（机械电子工程专业论文）嵌入式图像采集系统的研究与实现.pdf

摘要 随着多媒体技术和网络技术的发展，嵌入式图像采集系统的研究与实 现越来越受到人们的重视。目前，图像的采集设备大都是以个人计算机为 核心来进行处理的。利用计算机强大的处理能力和通用的接口，设计专用 的图像采集卡来采集图像，应用非常广泛。但因其体积庞大、成本高，携 带不便，因此许多户外场合下p c 机并不适合于图像的采集。在这种背景下， 设计种轻便小巧的采集系统来采集、存储并显示所需的图像成为市场所 一 胴。 本文主要研究了基于a r m 核嵌入式图像采集系统的可行性，提出了相 应的开发目标和性能参数，并在此基础上主要给出了基于处理器s 3 c 4 4 b o x 的图像采集的总体方案、硬件设计和电路原理图和相应的底层软件模块； 具体包括图像的数字化，即视频a d 转换模块，此部分采用p h i l i p s 公司 的高性能s a a 7 1 1 4 h 作为视频编码的主要芯片，它是一款高度集成且功能强 大的图像解码集成电路；数字量存储所需时钟匹配模块；触摸屏作为输入 控制的液晶显示模块，并在此硬件基础上嵌入u c g u i 以便设计友好的多媒 体人机界面；当手接触触摸屏时，利用s 3 c 4 4 b o x 模拟s p i 总线对触摸屏控 制芯片a d s 7 8 4 3 写入控制字来实现中断控制；还讨论了此a r m 系统与p c 机之间的远程网络通信模块，研究了系统网络传输的实现方案一采用 r t l 8 0 1 9 a s 芯片，在此基础上嵌入t c p i p 协议，整个设计中充分考虑到整 个视频采集系统的通用性，使得该系统可以作为一个通用的视频采集的硬 件平台，该系统还具有较好的可扩展性，容易在此基础上进行二次开发。 毋庸质疑，嵌入式系统技术式目前电子产品设计领域最为热门的技术 之一，目前已经广泛地应用于军事国舫、消费电子、网络通信、工业控制 等各个领域。此套硬件系统可应用于l c d 显示屏、桌面视频、多媒体、数 字电视机、图像处理、可视电话和远程户外图像采集等领域。 论文最后论述了整个图像采集系统的调试和实验工作。实验结果表明 整个图像采集系统基本上达到了系统设计中所给出的性能指标，证明了整 个系统设计的难确性和合理性。 关键词：a r m ，s 3 c 4 4 b o x ，图像采集，s a a 7 1 1 4 h ，l c d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r k s ， t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fg a t h e r i n gi m a g e sh a v eb e e nh i g h l i g l l t e di n e m b e d d e ds y s t e m s c u r r e n t l y , u s i n gi t sp o w e r f u lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n d o v e r a l li n t e r f a c et od e s i g nt h ei m a g ec o l l e c t i o nc a r d ，t h ee q u i p m e n t so fi m a g e s c o l l e c t i n gs y s t e ma r em o s t l yb a s e d o np e r s o n a lc o m p u t e r , a n dt h ea p p l i c a t i o ni s v e r ye x t e n s i v e h o w e v e r , b e c a u s eo fh i sh u g es i z e 、h i g hc o s t s 、i n c o n v e n i e n c e i n m a n yo u t d o o ro c c a s i o n s ，p e r s o n a lc o m p u t e r sa r en o ts u i t a b l ef o rt h ei m a g e s c o l l e c t i o n ，i ns u c he n v i r o n m e n t ，t h ed e d i c a t i o nt od e s i g no fap o r t a b l ei m a g e c o l l e c t i o ns y s t e mb e c a m en e c e s s a r yf o rt h em a r k e t i nt h i st h e s i s ，t h ef e a s i b i l i t yo fr e a l i z i n ga ne m b e d d e di m a g ec o l l e c t i o n s y s t e m i si n v e s t i g a t e d ，as c h e m eo fi m a g ec o l l e c t i o nb a s e do ns 3 c 4 4 b o xi s d e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r e ，c i r c u i te l e m e n t sc h a r ta n dt h es u b s t r a t e s o f t w a r em o d u l ea r ep r o p o s e d ，a i m i n ga tt h ed i g i t a l i z a t i o no fv