（模式识别与智能系统专业论文）基于arm煤炭灰分在线检测系统.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 本文是针对某洗煤厂生产线提出的煤炭灰分在线检测系统。传统 检测方法是取一定量待测煤样本，将煤燃烧后检测煤炭灰分( 根据燃 烧前，后的重量比得出杂质百分含量) ，进而判断所生产煤炭灰分是 否合格，从而控制洗煤生产设备。此法效率低且无法达到实时控制 洗煤系统。 本文针对传统方法的缺点，提出了一种新的基于a 蹦图像处理方 法一利用图像处理方法实现煤炭灰分在线检测该方法首先通过摄 像头摄取煤炭原始灰度图像，然后将原始图像通过线性加权均值滤波 器降低噪声，再通过线性灰度变换去除光照影响，最后从概率统计角 度以概率及方差为特征，对预处理后的灰度值矩阵提取特征，通过分 组特征匹配算法得到所洗煤炭是否合格的判定值，根据判定结果输出 一组控制信号达到对洗煤机器的实时控制。 关键词：a 蹦；$ 3 c 2 4 1 0 ；l i n u x ；图像采集；图像处理；分组特征 匹配 哈尔滨，t 程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da no n l i n ea s s e s s i n gs y s t e mo fc o a la s h t a r g e t i n gt h ec o a l w a s h i n gf a c t o r y t h et r a d i t i o na p p r o a c hf o rt h i s p u r p o s ei se n t i r e l ym a n u a l ：f i r s t l y , w ef e t c hs o m ec o a lf o ra s s e s s i n g ， a n dt h e nj u d g ew h e t h e rt h ep r o d u c ti sc o n s i s t e n c ew i t ht h ee x p e c t a n t r e s u l tb yb u r n i n gt h ec o a lt oa s h e s ；f i n a l l y , w ea d j u s tt h e w a s h i n g s y s t e ma c c o r d i n gt o t h ej u d g e t h i sm e t h o dn o to n l yh a sal o w e r e f f i c i e n c y , b u ta l s oc a nh a r d l ya c h i e v et h er e a l t i m ec o n t r 0 1 t os o l v et h ep r o b l e m ，w ed e v e l o pan e wi m a g ep r o c e s s i n ga p p r o a c h b a s e do na r ms y s t e mt oi m p l e m e n tt h eo n l i n ea s s e s s i n gs y s t e m t h i s m e t h o df i r s to b t a i n st h ep r i m i t i v eg r a y s c a l ei m a g eo fc o a lf r o mt h e c a m e r at h r o u g ht h el i n u xd r i v e rl a y e r a n dt h e nr e d u c et h ei m a g e n o i s e t h r o u g hal i n e r - w e i g h t i n g a v e r a g ef i l t e ra n de l i m i n a t et h ei l l u m i n a t i o n i n f l u e n c e t h r o u g h l i n e r t r a n s f o r m a t i o n f i n a l l y a b s t r a c t t h em a i n f e a t u r e so ft h eg r a y s c a l ei m a g em a t r i xb a s e do np r o b a b i l i t ya n d d e v i a t i o n b yu s i n gt h eg r o u pf e a t u r em a t c h i n ga r i t h m e t i c ，w ec a ng e t t h ef i n a lc r i t e r i o na c c o r d i n gw h i c ht oo u t p u tas e to fs i g n a l st oa c h i e v e t h er e a lt i m ec o n t r o lo nt h ew a s h i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：a r m ：$ 3 c 2 4 1 0 ：l i n u x ) i m a g ec a p t u r i n g ：i m a g ep r o c e s s i n g ： g r o u pf e a t u r em a t c h i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数 据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一 日 d ￥ 翅 月 毯 钉 x 7 字 弦 签 _ 0 期 者作 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 煤炭灰分为不能燃烧的杂质部分。