器代替人眼来做测量和判断，它的特点是自动化、客观、非接触和高精度。因此机器 视觉技术非常适合于大批量生产过程中的测量、检查和辨别，对于大批量生产有很好的经济 效益。 典型的机器视觉系统一般包括以下几个部分：光学系统、图像捕捉系统、图像数字化模 块、图像处理模块、智能判断和决策模块、控制执行模块，如图1 1 所示。首先系统采用 摄像机或者其它图像传感模块获取目标的图像信号，然后转变成数字化信号传送给专用的图 像处理模块，根据像素的分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，如： 面积、长度、数量、位置等，最后根据预设的容许度和其他条件输出判断结果。 图1l 机器视觉系统组成框图 1 1 2 机器视觉中的各部分技术简介 第一，光源和照明。在机器视觉应用系统中，好的光源和照明方案往往是整个系统成败 的关键，起着非常重要的作用。光源与照明方案的配合除了保证目标足够的亮度之外，还应 声_ ，z 攀硕士论文基于机器视觉的智能手持式敷据采集杖 该尽可能的突出目标的特征，在目标需要检测的部分与那些不重要的部分之间应尽可能的产 生明显的区别，增加对比度。因此，在选择光源的时候，应该考虑其几何形状、照明亮度、 均匀度，发光的光谱特性也应该根据实际的需要给予考虑。 第二，成像。成像部分包括光学透镜和图像传感器。光学透镜相当于人眼的晶状体，在 机器视觉中相当重要，直接影响到成像的质量。镜头的种类有多种，其主要性能指标有焦距、 光阑系数、倍率、接口等。图像传感器是把光信号转变成电信号的器件。目前主要应用的器 件有c c d 摄像机和c m o s 图像传感芯片。c c d 摄像机以其小巧、可靠、清晰度高等特点 在商用与工业领域都得到广泛的使用。c m o s 图像传感芯片的特点是低成本、高集成度、 成熟的技术。而且c m o s 图像传感芯片集成了a d 转换电路可以直接输出数字视频信号， 简化了它的应用。图像传感器的重要参数是分辨率和色彩。 第三，图像处理。机器视觉系统中图像处理与一般意义上的图像处理系统相比，机器视 觉强调的是精度和速度，以及工业现场环境下的可靠性。目前，机器视觉系统在图像处理方 面多采用封装式图像处理方法把图像传感与处理分成独立的两个部分。系统通过图像传感 器获取图像，经过总线存入计算机内存，由计算机完成图像处理任务。 1 1 3 机器视觉技术的应用现状 机器视觉不会有人眼的疲劳，有着比人眼更高的速度和精度，借助红外线、紫外线、x 射线、超声波等高新探测技术，机器视觉在探测不可视物体和高危险场景时，更有其突出优 点。机器视觉技术现己得到广泛的应用。 在工业检测领域，机器视觉的应用大幅度的提高了产品的质量和可靠性，保证了生产的 速度。如，产品包装印刷质量的检测、饮料行业的容器质量检测、饮料填充检测、饮料品封 口检测、木材厂木料检测、半导体集成块封装质量检测、卷钢质量检测和水果分类检测。在 制药生产线上，利用机器视觉技术可以对药品包装进行检测，以确定是否装入正确的药粒。 在医学领域，机器视觉用于辅助医生进行医学影像分析，主要利用数字图像处理技术、 信息融合技术对x 射线透视图、核磁共振图像、c t 图像进行分析或对其它医学影像数据的 统计和分析。 在闭路电视监控系统中，机器视觉被用于增强图像质量，捕捉突发事件，监控复杂场景， 鉴别身份，跟踪可疑目标等，能大幅度提高监控效率，减少危险事件发生的概率。在交通管 理系统中，机器视觉技术被用于车辆识别、调度，向交通管理与指挥系统提供相关信息。 在卫星遥感系统中，圈像信息量大，数据存在多种干扰和误差，处理和分析的工作量、 难度都很大。机器视觉技术被用于分析各种遥感图像，进行环境检测，地理测量根据地形、 地貌的图像和图形特征，对地面目标进行自动识别、理解和分类。 机器视觉技术的诞生和应用极大的解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，改善 了人类生活现状，其应用前景极为广阔。 1 2 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 目前机器视觉的应用系统按其运行环境可以分为p c - b a s e d 视觉系统和p l c - b a s e d 视觉系统。基于p c 的视觉系统利用了p c 的开放性、高度的编程灵活性和良好的w i n d o w s 界面。但是基于p c 的视觉系统使用p c 作为其核心处理器，系统过于庞大，限制了其应用 范围。基于p l c 的视觉系统更像一个智能化的传感器。图像处理单元独立于系统，通过串 行总线和j o 口与p l c 交换数据，系统硬件一般使用高速专用的a s l c 进行图像处理。