i d e oi m a g e ， t h el i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) a n ds t o r a g eo fi m a g e ，a sw e l l a st h e t r a n s f e r r i n go fc o l l e c t e di m a g e sb yc o m p u t e r , w i t ht h ec h i ps 3 c 4 4 b o x a st h e c h i e fp r o c e s s i n gc h i p ，t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e sa dc o n v e r tc i r c u i t ，l c d a n dt o u c hs c r e e nc i r c u i t ，a n dt h ee m b e d d e dn e t w o r k st r a n s m i s s i o n a tt h es a m e t i m e ，t h eu c o so p e r a t i o ns y s t e mw i t hs 3 c 4 4 b o xc h i pi sd e s i g n e ds ot h a ta t h i nb o d yw e bs e r v e ri sf o r m e d i nt h ew h o l ed e s i g nt h ef l e x i l i t yo fi m a g e c o l l e c t i o ni sc o n s i d e r e ds u f f i c i e n t l y , s ot h ew h o l es y s t e mc a nb eu s e da sa g e n e r a li m a g ec o l l e c t i o nf l a t f o r m t h i sf l a t f o r mc a l lb eu s e dt or e a l i z ea n y c o m p r e s s i n ga l g o r i t h m s o r p r o t o c o l s t h i ss y s t e m h a sa ne x c e l l e n t e x p a n s i b i l i t ya n di se a s yt ob ed e v e l o p e ds e c o n d l y t h et e c h n i q u e so fe m b e d d e ds y s t e mb e c a m et h em o s tp o p u l a rt e c h n i q u e i ne l e c t r o n i cr e a l mc u r r e n t l y , w h i c hh a v ea l r e a d yb r o a d l yb e e na p p l i e di nt h e m i l i t a r y n a t i o n a ld e f e n s e ，c o n s u m ee l e c t r o n i c s ，n e t w o r k c o r r e s p o n d e n c e ， i n d u s t r yc o n t r o le t c e a c hr e a l m f r o mm yt h e s i s ，t h i ss e to fh a r d w a r es y s t e m c a nb ea p p l i e di nl c dm a n i f e s t a t i o n ，t h ed e s k t o pv i d e op a t t e r n ，m u l t i m e d i a t e a c h i n g ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ，p i c t u r eh a n d l e ，s c r e e np h o n ea n dc o l l e c t i n gv i d e o a n d 仃e q u e n c ys i g n a l ，a n dt h eo u t d o o ri m a g ec o l l e c t i o ne t c a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，t h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n go ft h ee n t i r ee m b e d d e d i m a g e c o l l e c t i o nb a s e dw e bs e r v e ri sd e m o n s t r a t e d t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h i sc o m p r e s s i o ns y s t e mc a nr e a c ht h o s et a r g e t sr e q u i r e di n i t i a l l y a n dt h e r e s u l t sp r o v et h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c t k e y w o r d s ：a r m ，i m a g ec o l l e c t i o n ，s a a 7 1 1 4 h ，l c d ，s 3 c 4 4 b o x 武汉理工大学硕上论文 第1 章嵌入式系统概述 随着社会的日益信息化，任何一个普通人都可能拥有从小到大的、各 种使用嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型化数字产品，大到 网络家电、智能家电、车载电子设备等。