灰分大小在冶金等行业中是一项重要 指标。洗煤厂的工作就是生产出符合某一行业要求灰分的煤炭。若所生产煤 炭的灰分比用户要求高，则该批煤炭不合格，此后需重新洗；若所产煤炭灰 分比用户要求低即使是一点点，由于所洗煤以成百上千吨计，累积起来也将 造成洗煤成本剧增。因此合理的控制煤炭灰分对洗煤厂来说有重要意义。 传统灰分检测方法是：取一定量待测煤样本，将煤燃烧后检测煤炭灰分 ( 根据燃烧前、后的重量比得出杂质百分含量) ，进而判断所生产煤炭灰分是 否合格，从而控制洗煤生产设备。但此法效率低且无法达到在线实时控制洗 煤系统。 熟练操作人员可以略过燃烧方法，通过直接观察煤炭外表即可估算出煤 是否合格既然能够通过人的眼睛做出判断，那么有理由通过图像处理手段 来检测煤炭合格与否来控制洗煤系统。 针对洗煤厂生产线传统方法的缺点，本文从图像处理角度给出了灰分在 线检测方案一基于a r m 煤炭灰分在线检测系统。 对于采用图像处理方法实现灰分在线检测，目前尚未见到有关该方面的 研究，仅有一些矿石种类的鉴别、矿石表面的裂纹检测，以及各种矿石的分级、 表面损伤检测等。 预计在线检测系统将会大大降低洗煤成本，有效提高洗煤系统的效率、 智能性以及自动化水平。 1 2 数字图像处理技术发展现状 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 又称为计算机图像处理，它是指 将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程【”。数字图像 哈尔滨工程大学硕士学位论文 处理最早出现于2 0 世纪5 0 年代。当时的电子计算机已经发展到一定水平，人 们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为- - f 3 学科大约 形成于2 0 世纪6 0 年代初期【2 】。早期的图像处理的目的是改善图像的质量，它 以人为对象，以改善人的视觉效果为目的【3 1 图像处理中，输入的是质量低 的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复 原、编码、压缩等。首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室( j p l ) 。 他们对航天探测器徘徊者7 号在1 9 6 4 年发回的几千张月球照片使用了图像处 理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳 位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大 的成功，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术， 如对火星、土星等星球的探测研究中，数字图像处理技术都发挥了巨大的作 用。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1 9 7 2 年英 国e m i 公司工程师h o u s f i e l d 发明了用于头颅诊断的x 射线计算机断层摄影装 置，也就是我们通常所说的c t ( c o m p u t c rt o m o g r a p h ) 。c t 的基本方法是根 据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1 9 7 5 年e m i 公司又成功研制出全身用的c t 装置，获得了人体各个部位鲜明清晰 的断层图像。1 9 7 9 年，这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖，说明它对人类 做出了划时代的贡献。与此同时，图像处理技术在许多应用领域受到广泛重 视并取得了重大的开拓性成就，属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、 工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，使图像处理成 为一门引人注目、前景远大的新型学科。 从7 0 年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速 发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。人们己开始研究如何用计算机 系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界，这被称为图像理解或 计算机视觉。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究， 取得了不少重要的研究成果。到了2 0 世纪8 0 年代，图像处理技术进入普及期， 此时的微机已经能够担当起图形图像处理的任务。2 0 世纪9 0 年代是图像技术 的实用化时期，图像处理的信息量巨大，对处理速度的要求极高。 国内近年来在本领域己做了一些研究工作。这些研究工作对机器视觉技 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 术在我国工业工程领域的应用起到了积极的促进作用，但基本上仍处于实验 研究和理论探索阶段，与国外相比，无论在硬件上还是在软件上都还有较大 的差距，需进一步开展广泛而深入的研究。 