基于 p l c 的视觉系统具有可靠性高、集成化、小型化的优点，但由于使用了a s i c 进行图像处理， 2 竺三二二! 坐查 叁垫墨垫墨竺童塑苎叁墼墨墨墨堡 使得其只能应用于特定的图像处理中。 随着现代集成电路速度和处理能力的提高，把机器视觉技术应用于手持设备已成为可 能。基于机器视觉的智能手持式数据采集仪，把机器视觉技术应用于手持设备，使得机器视 觉有了更灵活的应用。 电 源 图12 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪系统框图 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪系统框图如图1 2 所示。系统工作原理为：系 统使用图像传感器获取目标数字图像交给c p u ，c p u 对此图像进行识别、分析，提取所需 信息存储于f l a s h 。 1 2 1 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪硬件设计方案 智能手持式数据采集仪的系统框图如图1 2 所示，在此系统中，c p u 控制着诸多外设协 同工作，同时还必须满足图像处理的要求。因此，c p u 选择的好坏成为此系统成败的关键 所在。适合本系统的c p u 有两种，一是处理能力非常强的d s p 芯片；二是适合于嵌入式系 统以及手持设备的低功耗、低成本而高性能的a r m 芯片。下面分别对这两种芯片进行分析。 d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器。它内部采用程序和数据分开的哈佛结构， 且由专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作。提供特殊的d s p 指令可用来快速实现各 种数字信号处理算法。根据数字信号处理要求，d s p 芯片一般具有如下特点：在一个指 令周期内可以完成一次乘法和一次加法。程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器， 每个存储器独立编址，可以同时访问指令和数据。片内具有快速r a m ，提高运行速度。 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。快速的中断处理和硬件i o 支持。具有 在单周期内操作的多个硬件地址产生器。与其它微处理器芯片相比，d s p 芯片的数字信号 处理能力特别强，特别适合于较复杂的多算法任务的实现。 a r m 芯片是由a r m 公司提供a r m 内核，而由半导体生产商生产加工的3 2 位r i s c 微控制器。它的显著特点是低功耗，低成本而高性能。主要表现在：处理速度快a r m 是r i s c 结构的处理器，而且内部集成了多级流水线，像a r m 7 内核中使用了3 级流水线结 构，而a r m 9 内核中使用了5 级流水线结构，其处理速度在几十兆到几百兆不等。超低 功耗，各种档次的a r m 芯片的功耗都是同档次其它嵌入式处理器中较低的，处理器的散热 问题不用考虑，低电压，微电流供电，这些使它成为便携设备最理想的选择。价格低廉， 在各种嵌入式处理器中，a r m 的价格适中，而且使用量大，比较容易购买。在芯片上集 成的外设种类多，有u s b 接口、数量不等的通用i 0 、中断控制器、集成音频接口、r t c 模块、l c d 控制器、a d 和d a 转换、扩展总线、u a r t 、计数器和看门狗、d m a 控制器 p _ j ，z 妒硕士论文 基于机器视觉的智能手持式搬播采集仪 等等，可以根据不同的要求选择集成不同外设的芯片。目前，a r m 芯片已经成为设计嵌入 式系统的首选芯片，获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较著名的有，w i n d o wc e 、 l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、u c o s 等等。 比较两种方案，d s p 芯片的诸多特点都是为了提高运行速度和处理能力，是一种微处 理器；而a r m 芯片则具备了有较多通用f o 的特点，而且根据不周应用系统选择集成不同 外设的a r m 芯片可以大大简化系统的硬件，丽且其处理速度也相当快。同时，a r m 芯片 以低功耗、低成本而高性能著称，更加适合于嵌入式应用系统和手持设备。因此，在基于机 器视觉的智能手持式数据采集仪系统中，决定采用a r m 芯片作为系统的c p u 。 