目前各种各样的新型嵌入式系统 设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。嵌入式系统是当今最热门 的概念之一，然而到底什么是嵌入式系统呢? 什么样的技术可以称之为嵌 入式系统呢? 1 1 嵌入式系统的历史 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出 现。从2 0 世纪7 0 年代单片机出现到今天各式各样的嵌入式微处理器1 1 】、 微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史。 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。2 0 世纪7 0 年代单片机的出 现，使得汽车、家电、工业机器人、通信装置以及成千上万种产品可以通 过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，更易使用，速度更快、价格更低。 这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8 位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。 从2 0 世纪8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操 作系统1 2 ”编写嵌入式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周 期，降低开发成本并提高开发效率。1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 开发出世界上 第一个商业嵌入式实时内核( v t r x 3 2 ) 。这个实时内核包含了许多传统操作 系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、 内存管理等功能。此后一些公司也纷纷推出了自己的嵌入式操作系统，如 i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和w i n d r i v e r 的v x w o r k s 3 1 、q n x 公司的q n x 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采 用占先式的调度，响应时间很短，任务执行的时间可以确定：系统内核很 小，具有可裁剪性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理器上；较 强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统 的出现，使得应用开发人员从小范围的开发中解放出来，同时也促使嵌入 式有了更为广阔的应用空间。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升。 武汉理工人学硕七论文 实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统( r t o s t 4 1 ) ，并作为一种软件平 台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式 系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的 几家老牌公司以外，还出现了p a l mo s 、w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x f 5 i 、 l y n x 、n u c l e u s 以及国内的h o p e n 、d e l t ao s 等嵌入式操作系统。随着嵌入 式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。 今天，r t o s 已经在全球形成了一个产业，根据美国e m f ( 电子市场 分析) 报告，1 9 9 9 年全球r t o s 市场产值达3 6 亿美元，而相关的整个嵌 入式丌发工具( 包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器) 则高达 9 亿美元。 1 1 1 嵌入式系统的定义 根据i e e e l 6 1 ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控 制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e s u s e d t o c o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。 这主要是从应用上加以定义的，由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的 综合体。 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个 普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可 裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专 用计算机系统。 