1 3 论文研究主要内容 本文从系统的硬件、软件平台两方面给出了一套完整的灰分在线检测解 决方案。 1 3 1 系统的硬件平台 根据整个检测系统的功能要求定制出一套基于$ 3 c 2 4 1 0 ( 内含a r m 9 2 0 t 核) 处理器的一组最小硬件接1 2 1 。该硬件系统主要给出了f l a s h 、s d r a m 、 网卡、串口、u s b 与中央处理器的接1 2 1 设计。对于图像采集设备仅要求采用 o v 5 1 1 、o v 7 6 1 0 作为其核心芯片即可。各接口与处理器相互关系如图1 1 ： 雪仨罐一 一 ! 一：二二：二二二二j _ ir 图1 1 $ 3 c 2 4 1 0 处理器与各子系统硬件接口框图 其中s 既s a l p o r t 串口通过主机m a h l c o m p u t e r 来实现灰分检测系统的显示 器功能。n e t w o r k c a r d 网络接口卡主要是提供与上位主机的大吞吐量数据通 信，例如传输图像。u s b 接口用来传输煤炭灰度图像，以达到实时图像采集 与处理目的。 1 3 2 系统的软件平台 基于以上的硬件系统，给出了一组以l i n u x 为内核的嵌入式软件平台 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这里从三大部分阐述；l i n u x 操作系统p5 1 的修改、图像采集子系统，图像处 理子系统。 1 3 2 1l i n u x 操作系统的修改 通过对l i n u x 操作系统工作原理的研究，提出了一套对i n i t t a b 文件修改 方案，为将要讨论的图像采集模块提供一组接口。该部分是整个嵌入系统【6 7 l 能够稳定运行的重要保证，也是实际工作量最大的部分之一。 1 3 2 2 图像采集子系统 灰分在线检测系统核心主要包括两部分：图像采集和图像处理。由于现 场实时图像采集与控制对数据处理速度要求很高，因此本文采用u s b 接口传 输实时图像。该部分给出基于l i n u x 内核的u s b 89 】驱动层次结构：摄像头 o v 5 1 1 系列驱动功能、用户层d e 0 4 i ，i r n 【i o 】图像采集应用程序接口。最后给 出了基于该用户接口灰度图像采集程序。图像采集子系统在l i n u x 操作系统 运行后自行启动，不需要人为干涉，从而增加了整个灰分在线检测系统的灵 活性、智能性。 1 3 2 3 图像处理子系统 该部分实现整个系统的算法部分。由于u s b 系统采集的数据为煤炭原始 灰度图像，需要对其处理并发出一组在线控制信号来控制洗煤系统。以图像 处理流程为顺序主要包括以下几部分：灰度图像预处理、煤炭特征提取、特 征匹配。 ( i ) 灰度图像预处理 它包括两部分：降噪与去除光照影响。本文采用线性均值加权滤波器进 行降噪处理；通过灰度空间线性变换去除光照影响。 ( 2 ) 特征提取 通过对煤炭特性分析，本文从概率统计角度上给出了煤炭两个主要特征： 方差、不同灰度级的概率分布特性。 ( 3 ) 特征匹配 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从煤炭统计特性出发大胆的提出了一种特征分组匹配算法，从丽有效地 提高了灰分检测系统特征判定条件的灵活性。最后通过一种二次特征加权算 法对分组匹配算法所处理的结果进步处理，得出了所洗煤合格与否的判定 条件。 ( 4 ) 干扰消除 反光的影响使煤被误判为杂质。造成所得的判定条件可信度降低。针对 该假象产生原因本文给出了三种解决方案：亮点去除方案、引进修正因子、 多摄像头方案。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基于a r m 9 2 0 t 系统硬件设计 根据灰分在线检测系统功能要求，在系统设计之初对系统提出一个总体 规划，包括功能模块的划分、硬件芯片的选择以及与之配套的软件等。在整 体方案确定以后再进行系统的硬件设计。 2 1 系统总体结构设计 灰分检测系统需要实时采集煤炭图像，然后对所获取的图像进行处理， 进而输出一组控制信号来达到对洗煤系统的现场控制。此外系统能够与上位 主机通信也是一项重要功能。根据以上要求确定该系统主要由以下模块组成： 通信模块、中央处理模块、图像采集模块、执行单元、洗煤系统。各模块之 间相互关系如图2 t 所示； 陌傅吲 匿塑墅翌司 凸 图2 1 系统总体结构框图 2 2 中央处理模块 中央处理模块主要由主处理器芯片和存储芯片来构成。根据系统的实际 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 要求选择处理器芯片；以数据量的大小、运行软件的大小、数据的存储方式 来确定存储器芯片，由这些芯片构建最小系统。在中央处理模块中，主要的 器件就是微处理器。 2 2 1 微处理器类型的选择 设计灰分检测系统要考虑成本等问题，基于台式p c 机固然可以解决问 题，但其有如下缺点：成本高灵活性低体积大、笨重、便携性不好。 基于以上原因首先把基于台式p c 机排除在外。因此在嵌入式处理器里选一款 最适合开发的芯片。 ( 1 ) 嵌入式微控制器( m c u ) 【l l 】，嵌入式微控制器又称单片机，它将整 个计算机系统集成到一块芯片中。m c u 一般以某种微处理器内核为核心，芯 片内部集成r o m e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 、r a m 、总线、总线逻辑、 定时，计数器、w a t c h d o g 、f o 、s p i 、p w m 、a d c 等各种必要功能和外设。 