1 2 2 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪软件设计方案 嵌入式系统的软件编程方案一般说来有两种： 一是有限状态机。用这种方案编出来的程序实际上就是一个大的循环，如图l t3 ( a ) 所 示，循环体是：判断系统状态一 进八相应处理一 处理完再判断、再处理。这个方案适用于较 小的应用。它的特点是编程容易、思路清晰。效率高，而且不需要占用额外的系统资源，但 也有坏处，当系统状态很多的时候程序难以维护，而且如果一旦在一个状态上卡死( 比如无 限等待) ，系统就可能死机。 二是使用r t o s ( 实时操作系统) 。系统中的进程管理、与外部设备的输入输出管理等都 由操作系统来完成，在此基础上许多底层的问题都不需要程序员考虑。复杂的应用使用 r i d s 将会使编程变得简单。使用r t o s 的软件和硬件架构如图1 3 ( b ) 所示。它的缺点是： 需要额外的硬件资源( r o m 和r a m ) ，增加额外的c p u 开销，而且开发前要对处理器和 r t o s 都很了解。r t o s 越来越重要，现在有很多产品j w i n d o w c e 、u c l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、 u c ，o s 等等，它们大多由可以自由选择的组件构成。 ! 曰臣 ( a ) 有限状态机编程( b ) r t o s 软、硬件架构图 圈i3 嵌入式系统软件编程方案 4 泖j z 蜡硕士瓷文 基于机器视觉的智能手持式袭据采集较 在基于机器视觉的智能手持式数据采集仪系统中，需要管理的外设比较多，丽且还需设 计人机对话界面等。使用有限状态机编程方案，将是一件非常复杂的事情。如果使用r t o s 管理系统底层硬件驱动程序，建立人机对话界面等软件平台，然后在此平台上开发上层应用 软件，这将使整个软件开发变得简单，而且使得整个软件具有可裁剪性。因此，在此系统中， 软件编程将使用r t o s ，选择哪个r t o s 会在后面章节中专门讨论。 1 3 本章小结 本章首先介绍了机器视觉技术的基本原理对其中的一些技术做了简单的说明，分析了 机器视觉技术的应用现状，然后根据机器视觉技术应角的特点，提出了基于机器视觉技术的 智能手持式数据采集仪。最后，确定了智能手持式数据采集仪软、硬件设计方案。 p _ ，z 妒硕士论文 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 第二章基于机器视觉的智能手持式数据采集仪设计 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪，把机器视觉技术应用于手持设备，不仅需要完 成对图像的采集、识别工作而且还需设计友好的人机界面，方便用户使用。本章将从硬件 和软件两个方面讨论基于机器视觉的智能手持式数据采集仪的设计思路和实现过程。 2 1 硬件电路设计 本系统主要包括：电源模块、图像采集模块、数据存储模块、核心c p u 模块、l c d 显 示和键盘模块、通讯接口模块等几个模块，图2 1 是一个简化的模块示意图。 i电源模块核心c r u 模块l 牟蚓。c 。模块 i 。蚓 键盘 l图像采 存储器模块l i集模块 l。= 二d 通讯模块 i 系统中的关键器件选择如下：核心c p u 采用s a m s u n g 公司推出的基于a r m 7 t d m i 核的精简指令系统的3 2 位高速微处理器，它是一款高性能、低功耗、低成本的芯片，片上 集成了8 路l o 位a d 转换器、实时时钟、两路u a r t 口、5 路p w m 调制输出、l c d 控制 器等多种外设，适合于手持设备：图像采集模块采用c m o s 图像传感芯片o v 5 0 1 7 ，它是美 国o m n i v i s i o n 公司开发的3 8 4 x 2 8 8 分辨率c m o s 黑自图像传感器芯片，具有可编程控制 与视频模数混合输出等功能，其输出的视频为黑白图像，与c c i r 标准兼容：l c d 模块采 用1 2 8 6 4 图形点阵型集成模块c g m l 2 8 6 4 c b ，其特点是控制十分简单。 下面将分模块详细介绍这个系统的设计。 2 1 1 电源模块 本数据采集仪系统在设计之初就着重于便携 和低功耗的考虑。基于此，系统的电源设计以3 3 v 为核心，核心c p u 等主要芯片的供电采用33 v ， 外围器件尽量采用3 3 v 。另一个方面，整个系统 工作的主频率在5 0 m h z 以上，对电源的纹波有较 高的要求。 