可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 1 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体 应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。可以这样理解上述三个方面 的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须 结合实际系统需求进行合理的裁剪利用。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及 各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是个技术 密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入 式系统行业，必须有一个正确的定位。例如p a l mo s 之所以在p d a 领域占 有7 0 以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界 面的多任务管理：而风河的v x w o r k s 之所以在火星车上得以应用，则是因 2 武汉理工大学硕上论文 为其高实时性和高可靠性。 3 嵌入式系统系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足 应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以如果能建立相对通用 的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的 发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几k b 到几十k b 的微 内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁剪。由于微内核的存在， 使得这种扩展能够非常l i r 哽n 地进行。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成4 个部分：处理器、存储器、 输入输出( i 0 ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都 是紧密结合的，在这里对其不加区分，这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统 的最大区别) 。 1 1 2 嵌入式系统的特点 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特 征： 1 系统内核小。 2 专用性强。 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的饿明显区 分，不要求其功能的设计及实现过于复杂，这样不仅可以控制系统 成本，还可以实现系统安全。 4 高实时性的操作系统软件是嵌入式系统的基本要求，而且软件要求 固化存储，以提高速度。 5 嵌入式系统软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系 统，这样才能保证程序的实时性、可靠性，并减少开发时间，保证 软件质量。 6 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境，开发时往往有主机和 目标机的概念，主机用欲程序的开发，目标机作为最后的执行机， 开发时需要交替结合进行。 1 2 本课题研究内容概述 本课题的研究f 是基于嵌入式开发这个环境进行的，数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采样、存储、 处理以及控制传输等方面的问题，将外部世界存在的温度、压力、流量、 武汉理工大学硕士论文 位移及角度等模拟量( a n a l o gs i g n a l ) 转化为数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ， 再收集到计算机中并进一步以显示、处理、传输与记录的过程，被称为数 据采集。相应的系统称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 简称 d a s ) 。 图像作为一种直观的信息，对其进行数据采集，即将图像采集到计算 机中的过程是非常普遍的问题。图像的采集包括图像的数字化，图像数字 信息的存储、展示及传送等方面。主要涉及成像技术、模数转换( a d c o n v e r t e r ) 技术、数字信息的存储技术、图像的显示技术、通信技术等方 面。 目前，图像的采集设备大都是以个人计算机为核心来进行处理的。利 用计算机强大的处理能力和通用的接口，设计专用的图像采集卡来采集图 像，应用非常广泛。但因其体积庞大、成本高，携带不便，因此许多场合 下p c 机并不适合于图像的采集，在这种背景下，设计一种轻便小巧的采 集系统来采集、存储并显示所需的图像，并最终把采集到的图像传送到计 算机中进行处理，本文便是基于这种思想来设计一种图像采集系统。 图像采集系统是一个综合的系统。它包括多方面的研究内容，如前所 述，包括图像的视频采集、a d 转化、图像数字信息的存储、液晶显示、 远程通信等方面。具体来讲，本课题研究以下几方面的内容： ( 一) 图像视频信号的采集及a d 转化电路的软硬件设计。 