其灵活性很好，控制性能也较好，但是对于图像采集处理系统，单片机的处 理速度远远达不到可接受的程度。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d s p ) ，d s p 处理器对系统结构和指令进行了特 殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较快， 在数字滤波、f f t 、谱分析等方面具有明显的优势该类处理器的高速性能 虽能满足实时图像采集的高速性能，但其控制性能较弱。灰分检测系统在处 理采集的图像后要对洗煤系统发出各种各样的控制信号，要求芯片支持多任 务功能，也就是说要有并发执行的能力。 ( 3 ) 嵌入式片上系统( s o c ) ，随着e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术的推广和v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 设计的普及化，以及半导 体工艺的迅速发展，已经可以在一个硅片上实现一个复杂的系统，即s o c 1 2 l 。 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工 厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可 集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积 和功耗、提高可靠性非常有利。但是他开发周期长、成本高且用s o c 实现一 个处理器也没必要，因为可以使用成型的处理器。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 嵌入式微处理器( m p u ) ，嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的 c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式 应用有关的模块，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应 用的特殊要求，m p u 虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作 温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。m p u 0 3 l 目前主要有 x 8 6 、p o w e r p c 、6 8 k 、m i p s 、a r m 系列等。这些芯片基本上都能达到使用 要求，但是从性价比等综合因素考虑选择a r m 处理器。 2 2 2a 刚芯片型号的选择 目前市面上主要流行的a r m 芯片有a r m 7 、a r m 9 1 4 l 两个系列。现在 也有a r m l 0 、a r m l l 等芯片问世。这几个系列产品对于在线检测系统从性 能上说都能满足要求。这些芯片上都能跑嵌入式l i n u x 操作系统。但是a r m 7 与其它三款相比缺乏一重要功能单元m m u ( 内存管理单元) 。m m u 负责虚 拟地址到物理地址的变换，此功能与x 8 6 系列的i n t e l c p u 的m m u 功能基本 上一致。a r m 7 没有此功能那么就意味着它上面的多任务即多个进程没有私 有地址空间，换句话说一个进程可以访问另一个进程的地址空间，使得操作 系统的安全性能大打折扣，更容易造成操作系统的瘫痪，所以a r m 7 仅可以 运行u c l i n u x 的类l i n u x 操作系统，而不可以运行真正的l i n u x 操作系统。 a 1 l m 9 已完全具有运行l i n u x 的功能且具有完善的m m u 功能。尽管a r m l 0 、 恹ml l 能够满足要求，但从性能价格比上考虑，最终选择a r m 9 的 a r m 9 2 0 t 微处理器核。仅仅是a i l m 9 2 0 t ”】核它什么也做不了。一套完整的 片上系统他要有一组控制器比如u s b 控制器【1 6 1 ( 图像采集模块采用u s b 传 输数据) 、l c d 驱动器( 可以作为以后的显示器扩充) 、串口控制器等等。因 此选用s a m s u n g 生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 1 川处理器。该处理器嵌入了a r m 9 2 0 t 核，但其增加了很多实用的控制器，该芯片的结构如图2 1 ： 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 l 一叭：k 冷 l 一l 乍冷 p l i 乍专 ba p o l ”警i 乍专 8 u l 怎篡基i 夺移 0 l h d _ i 、吖 ls p l o ，i 仁专l 。潞 图2 1s a m s u n g 的s 3 c 4 2 1 0 a 处理器功能框图 该处理器框图的顶端部分为嵌入的a r 9 9 2 0 t 核，下部为各种控制芯片。 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 2 2 3s 3 c 2 4 1 0 存储器的选择与接口电路设计 l t ，瞳 s f 靛 & s r 黛 “铆b i - 瞳一 * o h d f w嗣帕衄嘲， 粼黜1 。