图2 2 是电源模块的示意图，系统采用3 6 v 电池供电，从图中可以看出，系统共有3 组电源， 另外加一个电源监控。3 3 v 是绝大多数芯片的供 图2 2 电源模块示意图 p _ ，z 妒硕士论文 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 。飞 黼z2 1 5 25 v m a x 6 1 9 r 图2 3 系统电源电路 电，这些芯片包括a r m 、s d r a m 、f l a s h 、u a r t 等；a r m 芯片为了降低功耗，其芯片 内核采用1 8 v 电源( 其1 ( 3 电源是3 3 v ) ；5 v 是l c d 的电源，和背光电源。各组电源的实 现如图2 3 所示。 图2 3 中。系统的2 5 v 电源和3 3 v 电源由m a x 8 8 6 9 系列电源调节芯片产生。 m a x 8 8 6 9 e u e 2 5 和m a x 8 8 6 9 e u e 3 3 是m a x i m 公司的电源调节芯片，其输入为2 7 5 5 v ， 输出分别为2 5 v 和3 3 v ，最大输出电流可达i a ，而且外围应用电路简单；系统5 v 电源由 m a x 6 1 9 产生。m a x 6 1 9 是m a x i m 公司的一款升压芯片，输入为2 0 - - 3 6 v ，输出为5 0 v ， 最丈输出电流为5 0 m a 。上述三组电源不仅能满足系统的需求，而且其转换效率也非常高， 可以延长电池寿命。 2 1 2 数字图像采集部分 图像采集电路的核心是图像传感芯片，本系统中采用o v 5 0 1 7c m o s 图像传感芯片。它 是美国o m n i v i s i o n 公司开发的c m o s 黑白图像传感器芯片，该芯片将c m o s 光感应核与外 围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模数混合输出等功能，从而在实现高保真 数字图像的前提下显著的降低了成本和体积，其输出的视频为黑白图像，与c c i r 标准兼容。 3 8 4 2 8 8 分辨率的模拟视频输出，经片上8 位视频a d 转换后由数字视频接口输出2 5 6 级 灰度值数字图像信号。0 v 5 0 1 7 的视频时序产生电路用于产生行同步、场同步等多种同步信 号及象素时钟等多种内部时钟信号：片选线、读写线、地址线、数据线、输出使能构成总线 控制o v 5 0 1 7 的各种工作状态、工作方式、数据输出格式和读取内部状态信息等。c m o s 数字图像传感芯片o v 5 0 1 7 的工作时序如图2 4 所示。 图2 , 4 ( a ) ( b ) ，是对该芯片的寄存器读写操作时序，和对普通的存储器操作相同，通过 对地址线a 3 0 的设置来选择寄存器，通过读写数据线 7 o 来读取或设置寄存器，读写 操作分别由o e b 和w e b 控制。数字视频流的输出时序如图2 4 ( c ) ( d ) 所示，图( c ) 是帧时 序图( d ) 是行时序，图中v s y n c 是帧同步信号，h r e f 是行同步信号，p c l k 是象素同步 时钟，每个象素的灰度值在p c l k 的下降沿有效。视频数据读操作时序如图2 4 ( e ) 所示，读 象索灰度值和读芯片寄存器操作相同，根据视频流输出的同步信号，通过读地址为1 0 x x 寄 存器就可以得到黑白图像象素的灰度值。 由于o v 5 0 1 7 需要的控制信号和输出的视频同步信号工作在5 v ，而s 3 c 4 4 b o xi o 1 3 的工作电压为3 3 v ，因此需要在它们之间加电平转换电路。而o v 5 0 1 7 数字视频信号输出 部分的工作电源可以为5 0 v ，也可以是3 3 v ，为了使得o v 5 0 1 7 输出的数字图像数据可以 直接和s 3 c 4 4 b o x 的i 0 口相连，此工作电源选择3 3 v 。本系统中，电平转换芯片采用 t o s h i b a 的t c 7 4 l v x c 3 2 4 5 f s ，它是8 b i t 宽的3 3 v 和5 v 总线之间双向转换的接口芯片。 图像采集的工作原理为：系统上电后，先初始化o v 5 0 1 7 ，设置参数( 工作区域、工作 速度等) ，等 寺采集图像命令。系统收到采集图像命令后，根据图2 ，4 ( c ) ，先检测帧同步信 号( 高电平有效) ，接着检测行同步信号( 高电平有效) ，帧有2 8 8 行。由于数字视频信号 7 兰! ：兰堂翌圭垒查垄! 