图像视频信号是通过c c d t 7 1 摄像头或c m o s t 8 1 摄像头获得的，通过摄 像头摄得的是图像光信号光电转换后的模拟电流信号，此信号是标准的 p a l 制式的电视信号，再经过高速a d 转化，将模拟的电信号转化为数字 信号，从而得到图像上各点像素的灰度值，最终可以在显示设备上还原图 像。这部分主要是研究p a l 制式电视信号的数字化电路的软硬件设计。 ( 二)图像的液晶显示、触摸屏电路的软硬件设计。 在采集图像信息时，我们希望采集到的图像合乎预期的要求，比如在 图像的内容、图像的清晰度等方面。因此将采集到图像进行显示，以查看 其显示效果是本课题研究很重要的内容。本采集系统是使用液晶显示屏来 显示采集来的图像的，并在液晶屏上配有触摸屏，人机界面g u i 等共同用 来控制图像的采集及存储。 ( 三)数字图像信息的网络通信。 此系统采集到的图像信息最终是要传送给p c 机进行处理的。这里要 武汉理工大学硕士论文 研究的主要是图像的远程网络通信。 ( 四)本课题研究过程中的主要技术难点 在视频a d 部分，因涉及较多图像专业知识，给硬件的设计带来诸多 困难，如：色调、亮度、场频等等概念。在a d 电路方面，由于视频信号 输入的频率很高，如何控制这也是本课题研究的一个难点。图像的远程网 络通信等方面都涉及到底层驱动程序的设计，给开发带来一定的困难。 1 3 基于a i 蝴的嵌入式系统开发平台 1 3 1a r m 系列芯片介绍 a r m 微处理器目前有五个系列：a r m 7 t ”、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e 这里重点介绍a r m 7 系列。a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最 适合应用于对价位和功耗敏感的产品。a r m 7 又有应用于实时环境的 a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，以及适用于开放平台的a r m 7 2 0 t 和适用于 d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 。 1 3 2a r m 7 t d m i 介绍 a r m 7 t d m i 是适应于低端的a r m 处理器核，它可以提供三级流水及冯诺 依曼结构它的名字有着下列意义： t 代表1 6 位压缩指令集。 d 代表在片调试支持，允许处理器响应调试请求暂停。 m 表示增强型乘法器，可进行两个3 2 位数相乘而直接产生6 4 位结果。 i 表示嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支持。 世界上许多厂商根据a r m t t d m i 的规范，生产出各式各样的芯片，如 s a m s u n g 公司的$ 3 c 3 4 1 0 ，$ 3 c 4 4 8 0 ，$ 3 c 4 5 系列和$ 3 c 4 9 系列，a t m e l 公 司的a t 9 1 m 系列产品，s h a r p 公司的l h 7 5 4 系列等。 1 3 3s 3 c 4 4 8 0 x 介绍 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x i l q 微处理器是三星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，它使用了a r m 7 t d m i 核，工作在6 6 m h z ，为降低系统总成本和减少外围部件，这款芯片集中了系 列部件： 8 kc a c h e 外部存储器控制器，i _ , c d 控制器，4 个d m a 通道，2 通道 u a r t ，1 个多主1 2 c 总线控制器，1 个1 2 s 总线控制器，以及5 个通道p w m 武汉理工大学硕士论文 定时器和一个内部定时器，7 1 个通用i o 口，8 个外部中断源，实时时钟，8 通道1 2 位a d c 等。 s 3 c 4 4 b o x 最突出的优点是它的c p u 核采用a r m 公司的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m ir 1 s c 结构，主频6 6m h z a r m 7 t d m i 系统包括t h u m b t “1 协 处理器，片上i c e 中断调试支持。s 3 c 4 4 b o x 通过在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2 5 v 静态a r m 7 t d m i c p u 核； 扩展内存控制器( f p f d 0 s d r a m 控制，片选逻辑) ； 2 个通用d m a 通道，1 个带外部请求管脚的d m a 通道； 1 个多主机1 2 c 总线控制器；5 个p w m 定时器和一个内部定时器； 看门狗定时器： 7 1 个通用i o 口，8 个外部中断源，实时时钟； 能量控制模式：正常，低，休眠和停止： 带p l l 片上时钟发生器； s 3 c 4 4 b o x 的特点： 1 体系结构 用于手持设备和通用嵌入式应用的完整系统； 1 6 3 2 位r i s c 结构和带a r m 7 t d m ic p u 核的功能强大的指令集； t h u m b 协处理器在保证性能前提的条件下使代码密度最大； 片上i c e 中断调试支持j t a g 调试方式； 3 2 * 8 位硬件乘法器； 2 系统管理 支持大小端模式；( 通过外部引脚选择) ： 地址空间：每b a n k 3 2 m 字节( 总共2 5 6 m b ，8 b a n k s ) ； 所有b a n k 都具有可编程的总线宽度( 8 1 6 3 2 位) ； 7 个具有起始地址固定，大小可编程的存储器b a n k ； 1 个具有灵活的起始地址，大小可编程的存储器b a n k ； 对于所有的存储器b a n k ，具有可编程的操作周期； 大小端：$ 3 c 4 4 8 0 具有一个引脚输入端e n d i a n 一处理器通过输入它的逻辑电平来确定数据类型 足大端还是小端：0 ：小端；1 ：大端；逻辑电平在复位期间由该7 1 脚的上拉或下拉电阻决定。 