： t r , g c s n自e c s r o m s d m 蛾 篙黼，“”g i r g c 辎) 8 ( r , c c s s )扣0 瞎酌 g 硎3 自g c 洲 抽口c 斟 蠲- 愚 1 g o v d 阳 g s r o u 仳鞠d口 1 a - e 0 m * 瞄蚴i i g c s 却 s r o 一g 捌l 糟 * 0 嘲扣。嗣 s 一0 t 43 h b c 8 1 佃b c s l 姐_ 墨 3 0 i 姊一，麓e f 6 c 鞠 s r m 裤陋 p _ e m k q l i m l e o g m _ h r w - 一期- 啪黼- - - - _ 峰 图2 2s 3 c 2 4 1 0 复位后存储空间分布图 s 3 c 2 4 1 0 存储器控制器提供外部存储器存取的控制信号，它具有如下特 性：数据存储在存储器的方式可以通过软件设置成大端和小端两种方式，系 统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节，共l g 字 节，采用n c , c s 7 ：0 18 个通用片选线信号选择8 个b a n k 区。图2 2 是 s 3 c 2 4 l o 复位后的存储空间分布图；b a n k o 到b a n k 5 的开始地址是固定的， 用于r o m 或s r a m ；b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d 凡气m ， b a n k 6 地址也是固定的，b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，起始地址 和大小编程可变；除了b a n k o ，其余的存储段可以通过程序控制存取的位数 8 1 6 3 2 ；支持s d r a m 的自动刷新和电源模式等。$ 3 c 2 4 1 0 存储器控制器 支持多种类型的存储器，针对检测系统需求，下面讨论一下存储器的如何选 1 0 | 翌= = = = 哈尔滨工程大学硕十学位论文 用以及接口设计问题。 2 2 3 1f i a s h 存储器类型的选择与接口设计 o m 1 ：n l ，。，i - - 日y 1 置 m 卜_柚 l ，d 童l d d r 竹 a l j ， d d 曩2 僻，l ， 2 d 瑚d i a u d 口口q 1 5 l j 、r a 嫱置f 露 丑a l n a z e 2 8 f 1 2 8 n 祝n 骶 矗口c s 口n 锄 n c 置1 啪丑c l e ，品卜w i r n 图2 3 $ 3 c 2 4 1 0 与e 2 8 f 1 2 8 的接口框图 闪存f l a s h 是一种能够长期存储数据的设备，在不加电的情况数据也 不会丢失和磁盘设备相比，闪存在体积、抗震性、耗电等方面都有很大的 优势，因此正好符合嵌入式系统的特点和要求目前市场上的闪存芯片一般 有以下两种：n o r 闪存，地址线和数据线分开，可以直接读取其芯片内 储存的数据，因而速度比较快，是一种随机存储介质，主要用来存储较少的 程序代码；n a n d 闪存，地址线和数据线共用，使用控制信号选择，需 要特殊的系统接口进行管理，是一种连续存储介质，适合做大容量数据存储。 根据以上两种f l a s h 的特点，从系统运行速度和存储量方面考虑，本系统 选用i n t e l 公司生产的n o rf l a s he 2 8 f 1 2 8 j 3 a 存储操作系统内核代码 和应用程序代码，容量为1 6 m 字节，规格为8 m x l 6 位，读取速度为1 5 0 n s ， s 3 c 2 4 1 0 和f l a s h 接口设计框图如图2 3 所示。 s 3 c 2 4 1 0 具有三种b o o t 方式，由o m i ：0 管脚选择：o o 时处理器从 n a n d 闪存b o o t , 用户将b o o t l o a d e r 代码和操作系统镜像放在外部的 n a n d ，处理器上电复位时，通过内置的n a n d 闪存访问控制接口将 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b o o t t o a d e r 代码自动加载到内部韵4 k bs r a m ( 此时该s r a m 定位于起始地 址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 并且运行，在b o o ts r a m 运行的b o o f l o a d e r 程序将操 作系统的镜像加载到s d r a m ，之后操作系统就能够在s d r a m 运行，启动 完毕后，4 k bb o o ts r a m 就可以用于其他用途；o l 时从1 6 位宽的r o m b o o t ；1 1 时从3 2 位宽r o mb o o t 。因为本系统采用的f l a s h 是1 6 位的 n o r f l a s h ，因此是通过把0 m 【l ：o 】引脚设置成o l 以第二种方式启动的。 