垫墨墨塞竺塑垒苎叁墼塑墨墨垡 c s b 厂 c s b o e b w e b a 3 ：0 ( n 寄存器读操作时序圈 厂一 r r _ 一 d a t a 7 ：0 v s y n c h r e f f b l 寄存器写操作时序冒 几r l n 踊困m 田厂 丽困且 ( c ) 视频顿耐序图 l o i ，。“ 几r r 1 一厂 一_ 一n 厂 脉盯r p 一 咖m 。，二互 c 敬秘 吨旺 i 1 c s b o e b w e b a 3 ：0 h r e f p c l k d a t a 7 ( d ) 视频行时序图 厂一 ( e 1 祝频数据读操作时序图 图2 4o v s o i7 操作时序图 8 0 】7 m “ 阻 砧眙 胛 0 w d 竺! ：兰! 堡主堕圭 查! 垫墨垫苎竺童堡茎! 堂墨叁垡 在每个象素同步信号p c l k 的下降沿有效，因此在检测到行同步信号有效后，需要检测p c l k 的下降沿。在每个p c l k 的下降沿，读取数字图像对应象素的灰度值。一行有3 8 4 个象素点， 因此在检测到一个行同步信号后，需要计数3 8 4 个p c l k 下降沿，然后再检测下一个行同步 信号。 根据图像采集的工作原理，其实现的方法有两种：硬件实现和软件实现。 硬件实现方法采用f p g a 或者c p l d ，用f p g a 或者c p l d 器件实现对图像传感器 o v 5 0 1 7 同步时序的检测和图像数据的采集。其优点是采集速度快，降低系统软件复杂度。 但也有不足之处：增加了系统硬件复杂程度和成本。 软件实现方法是利用c p u 检测图像传感器o v 5 0 1 7 的同步时序，把硬件实现方法中 f p g a 和c p l d 要做的事情全部交给c p u 来完成。软件实现方法的优点是：简化了系统硬 件使得系统应用更为灵活，并且降低了系统成本。它的不足之处在于系统软件复杂程度提 高。在本系统中，图像采集实现方案采用软件实现方法，其算法如下所示： 系统图像采集子程序( 在系统中，此段代码甩汇编实现) u n s i g n e dc h a rv i d e o d a t a 2 8 8 】 3 8 4 】； 全局图像数据缓冲区 v o i dg e t p h o t o ( ) u n s i g n e dc h a r+ p ； i n t l i n e ； i n t d o t n u m ； p = v i d e o d a t a 0 0 ； w h i l e ( 1 ) i f ( r e a d _ v s y n c ( ) )检测帧同步信号，为1 则开始一帧 b r e a k ；读取操作，否则继续检测 一帧图像共有2 8 8 行 f o r ( d o t n u m = 3 8 4 ；d o t n u m 0 ；d o t n u m 一) 一行共有3 8 4 个象素点 ( w h i l e ( 1 ) i f ( r e a d _ h r e f a n d p c l k ( ) ) b r e a k ； ) w h i l e ( 1 ) i f ( ! ( r e a d _ h r e f a n d p c l k ( ) ) ) + ( p + + ) = r e a d v i d e o d a t a ( ) ) r e a d _ h r e f a n d p c l k ( ) 为行同步信号 和p c l k 信号相与 ，检测有效下跳沿，并读取象素灰度 “灌 ) 上述图像采集子程序是用c 语言的形式表述的，在系统中，为了提高程序运行效率， 这段子程序使用c p u 的汇编语言来实现。在子程序中，r e a d _ v s y n c ( ) 读入帧同步信号 v s y n c ，判断是否为高电平，是则返回1 ，否则返回o ；r e a d _ h r e f a n d p c l k ( ) 读入行同步信号 h r e f 和象素时钟信号p c l k ，并且把两者相与，返回相与结果。r e a d v i d e o d a t a ( ) 读入图像 传感器v i d e o 端口数据。在这个程序流程中，为了进一步提高运行速度，可以在硬件上直接 9 一 eno en882 i | en ( r ，向； p ，z 妒硕士论文 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 把行同步信号h r e f 和象素时钟信号p c l k 相与，c p u 只需读取其相与结果即可。 2 1 3 输入输出部分 系统的输入输出主要是键盘输入和l c d 显示输出组成。在此键盘和l c d 构成了人机对 话界面。键盘由6 个功能键和1 0 个数字字符键组成。