b a n k o 总线宽度： 武汉理t 大学硕士论文 b o o tr o m 在地址上位于a r m 处理器的b a n k 0 端，它可以具有多 种数据总线宽度，这个宽度是可以通过硬件设定的，即通过o m i ：0 1 7 1 脚上的逻辑电平决定，如下表1 - 1 所示： 表1 - 1 b a n k 0 总线宽度 o m 1 ：0 】 数据总线宽度 0 08 位 0 1 1 6 位 1 03 2 位 1 1 测试模式 时钟和能量管理 低能耗： 时钟可以通过软件反馈回每个功能块； 中断控制器 3 0 个中断源( 看门狗定时器，6 个定时器6 个u a r t , 8 个外部中断源，4 个d m a ，2 个r t c ，1 个a d c ，1 个1 2 c ，1 个s l o ) ： 矢量i r q 中断模式减少中断响应时间； 外部中断源的水平边缘模式； 可编程的水平边缘极性； 对紧急中断请求支持f i q ( 快速中断请求) ； 通用输入输出端口 8 个外部中断端口； 7 1 个多路输入输出端口； u a r t 2 个带d m a 和中断的u a r t ； 支持5 位，6 位，7 位，8 位串行数据传送接收； 当传送接收时支持双向握手； 可编程波特率； d m a 控制器 2 路通用无需c p u 干涉的d m a 控制器； 2 路桥式d m a 控制器； 采用6 种d m a 请求：软件，4 个内部功能模块0 0 a r t , s i o ，实时器，i i s ) ， 文 t i 良 一 武汉理工大学硕士论文 外部管脚。支持i o 到内存，内存到i o ，i o 到i o ； d m a 之间可编程优先级次序： 8 l c d 控制器 支持彩色单色灰度l c d ； 支持单扫描和双扫描显示： 支持虚拟显示功能； 系统内部作为显示内存： 专用d m a 用于从系统中提取图象数据； 可编程屏幕尺寸； 灰度：1 6 级； 2 5 6 色。 9 看门狗定时器 1 6 位看门狗定时器； 定时中断请求和系统复位； 1 0 1 2 c 总线接口 一个带中断的多主机1 2 c 总线； 串行，8 位，双向数据传输能够以1 0 0 k b p s 的标准模式和4 0 0 b p s 的快 速模式传送。 1 1 s i o ( 同步串行i 0 】 1 个带d m a 和中断的s i o ； 可编程波特率； 支持8 位串行数据传送接收模式。 1 2 操作电压范围 内核：2 5 v ：i ，0 ：3 0 v - 3 6 v 。 1 3 运行频率 最高达7 5 m h z 为完成此论文的研发任务，本系统中嵌入式微控制器模块实现的功能为： 1 通过1 2 c 总线实现s a a 7 1 1 4 寄存器写操作： 2 实现图像的l c d 显示及u c g u i 的界面设计； 3 触摸屏的输入控制： 4 嵌入式的以太网通信接口设计。 武汉理t 大学硕士论文 第2 章嵌入式图像采集系统硬件设计 正确可行的硬件设计是整个嵌入式图像采集系统开发的基础和主要部 分。一个好的可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能 目标，还应该为整个系统调试和升级留下足够的冗余设计和自由度。另一 方面，硬件设计的同时要考虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设 计正确和简明的同时，也必须考虑到在该硬件基础上进行软件开发的可行 性和难度。 2 1嵌入式图像采集系统的构成 整个嵌入式图像采集系统以s 3 c 4 4 b o x 为核心控制器。系统分为a d 视频解码模块、图像的液晶显示控制模块、触摸屏输入模块和与计算机的 远程通信模块。系统结构图2 - 1 ： 图2 一l 基于a r m 的图像采集系统硬件结构框图 2 2 组成整个系统的相关硬件及其功能 本图像采集系统的主处理器为s u m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 。视频输 入设备为黑白c c d 摄像头。主要的工作芯片有：高速a d 转换芯片 s a a 7 1 1 4 ，控制高速模数转换的可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 ，暂存图像数字 信号的f i f o 存储芯片a l 4 2 2 b ，液晶显示屏，电阻触摸屏，触摸屏控制芯 片a d s 7 8 4 3 网络接口芯片r t l s 0 1 9 a s 等。 黑白c c d 摄像头用来摄取图像视频信号，将图像光信号转换为模拟 武汉理工大学硕十论文 电信号，输出p a l 制式的黑白电视信号。 高速d 转换芯片s a a 7 1 1 4 1 ”1 、可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 及f i f o 存储芯片a l 4 2 2 b 组成d 转换电路。此电路主要功能是完成黑白电视信 号的数字化并暂存数字化后的结果，即暂存图像各个像素的数字化信息 灰度值。 液晶显示屏用来实时显示采集图象电阻触摸屏，触摸屏控制芯片 a d s 7 8 4 3 及液晶显示屏组成触摸屏系统用来控制系统功能的执行。 