这时b o o tr o m 就要定位于内存的起始地址空间o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，在图2 3 中， e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 有n c e 0 n c e 2 三个引脚共同起片选作用，因为使用的是单片 f l a s h ，所以把n c e l 和n c e 2 设置成低电平，$ 3 c 2 4 1 0 使用n g c s 0 与 n c e o 相连完成对1 6 位f l a s he 2 8 f 1 2 8 j 3 a 进行片选，这样该f l a s h 在$ 3 c 2 4 1 0 系统上电复位时就定位于系统存储空间的b a n k 0 段，处理器直 接在其上运行b o o t 程序，4 k bb o o ts r a m 被定位于内存地址0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 处，之后再把操作系统拷贝到s d r a m 中运行。实现正确的片选后，再讨论 一下数据线，地址线以及其它控制信号的连接。a 0 a 2 4 是地址线，f l a s h e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 是1 6 位的，因为a r m 处理器s 3 c 2 4 1 0 中也要求字单元的 地址是1 个字边界对齐的，所以需要把a 0 接地，设置成o ，a 1 a 2 3 与 s 3 c 2 4 l o 的a d d r l a d d r 2 3 对应相连，与兼作通用i o 线的a d d r 2 4 g p a 9 相连，d q 0 d q l 5 数据线接$ 3 c 2 4 1 0 的低1 6 位数据线d a t a 0 d a t a l 5 , n b t y e 是8 1 6 b i t 数据带宽选择，这里设置成高电平表示使用的是 1 6 b i t , v p e n 引脚是提供相关数据操作保护，可通过引出一上拉电阻与电源 v c c 相连。n o e 和n w e 由$ 3 c 2 4 1 0 的读写控制信号n o e 和a w e 提 供，如果从闪存f l a s h 读取数据，$ 3 c 2 4 1 0 就必须通过相关控制信号输出 把n c e 0 和n o e 设置成低电平，n w e 为高电平，在系统加电或复位时闪 存芯片上的逻辑电路保证将数据送出，这里n r p 是复位信号线与处理器的 n r e s e t 相连执行对f l a s h 的复位；如果要向f l a s h 芯片上写数据， $ 3 c 2 4 1 0 就必须通过相关控制信号输出把n w e 和n c e 0 设置成低电平， n o e 为高电平。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 2p a n 选择与接口设计 r a m 有两大类，一种称为静态r a m ( s t a t i cr a m ) ，简称s r a m 。s m 气m 速度非常快，是目前读写速度最快的存储设备，但是它也非常昂贵【1 9 1 。另一 种称为动态r a m ( d y n a m i cr a m ) ，简称d r a m ，动态r a m 的速度比s r a m 慢，不过比任何r o m 都要快。d r a m 也有很多类型，最常用的有e d o r a m 、 s d r a m 和d d r a m 。 ( 1 ) e d o r a m ( e x t e n d e dd a t ao u t p u tr a m ) ，扩展数据输出动态内存， 这是一种很快的读取方式，但内存的时钟和c p u 外部时钟不是同步的，这就 会导致在每次读写数据的时候有个协同时间，效率不高，最快存取速度只有 1 5 n s 。 ( 2 ) s d r a m ( s y c h r o n o u sd r a m ) ，同步动态内存，可以和c p u 的外部 时钟同步运行的，因此读写效率很高，存取速度高达7 5 n s 。 ( 3 ) d d r r a m ( d o u b l e d a t e r a t er a m ) ，双数据率动态内存 2 0 l ，这种改 进型的r a m 和s d r a m 是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读 写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了，但价格也比s d r a m 贵。 w 5 7 v h l 咖 s 3 c 纠1 0 图2 4 $ 3 c 2 4 1 0 与h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0s d r a m 存储器接口框图 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s d r a m 具有单位空问存储容量大和价格便宜的优点，由于s 认m 可 以与c p u 同步工作，无等待周期，减少数据传输延迟，而且价格低廉，因此 选用了该类型的r a m 。根据运算的数据量和程序的大小，最后确定采用 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 存储容量为4 组x 1 6 m 位( 8 m 字节) ，工作电 压为3 3 v ，支持自动刷新( a u t o - r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数 据宽度，拼成3 2 位数据宽度，构成“m 字节的存储空间。 $ 3 c 2 4 1 0 关于s d r a m 的控制信号主要有n s r a s 、n s c a s 、d q m 3 ：0 、 s c k e 、s c l k 1 ：0 1 、n w e ，这些信号引脚可以直接与h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片相 连，图2 4 给出了$ 3 c 2 4 1 0 与其中一片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 相连的框图。 $ 3 c 2 4 1 0 使用n c 屺s 6 实现两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的片选，这样s d r a m 的 起始地址为：0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。因为a r m 中要求字单元的地址是2 个字对齐的， 这就要求地址的低两位为0 ，即地址线的低两位a d d r i ：0 设置为低电平， 在图中所示$ 3 c 2 4 1 0 是使用a d d r 2 直接与h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的a 0 相连 的，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是2 m x l 6 b i t x 4 b a n k 的1 6 ms d r a m 芯片，芯片上的 b a o 和b a l 是b a n k 地址输入信号，它决定了激活哪个b a n k 进行读写或 者预充电操作，由s 3 c 2 4 1 0 的地址线及兼作通用i o 口的a d d l 讲和 a d d r 2 5 提供，d q m 主要用于屏蔽输入输出，具有相当于o e 引脚( o u t p u t e n a b l e ) 的功能，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的写信号l m ，e 由s 3 c 2 4 1 0 存储器控制器的 写信号n w e 直接控制，$ 3 c 2 4 1 0 的n s r a s 和n s c a s 分别控制存储器的 n s r a s 行地址选通信号和n s c a s 列地址选通信号，另外s c k e 提供存储 器的s c k e 时钟使能信号，s c l k 0 提供系统时钟给s d 黜m ，使两者以相 同时钟同步工作。s 3 c 2 4 1 0 的数据总线d a t a 0 d a t a 3 l 与两片1 6 位 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 拼成的3 2 位数据线直接相连，因为两者的电源电压都是使用 3 3 v ，因此不需要进行总线隔离和电平转换。 2 3 图像采集模块 图像采集模块是在线检测系统的图像获取硬件部分。该模块的主要组成 部分：获取图像的摄像头部分；$ 3 c 2 4 1 0 与摄像头的u s b 接口工作 原理：通过摄像头采集图像数据并以u s b 通讯方式传给$ 3 c 2 4 1 0 处理器。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用u s b 接口主要原因：图像采集系统实时性要求较强，而u s b 传输速 度快；所使用的a r m l i n u x 操作系统对u s b 驱动程序有很好的支持。市 场上常见的摄像头基本都是采用u s b 传输方式。 2 ，3 1 摄像头的选择 硬件系统最终要靠与之配套的软件系统才能发挥作用，设计一个实际可 用系统的软件开发难度不能不考虑。所设计的硬件能够使相应的软件开发工 作量越小越好。要达到此要求应该尽量使用现有的成熟软件，将其做少量的 修改或者不加修改移植到新硬件平台。考虑到现有的a r m - l i n u x 操作系统对 基于o v 5 1 1 2 n 、o v 7 6 1 0 芯片圈的摄像头驱动有较好的支持，因此采用该芯 片的摄像头。其与$ 3 c 2 4 1 0 关系如图2 5 所示： 图2 5 $ 3 c 4 2 1 0 与摄像模块关系框图 o v 7 6 l o 系列芯片相当于摄像头前端的图像采集系统，他把采集的图像 以数字信号方式传给o v 5 1 1 ；o v 5 1 l 系列芯片相当于一个u s b 设备控制系 统，把接收来自0 v 丁6 l o 的数字信号传送给带有u s b 主机设备的s 3 c 4 2 l o 中央处理模块。 为了节省开发时间，本文不设计自己的摄像头，仅任选一款基于该芯片 系列的摄像头就可以满足需要。这样的摄像头一般有一个u s b 设备接口，因 此只需在s 3 c 4 2 l o 上实现一个u s bh o s t 接口。只要是基于以上芯片系列的 摄像头，在线检测系统就可以正常工作。目前市场上基于该芯片的摄像头很 多如；g e n e r i cc a m e r a 、m u s t e kw c a m3 x 、d - l i n kd s b c 3 0 0 、g e n e d c 0 v 5 1 i 0 v 7 6 l o 、l i f e v i e wu s bl i f et v 、c r e a t i v el a b sw e b c a m3 、l i f e v i e w u s bl i f ct v ，k o a l a - c a m 、l i f e v i e wu s bl i f et v 、s a m s u n ga n y c a m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m p c - m 1 0 、m t e k v i s i o nz e c am v 4 0 2 | 2 6 ，s u m a e o n 、l i f e v i e wu s bl i f el 、，、 l i f e v i e wr o b o c a m 、a v e r m e d i ai n t e r c a me l i t e 、m e d i a f o r t em v 3 0 0 、e z o n i c s e z c a m 、w e b e y e2 0 0 0 b 、a l p h av i s i o nt e c h a l p h a c a ms e 。 