l c d 采用了1 2 8 6 4 图形点阵型集成 模块c g m l 2 8 6 4 c b 。 键盘的设计采用常规的4 4 矩阵型结构，占用c p u4 个i o 口作为行输出，键盘的4 根列输入线与c p u 的4 个外部中断相连( 这4 个中断公用一个中断入口地址) ，因此键盘扫 描程序可以采用中断的方式也可以采用定时扫描的方式，增加了软件设计的灵活性。 l c d 模块c g m l 2 8 6 4 c b 集成了l c d 控制器和驱动电路，所需工作电源电压为5 v ，内 部自带一1 0 v 负压用于l c d 的驱动，显示内容为1 2 8 ( 列) 6 4 ( 行) 点，与c p u 接口采 用8 位数据总线并行输入输出和8 条控制线，控制十分简单，同时也简化了应用系统的硬件 电路。模块外部接口信号如表2 1 所示。 表21l c d 集成模块c g m l 2 8 6 4 c b 外部接口信号 管脚号管脚名称管脚电平管脚功能描述 lv s s0 v电源地 2v d d5 v电源电压 3v 0液晶显示器驱动电压输入 4d 仃肌h ：表示d b 7 d b 0 为显示数据 l ：表示d b 7 d b 0 为显示指令 5r wh ，lr w = “h ”，e - h ，内部显示数据被读到d b 7 d b 0 r w = l e - “h _ l ”，d b 7 - - d b 0 的数据被写入l c d 内部相应的单元 6eh ，l同上 7d b o肌数据线 8d b l肌数据线 9d b 2 h ，l 数据线 1 0d b 3肌数据线 1 1d b 4肌 数据线 1 2d b 5h 几数据线 1 3d b 6h ，l数据线 1 4d b 7肌数据线 1 5c s l h ，l h ：选择芯片i 信号 1 6c s 2h 几h ：选择芯片2 信号 1 7r e s肌复位信号，低电平有效 1 8v e e 1 0 v l c d 驱动负电压输出 1 9e ll e d 背光板电源+ 2 0e ll e d 背光板电源 c g m l 2 8 6 4 c b 用d d r a m 存贮图形显示数据，数据为1 表示显示选择，数据为0 表示 显示非选择。内部d d r a m 图形显示存储器分为左右两块，每块6 4 列，分别由c s l 和c s 2 负责片选，每块又由8 行组成一页，总共为8 页。这样t 液晶屏上显示的位置就由片选线+ 列地址+ 页地址所决定。结合l c d 模块本身的显示命令和显示地址，就可以在液晶屏上的 0 _ ；，甘硕士论t 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 任何位置显示任何字符或者符号。 c p u 对l c d 显示控制通过c p u 的i od 模拟l c d 模块接1 3 时序来实现，共需1 5 个 i o 口，6 根模拟控制信号时序，8 根用作数据线，1 根控制l c d 的背光。由于c p u 的i o 工作电压为3 3 v ，而l c d 模块工作点源为5 v ，因此中间需要进行电平转换。电平转换采 用两片t o s h i b a 的t c 7 4 l v x c 3 2 4 5 f s ，它是8 b i t 宽的3 3 v 和5 v 总线之间双向转换的接 口芯片。 2 1 4 通讯接口部分 在本系统中，通讯接口主要是一个串口，用来实现系统与计算机的数据通讯。这样，上 位机可以通过串口收集采集仪采集到的数据。由于c p u 本身集成了外设u a r t ，因此在 硬件上只需一块r s 2 3 2 电平转换芯片。在此系统中，r s 2 3 2 电平转换芯片采用m a x 3 2 2 3 ， 其工作电压为3 3 v ，同时具有两个独立的通道，体积小，功耗低，使用方便。 除此之外通讯接口部分还有一个重要的j t a g 接口。j t a g 是基于i e e e l l 4 9 1 标准的 一种边界扫描方式( b o u n d a r y 一$ c r n t e s t ) 。通过j t a g 接口，仿真软件可以访问到d s p 内的 所有资源，包括片内寄存器及所有的存储器从而提供一个实时的硬件仿真与调试环境，便 于开发人员进行系统软件的调试。虽然当系统产品化之后，j t a g 接口可以省去，但是在调 试阶段j t a g 接口还是要作为设计的一部分在电路中有所体现的。j t a gh e a d e r 是一个1 4 p i n 的接插件，外部仿真调试器通过这个h e a d e r 和c p u 进行通讯。 2 1 5 核心c p u 及存储器部分 核心c p u 采用s 3 c 4 4 b o x ，它是s a m s l r n g 公司专为手持设备和一般应用提供的高性 价比和高性能的微控制器解决方案。