2 2 1c c d 摄像原理介绍 c c d 的定义：摄像机又称摄像头或c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电 荷耦合元器件。严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄 像头与镜头大部分是分开购买的，用户根据目标物体的大小和摄像头与物 体的距离，通过计算得到镜头的焦距，所以每个用户需要的镜头都是依据 实际情况而定的，不要以为摄像机( 头) 上已经有镜头。 摄像头的主要传感部件是c c d ，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗 震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。 被摄物体的图像经过镜头聚焦至c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积 累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移， 经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视 机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。这个标准的视频 信号同家用的录像机、v c d 机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也 可以录像或接到电视机上观看。 c c d 按其像元排列形式分为两大类型：线阵c c d 和面阵c c d 。线阵 c c d 的像元成一维排列，能够直接采集一维空间分布的序列光信息，一般 为非成像型c c d ，广泛应用于定位检测、尺寸测量、光谱测量以及激光衍 射粒径分布检测等方面。面阵c c d 的像元呈= 维排列，主要应用于摄像 领域。当光学系统成像在c c d 表面后，光学信号可转换为电信号。不同 的领域对c c d 的光谱响应范围有不同的要求，它不仅影响到数据的处理， 也是系统成本的主要因素。可见光c c d ( 包括黑白和彩色) 是一种常见的 c c d ：一些特殊用途的场合可选用增强型c c d 、红外c c d 等类型，但他 们的成本较高，且工作环境的要求也非常苛刻。为了便于工业应用，并且 考虑到工业中窑炉内的辐射特性，在火焰图像采集和处理系统中，我们选 1 0 武汉理工大学硕士论文 用可见光型面阵彩色c c d 。 2 2 2c c d 摄相头的主要性能参数 1 c c d 像素 c c d 是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像 越清晰。c c d 的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越 高，图像细节的表现越好。现在市场上大多以2 5 万和3 8 万像素为划界， 3 8 万像素以上者为高清晰度摄象机。 2 最小照度 照度又称灵敏度。是c c d 对环境光线的敏感程度，或者说是c c d 正 常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯( l u x ) ，数值越小， 表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。照度是反映光照强度的一种单位， 单位是每平方米的流明数，1 l u x 大约等于1 烛光在1 米距离的照度 3 扫描制式 根据各国供电所采用的频率不同，有p a l 制和n t s c 制之分。 5 0 h z ：p a l 制，隔行扫描( p a l ) 制式( 黑白为c c l r ) ，标准为6 2 5 行， 5 0 场。 6 0 h z ：n t s c 制式，5 2 5 行，6 0 场( 黑白为e i a ) 。 4 信噪比 当摄像机摄取较亮场景对，监视器显示的画面通常比较明快，观察者 不易看出画面中的干扰噪点；而取较暗场景时，监视器显示的画面就比较 昏暗，观察者很容易看到画面中雪花状的干扰噪点。于扰噪点的强弱与摄 像机的信噪比指标有直接关系，即信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就 越小。 信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号s n 来表示。由 于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，比值非常大，信噪比的单位 用d b 来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是在a g c ( 自动增益控制) 关闭时的值，因为当a g c 接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平 也相应提高。 2 3 视频信号的d 解码 该模块的主要功能是将从c c d 摄像头输入的模拟视频信号转换为数 字信号。普通c c d 摄像头的输出是n t s c 制式( 或p a l 制式) 的复合全电 武汉理工大学硕士论文 视信号c v b s 或是s v i d e o 信号( 本系统输出是c v b s ) ，二者均为模拟信 号。通过一块p h i l i p s 公司的t v 解码芯片s a a 7 1 1 4 h 将模拟t v 信号解 码并且模数转换为符合c c i r 6 0 1 1 a j 标准的数字视频信号，并且存储到专 用的视频f i f o 芯片a l 4 4 2 b 中，等待a r m 处理。 