2 3 2u $ 8 接口电路的设计 $ 3 c 2 4 1 0 芯片虽然有u s b 主机控制器支持图像采集模块，但是他只是芯 片级支持并没有接口，所以需要为其设计一个接口电路使之能够与现存的摄 像头匹配。 s 3 c 2 4 l o 集成了u s b 主机控制器和设备控制器，在外部有2 个u s b 主机接口和一个设备接口。通用串行总线( u s b ) 设备控制器支持u s b l 1 协 议版本，有悬空和唤醒功能，允许使用d m a 的批量传输、中断传输和控制 传输三种传输方式。$ 3 c 2 4 1 0 引出u s b 连接口十分方便，按照u s b i 1 标准 协议连接即可，同时支持低速和高速的u s b 设备传输。在这里扩展的是主 u s b 接口，应将d + 接$ 3 c 2 4 1 0 的d p , d 接d n , 电路如图2 6 所示，本系 统的u s b 数码摄像头就连接在u s bc o n 上。 啪 图2 6 $ 3 c 2 4 1 0 与u s b 接口扩展电路 2 4 通信模块设计 通信模块为在线检测系统与通用p c 机提供通讯服务，可以通过网络接 口卡把所处理的图像数据上传到主机或者i n t e r n e t 上的任意角落。另外还增 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 加了u a r t 串口电路接口以充当$ 3 c 2 4 t 0 的显示器。 2 4 18 3 c 2 4 1 0 与u a r t 串口电路设计 订 图2 7 $ 3 c 2 4 1 0 与u a r t 的接口电路框图 s 3 c 2 4 l o 的u a r t 提供3 个独立通道的异步串行输入输出口，每一个 都可工作在中断模式和d m a 模式下。如果用系统时钟, u a r t 可支持达 2 3 0 4 k b p s 的位速率；如果用外部设备通过u c l k 提供的时钟，那么u a r t 可工作在更高的速率；2 个u a r t 都可用作红外线接口。$ 3 c 2 4 1 0 可以很 方便地用u a r t 实现r s - 2 3 2 串口功能，但$ 3 c 2 4 1 0 的供电电压为 1 8 v 3 3 v 所以i o 口的最大逻辑电平也是3 3 v 要实现r s 2 3 2 串口功能 还需电平转换电路，m a x 3 2 3 2 可满足这一要求。m a x 3 2 3 2 为单+ 3 3 v 电源供 电，仅需外接几个电容即可完成从t t u c m o s 电平到r s 2 3 2 电平的转换。 连接图如图2 7 所示，r s 2 3 2 工作在3 线制状态下。 2 4 28 3 c 4 2 1 0 网络接口设计 处理器$ 3 c 2 4 1 0 中没有集成网络控制器，要实现网络连接，须使用网 络接口芯片进行扩展。d m 9 0 0 0 网是完全综合的、成本较低的快速以太网控 制器芯片，具有通用的处理器接口，l o ，1 0 0 m 自适应，以及4 k 双字节静态 存取存储器。它具有低功耗高处理性能的特点，支持3 3 v 到5 v 的容差， 支持m i i 接口和可选的e e p r o m 配置，支持8 位，1 6 位，3 2 位的接口 来适应不同的处理器对内部存储器的访问，完全支持i e e e s 0 2 3 u 规格和 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 3 x 全双工流控制以及支持连接状况变更和远程唤醒功能，因此本 系统采用它来进行网络功能扩展。$ 3 c 2 4 1 0 与d m 9 0 0 0 的连接框图如2 8 所示： 曩搬 啊卫l l 一半 瑚e a卅j 刊 d 豫脚： i d 呻：嘲c a 、i i w 5 翰 帕l w 坷 c 卜o k 一 f m 肿j = s = 噼l d a n d 霸靠 啪l 口 d 嘲o 珊 h c 抖埔 卫丘口r 踟， 翻阳肌 m t a l 嘲姐 譬加_ o c n棚 盈捌 j 5 m 图2 8 $ 3 c 2 4 1 0 与d m 9 0 0 0 网络接口卡接口框图 通过网络变压器连接的l u 4 5 接口可以直接连接到外部网络中去。 d m 9 0 0 0 支持i s a 异步总线接口，该i s a 接口支持对内部存储器数据操作 的8 位和1 6 位i o 模式，这里采用的是其中1 6 位数据i o 模式， d m 9 0 0 0 的1 6 位数据线s d 0 0 ：1 5 与c p u $ 3 c 2 4 1 0 的低1 6 位数据总线 d a t a 0 0 ：1 5 相连，d m 9 0 0 0 的地址线s a 4 s a 9 用来选择其中的i o 端1 2 1 的基地址，基地址是可在3 0 0 h 3 7 0 h 范围内进行设置的，图中把s a 9 和 s a 8 连接到v c c ，s a 4 s a 7 接g n d ，这样就把d m 9 0 0 0 的i o 基地址 设置为3 0 0 h ，如果在d m 9 0 0 0 外围配置了e e p r o m 的话，也是可以通过 对e e p r o m 编程来重新设置这个地址