（微电子学与固体电子学专业论文）基于wince的钻孔图像处理系统的研究.pdf

一r 、 ：。 、。， t h er e s e a r c ho ft h e d r i l l i n gi m g a ep r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do nw i n c e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：z h e n gc h a n gj u n s u p e r v i s o r ：p r o f p a ny o n g c a i h u b e iu n i v e r s i t y w u h a n ，c h i n a 6嗍886删37 川1洲y i 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 论文作者签名：知易男 日期：渺年g 月日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字 化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位 论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 指导教师签 摘要 在各种地质勘测方法中，岩芯钻探法是应用最多的方法之一，它的优点是通过岩芯 钻探了解地质情况的同时获得许多岩层样本，然而在地质条件恶劣的地区一般难以完整 的取出岩心，所以不能准确评价地基条件。随着科学技术的发展，地质勘探的方法和手 段也在不断地推陈出新，钻孔图像处理系统就能解决这一问题。该系统可以直观的看到 岩层的分布，裂缝的走向等地质情况，并且可以记录数据保存下来。钻孔图像处理系统 经过多年的发展，已经历过很多变革，但是目前仍存在体积庞大，操作复杂，功能单一 等缺点。 结合当今科技的发展，本文研究了一种基于嵌入式的钻孔图像处理系统。论文的 基本思路是3 6 0 。全景摄像头采集图像，然后采集到的图像信息通过传输电缆传到地面 主机，主机由l x 8 0 0 低功耗工控主板，l e d 背光的真彩液晶显示屏，以及一块p c i 接口 图像采集卡构成，主机上运行了经过裁剪的w i n c e 操作系统。图像被传输到主机，工作 在w i n c e 上的嵌入式处理软件，完成后期图像的处理，既可以保存录像，也可以完成环 形图像的展开和拼接。整机体积小巧、易于操作、功能丰富，很好的弥补了当前设备的 不足，有很大的使用价值。 本文的创新点是运用了w i n c e 操作系统，使钻孔图像处理系统高度集成又小巧便 携；实现了系统的两种工作模式，分别为录像模式和展开拼图模式，使系统的应用领域 极大的拓展。 关键词：嵌入式系统；钻孑l ；摄像头：环形图像展开；图像拼接 a b s t r a c t i i la l lk i n d so fg e o l o g i c a ls u r v e ym e t h o d s ，t h ec o r ed r i l l i n gm e t h o di st h em o s t u s e dm e t h o d ，i t sa d v a n t a g ei st h r o u g ht h ec o r eo ft h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dg a i n u n d e r s t a n d i n g ，b u tm a n yr o c ks a m p l ei nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h er e g i o nt o t a k eg e n e r a l ，s oc a n n o ta c c u r a t e l ye v a l u a t et h ec o r eo ff o u n d a t i o n t os o l v et h i s p r o b l e mi so n e o ft h em e t h o d su s e dd r i l l i n gi m a g ee q u i p m e n t t h i sd e v i c ec a ns e et h e d i s t r i b u t i o no fc r a c k si nt h er o c k ，a n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a n dt o w a r d se t cc a nb e r e c o r d e di n t ot h ei m a g ep r e s e r v e d b o r e h o l et e l e v i s i o na f t e ry e a r so fd e v e l o p m e n t ，h a se x p e r i e n c e dm a n yc h a n g e s ， b u ti ts t i l le x i s t sl a r g e ，c o m p l e xo p e r a t i o n ，s u c ha se f f e c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e m o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ea u t h o r ss t u d i e dam e t h o db a s e do ne m b e d d e d d r i l l i n gi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m t h i se q u i p m e n tw i t hp a n o r a m i c c a m e r aa n do t h e rb y c o l l e c t i n gm o d u l es e a lo ft h eb o d y ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa st h ed e t e c t o r ) ，c a b l ea n d g r o u n dp r o c e s s i n gm a c h i n e s ，w i l lb ea r o u n dt h eh o l ew a l lf o ri m a g ea c q u i s i t i o n , c a n s a v ei n t ov i d e o ，a l s oc a l lc o m p l e t et h ea n n u l a ri m a g ea n dm o s a i c s t h eb a s i ci d e ao f t h es c h e m ei ss o n y 3 6 0d e g r e ep a n o r a m