2 3 1蚴1 1 4 的特点 对于c c d 摄像头采集得到的模拟电视图像数据，首先需要将模拟信 号数字化，系统采用p h l l p s 公司的专用视频a d 芯片s a a 7 1 1 4 h 来实现 对模拟电视信号的数字化处理。该芯片的主要特点为： 六路模拟电视信号输入，可以接受全电视复合信号( c v b s ) 或者 s v i d e o 信号，有多种输入组合方式； 两路独立的模拟信号处理器通道； 自动检测和识别p a l 制式和n t s c 制式的电视信号，并能够自动切换； 支持c c i r ，6 5 6 标准，采用8 位宽度数字视频信号输出总线。可扩展 1 6 位宽度的总线； 支持y u v 4 ：2 ：2 ，y u v 4 ：i ：i ，y u v 4 ：2 ：0 ，y u v 4 ：i ：0 ，以及r g b 等多种 数字视频输出格式； 内嵌视频图像密口截取器，支持图像截取和缩放功能； 支持对电视信号中的v b i 和音频数据的解码； 带有1 2 c 总线接口； s a a 7 1 1 4 h 采用l q f p l 0 0 封装。是一款高度集成且功能强大的视频解 码集成电路。其内部集成了两个模拟预处理通道，用以完成：对视频信号 的可编程自动增益控制；c v b s 、y 和c 的自动箝位控制；5 0 和6 0 h z 场 频率的自动探测以及p a l 和n t s c 标准的自动转换。它具有灵活的视频 缩放功能，行场的上下缩放适用于任意尺寸的窗口。行场的缩放比例范围 为1 6 4 ( i c o n ) ，行场缩放比率受限于传输数据的速率，缩放后以4 ：2 ：2 ， 4 ：1 ：1 ，4 ：2 ：0 ，4 ：1 ：0 y u v 的格式输出解码后的v b i 数据。s a a 7 1 1 4 h 可应用于l c d 显示屏、桌面视频、多媒体、数字电视机、图像处理、可 视电话和视频图象采集等领域。 2 3 2s a 们1 1 4 h 的端口介绍 s a a 7 1 1 4 有5 种不同的i o 端口。它们的性能如下： 1 ，视频输入端口。该部分中s a a 7 1 1 4 h 包含了6 路模拟输入a 1 2 1 到 武汉理工人学硕士论文 a 1 2 4 和a 1 1 1 到a 1 1 2 。用于模拟量c v b s 信号和s v i d e o 的y 、c 信号的 输入。共有9 种模拟信号的输入模式，本系统采用c v b s 信号输入方式， 选用模式0 的自动增益接法。 2 时钟控制i o 口。包括a m c l k 、a s c l k 、a l r c l k 、a m x c l k 引 脚，本系统中不需要对音频进行控制，因此将它们经一个电阻接地即可。 3 时钟和实时同步信号i o 口。它包括行锁系统时钟信号l l c ( 2 7 m h z ) 、像素输出时钟l l c 2 、实时控制输出脚r t c o 、实时状态或同 步信号脚r t s 0 r t s l 。可由7 1 1 4 的寄存器对他们的输出进行设嚣。 4 视频扩展输出i o 口( x p o r t ) 。用于无比例缩放的数字视频信号 的输出。它只能输出8 位的数字视频信号。 5 视频输出i ，o 口( i p o r t 和h p o r t ) 。用于产生可比例缩放的视频 数字信号的数出。它可以输出1 6 位的数字视频信号。 本系统采用c v b s 模拟信号的输入方式。输出采用位深度为1 6 的 y u v 4 ：2 ：2 模式，图像大小为3 2 0 x 2 4 0 模式。选用i - p o r t 和h - p o r t 的视 频输出i o 口，1 6 位数据带宽，具体输出时序图如下图2 2 。 图2 - 2s a a 7 1 1 4 的输出时序图 s a a 7 1 1 4 h 内部共有2 4 0 个控制寄存器，它们是：视频解码控制部分 0 1 h 2 f h ：音频时钟产生器控制部分3 0 i - i 一3 f h ；通用v b i 数据限幅器控 制部分4 0 h ，7 f h ；x 端口，i 端口和限幅器控制部分8 0 h e f h 。通常情况 下其中1 8 8 个寄存器需要配置。本系统中因不使用音频控制和v b i 数据显 示，所以不需要对音频时钟产生器控制部分和v b i 一数据限幅器控制部分 龇 州 州 沁 武汉理工大学硕士论文 进行设置。我们对剩下的8 0 多个寄存器进行了设置，处理器$ 3 c 4 4 8 0 通 过1 2 c 总线给s a a 7 1 1 4 h 进行初始化配置。 2 4 1 2 c 总线接口模块 视频d 芯片s a a 7 1 1 4 h 的配置和控制接口采用1 2 c t “1 总线。1 2 c 总 线是p h i l i p s 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，它只需要 两根线( 串行时钟线和串行数据线) 即可在连接于总线上的器件之间传送 信息。从硬件角度看，1 2 c 总线有如下特点： 所采用的两根信号线均为双向信号线，因而要求器件的1 2 c 总线接口 同样是双向接口。 器件1 2 c 总线的两个管脚均采用集电极开路( o c ) 或漏极开路( o d ) 的输出方式，整个1 2 c 总线需要在两根信号线上接入上拉电阻才能正常工 作。整个1 2 c 总线最大的电容负载能力为4 0 0 p f 2 4 11 2 c 总线原理介绍 1 2 c 总线是英文i n t e r i cb u s 或i c t oi cb u s 的简称，是由数据线 s d a 和时钟线s c l 构成的串行总线，可发送和接收数据。可在c p u 与被 控i c 之间、i c 与i c 之间进行双向传送，最高传送速率为4 0 0 k b s ，各种 被控电路均并联在这条总线上，每个电路都有唯一的地址。在信息的传输 过程当中，1 2