s 3 c 4 4 b o x 最突出的优点是它的c p u 采用a r m 公司 的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 结构，主频达到6 6 m ，工作电压为3 3 v 。 s 3 c 4 4 b o x 在a r m 7 t d m i 内容基础上扩展一系列完整的通用外围器件，使系统费用降 至最低，消除了增加附加配置的需要。集成的片上功能描述如下： 带8 k 缓存的25 v 静态a r m 7 t d m i c p u 核； 外部存储器控制器，提供了8 个m e m o r yb a n k s ，可外扩e p r o m ，s d r a m ，f l a s h 。 每个b a n k 的容量为3 2 m ，并且支持8 1 6 3 2 位的数据格式； 带有一个d m a 通道的l c d 控制器，支持单色，4 、1 6 级灰度的l c d 模块，支持 的主要显示点阵为：6 4 0 4 8 0 ，3 2 0 2 4 0 ，1 6 0 1 6 0 等； 2 个通用d m a 通道，1 个带外部请求管脚的d m a 通道； 2 路u a r t 通道，最高波特率可达1 1 5 2 0 0 b p s ； 5 个p w m 定时器及1 个内部定时器； 1 个多主机1 2 c 总线控制器； 1 个1 2 s 总线控制器： 带定时功能的实时时钟模块( r t c ) ； 看门狗定时器； 7 1 个通用i o 口，8 个外部中断资源，可用于键盘控制等； 8 路1 0 位a d 转换器： 带p l l 的片上时钟发生电路，可以设置系统的工作频率，最高可达6 6 m ，提供了 4 种系统工作方式：正常、慢速、闲置和停止，可以根据需要切换系统工作方式， 使系统功耗降低到最低限度； s 3 c 4 4 b o x 在整个系统中主要完成各个模块的协调、l c d 的显示、键盘的扫描、外围 p ，z 妒硕士论文 基于机器视觉的智能手持式数据采集仪 通信接口的管理和图像处理算法等任务；从功能上可以分为控制和算法两种，图像处理算法 将在下一章中详细阐述，这里主要介绍其控制部分的硬件电路。在本系统中，c p u 控制l c d 显示，扫描键盘等都是通过其i o 实现的。图2 5 是c p u 对系统各个模块控制的示意图。( 单 线：控制指令；双线：数据流) 图25 核心c p u 对各模块控制示意图 存储模块是系统程序和数据存放部分，存储器配置的合适与否将直接影响系统运行的效 率。由于s 3 c 4 4 b o x 内部带有p l l ，系统运行速度最高可达6 6 m ，而一般的f l a s h 存储器读 取速度都在1 0 m 左右，为了使系统性能得到最大程度的发挥，所有程序( 除了启动时的初 试化程序b o o t l o a d e r 外) 都在存取速度都要快得多的s d r a m 中运行，而且由于系统涉及到 图像处理，因此系统所需内存相对较大，在系统中选择了l i n k s m a r t 的l 4 3 l 1 6 0 6 4 ，它的数 据宽度为1 6 b i t ，容量为4 b a n k 1 m 1 6 b i t 。 系统f l a s h 存储器共有三块，两块数据宽度为8 b i t 的并行f l a s h 存储器和一块串行f l a s h 存储器。并行f l a s h 存储芯片采用s s t 3 9 v f 0 4 0 ，它是s s t 公司的5 1 2 k 8 b i t 多用途f l a s h ， 读取和编程工作电压为2 7 v 3 6 v ，最快读取速度为9 0 n s ；串行f l a s h 存储芯片采用了 a t 4 5 d b 0 8 1 ，它是a t m e l 公司的8 m b i t 串行f l a s h ，工作电压为2 7 v 3 6 v ，其最高工作速 度可达2 0 m 。 两块并行f l a s h 存储芯片的作用是：启动f l a s h 存储器和系统应用程序存储器。其中在 启动f l a s h 存储芯片中存放了b o o t l o a d e r ( 包括系统运行环境初始化程序和简单的键盘扫描 程序、l c d 显示程序、串口通讯程序、f l a s h 存储芯片的编程和擦除程序以及一些组成简单 的人机交互界面的代码) ；在系统程序存储芯片中，存放的是应用系统程序，包括了操作系 统内核系统各外设的驱动程序、系统应用程序以及一些系统初始化数据。系统的工作方式 为：由启动f l a s h 存储芯片和c p u 构成一个最小应用系统，系统上电复位后，首先运行 b o o t l o a d e r ，初始化系统运行环境。然后判断用何种方式加载应用系统( 自主模式还是下载 模式) ，如果是下载模式，则利用系统中的通讯接口，在此系统中为串口，将应用系统映像 ( 二进制代码由宿主机发送) 烧入系统应用程序存储芯片，接着程序转到系统应用程序入口， 加载系统应用程序：如果是自主模式，则程序直接跳转到系统应用程序入口，加载应用系统。 这样的一种工作模式，需要系统提供一些额外的资源( 存储器和通讯外设) ，同时延长了系 统的启动时间，但它给系统的调试和软件升级带来了很大的方便，实现了应用系统的在系统 编程。 串行f l a s h 存储芯片用于存储汉字的点阵字库和采集到图片以及图片处理后的结果。 在系统人机交互界面设计中，使用了中文的菜单和提示。汉字点阵库使用g b 2 3 1 2 标准的 1 6 1 6 汉字点阵库，二进制文件大小为2 5 6 k 。串行f l a s h 存储芯片a t 4 5 d b 0 8 i 共有i m 2 ! 竺三二二苎业丝兰 墨! 垫墨塾苎塑兰些量茎! 坠苎塑墨叁竺 8 b i t 的容量- 其空间分配如下：汉字点阵库( 0 2 5 6 k ) ，图片处理结果数据存储( 2 5 6 k 5 1 2 k ) ，图片存储( 5 1 2 k 1 m ) 。 s 3 c 4 4 b o x 的存储系统具有以下一些主要特征：。 支持数据存储的大、小端模式选择( 由系统复位时，外部管脚e n d i a n 的电平决 定，e n d i a n 为低电平，系统选择小端模式，否则为大端模式) ： 提供了8 个外部存储空间b a n k 0 b a n k 7 ，分剐由n g c s 0 n g c s 7 八根片选线控制。 每个b a n k 的地址空间为3 2 m ，从b a n k 0 到b a n k 7 连续编址，支持8 1 6 3 2 b i t 存储 器；b a n k 0 b a n k 5 支持r o m 和s r a m ，b a n k 6 、b a n k 7 支持r o m 、s r a m 、 f p e d o s d r a m 等： 每个b a n k 存储器的寻址周期都可编程设定： 在低能量的情况下支持d r a m s d r a m 自动刷新模式； 芯片中，寄存器b w s c o n ( b u sw i d t h w a i tc o n t r o lr e g i s t e r ) 设定各个 b a n k 连接的存储器类型和对存储器操作时的等待要求( b a n k 0 除外，b a n k 0 的数据总线宽 度由外部管脚o m 1 ：0 1 来配置) 。寄存器组b a n k c o n 0 b a n k c o n 7 ( b a n kc o n t r o l p e g i s t e r ) 设置各个b a n k 所连接的存储器的寻址周期要求。如何设置这两组寄存器， 将在下一节( 软件平台设计) 中详细阐述。 由于s 3 c 4 7 4 b o x 在上电时，p c 复位到0 x 0 0 0 0 0 0 执行指令，雨这个地址落在b & l k o 中，因此系统的启动f l a s h 存储芯片应和c p u 的n g c s 0 相连，其起始地址为0 x 0 0 0 00 0 0 0 。 系统应用程序存储器与c p u 的n g c s l 相连，起始地址为0 x 0 2 0 00 0 0 0 。s d r a ml 4 3 l 1 6 0 6 4 则与c p u 的n g c s 6 相连，起始地址为0 x o c 0 00 0 0 0 。串行f l a s h 由c p u 的i o 口控制。 各f l a s h 存储芯片和s 3 c 4 4 b o x 的地址空间分配情况如图2 6 所示。图中s r o m 表示s r a m 或者r o m 类型存储器。 d ，10 0 0 e 0 0 s d r a m + o z o c 0 0 o , 日o a 0 0 o x 0 8 0 0 o ) 心6 0 0 系统程序。柏4 0 疋 存储f l a s h o 如2 ：0 0 0 x 0 1 c o 启动h a s h 一+ o x 0 0 0 0 s r o m 血f 酏m 岛d r a m 1 ( n g c s t ) 2 m s i t & 3 2 m 8 ir e f er i o s r o m ! d r a m t s d r a m lt a b 培4 。1 , n g c s 6 ) ， 2 1 4 斟1 目3 2 m b j r 8 r o m 3 2 m b ( n