i cc a m e r ai m a g ec o l l e c t i o n ，t h e nt h ei m a g e i n f o r m a t i o nc o l l e c t e db yt r a n s m i s s i o nc a b l e st ot h eh o s t ，t h ei m a g ea c q u i s i t i o nc a r d w i t hh o s ti m a g ec o l l e c t i o n ，t oh o s t ，h o s to ft h ee m b e d d e ds o f t w a r ep r o c e s s e s ， c o m p l e t ei ni m a g ep r o c e s s i n g t h i si n n o v a t i o ni sw i n c eo p e r a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h es y s t e mi sh i g h l y i n t e g r a t e da n ds m a l lp o r t a b l e ，r e a l i z e d t h ei m a g ep r o c e s s i n go ft w ok i n d so fw o r k m o d e ，s e p a r a t e l yf o rv i d e om o d ea n ds p r e a dp u z z l em o d ea n da p p l i c a t i o nf i e l d o f s y s t e mi sg r e a t l ye x p a n d k e yw o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ；d r i l l i n g ；c a m e r a s ；c i r c u l a rd e v e l o p m e n t ；i m a g e s t i t c h i n g ； l i 目录 第一章绪论1 1 1 课题的来源和意义1 1 2 钻孔图像系统的发展与现状1 1 3 嵌入式系统简介2 1 3 1 嵌入式系统的特点3 1 3 2w i n c e 操作系统4 1 4 本文完成的主要工作和创新点4 第二章系统硬件平台设计5 2 1 系统硬件整体结构5 2 2 主要硬件电路分析5 2 2 1l x 8 0 0 工业控制主板7 2 2 2p c i 视频采集卡9 2 2 3 全景摄像头1 1 2 2 4 照明电路设计12 2 2 5 参数采集模块设计l5 2 3 本章小结19 第三章软件系统设计1 6 3 1 系统软件整体架构1 6 3 2w i n c e 系统的移植一1 6 3 2 1 前期工作准备1 6 3 2 2 b s p 开发流程18 3 2 3 w i n c e 系统内核定制及移植2 0 3 3 采集卡软件编程2 l 3 3 1 软件编程说明2 1 3 3 2 常用接口库函数2 2 3 4 配置参数2 4 3 4 1 探头运行参数介绍2 4 3 4 2 串口通信的应用2 4 i i i 3 5 录像模式2 8 3 5 1 存储a v i 文件2 8 3 5 2 录像过程中的截图3 4 3 6 图像展开和拼图的编写3 7 3 6 1 环形图像的展开3 7 3 6 2 图像的拼接3 9 3 7 本章小结4 2 第四章结束语4 3 4 1 全文总结4 3 4 2 本文的创新点”4 3 4 3 不足和改进4 3 参考文献4 4 附录4 6 致 射4 7 i v 第一章绪论 1 1 课题的来源和意义 第一章绪论 随着工业技术的发展，钻孔观测技术日趋完善，对孔中的地质观测要求也在 逐步提高，诸如裂隙、裂纹、层理、断层等不连续结构面上，传统的取岩芯测定 方法虽然简单、方便、实用，但是对于薄弱或破碎岩体，取芯成功率相对较低时， 准确判断结构面地质特征则非常困难。钻孔图像处理系统则能很好的弥补这些缺 点，是近几年发展起来的一项崭新的钻孔观测技术。 探头能进入钻孔中对孔壁四周进行立体观测，工程地质人员能够完整、准 确地获得钻孔内的地质资料。这种能对钻孔孔壁进行探测的设备就是全景钻孔图 像处理系统。它能很好的弥补传统取芯法的不足，又能将观测资料保存，被广泛 应用于桥梁公路地基等土木工程，以及煤、石油、天然气、地下水、金属矿产等 资源的勘探中。 基于嵌入式的钻孔图像系统是一套全新的智能型勘探设备。该设备由探头， 电缆以及地面处理主机组成，探头缓缓深入孔中，完成对孔壁四周图像的采集， 经传输电缆传到地面上的主机中，主机是以w i n c e 系统为基础的嵌入式设备，体 积小巧，功能强大，界面友好，应用软件工作在系统之上，具备两种工作模式， 既可以将探头采集到的信号处理保存成视频文件，又可以实时的将环形图像展开 并拼接成一幅完整的孔平面图。 本文来源于木木检测仪器开发公司关于新型钻孔图像处理系统的开发项目以 及武汉市科技攻关项目，该设备可以广泛地应用于土木、水利、交通、能源等领 域的地质勘探及工程质量检测中，有很大的市场价值。 1 2 钻孔图像采集系统的发展与现状 自2 0 世纪5 0 年代光学成像技术被引入在钻孔图像领域后，随着科学技术的 不断发展，钻孔图像系统已经经历了很多次的变革，发展至今，按其功能特点可 分为4 个阶段【3 0 1 ，如表卜1 所示 湖北大学硕士学位论文 表1 - 1 钻孔图像的发展历程 阶段系统完整资料完备监测实3 6 0 平面展计算分析 性性时性开图 钻孔照像有 钻孔电视有有 全景钻孔照有有 像 全景钻孔摄有 有 有有有 像 发展初期，钻孔成像技术一直局限在只能“看 的状况，观测员只能在现场 看到孔中的情况，资料并不能保存和分析。随着摄像和图像处理技术的发展，仅 能“看的探测设备已不能满足各类岩土工程的需要，能够测量、计算与分析的 钻孔成像设备应运而生。 从表l 中不难发现，数字式全景钻孔摄像，有卓越的功能特点，特别是在 实时监测、资料保存和后期分析等方面，是其他几种方法无法比拟的。结合当前 最新嵌入式技术，本文对数字式全景钻孔图像系统进行了改进和升级，使之更加 小巧便携，功能强大，这就是本文提出的将光学、电子学、数字化图像技术与工 程地质学相互结合而发展起来的智能型勘探设备基于w i n c e 的钻孔图像处 理系统， 1 3 嵌入式系统 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，将计算机技术做为基础，并且实现了软 件硬件的可裁剪，是一种性能、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳 定和成熟，嵌入式系统也不例外【1 2 3 1 。 嵌入式系统的初级模式就是单片机，单片机的研制成功，使得工业机器、 家电等成千上万种电子产品可以通过内嵌装置来获得更佳的性能，最早的单 片机是i n t e l 公司的8 0 4 8 。之后，i n t e l 又推出了8 0 5 1 单片机，这对单片机 的发展有巨大的意义，到目前为止，5 1 系列的单片机仍然是应用最广的单片 机芯片。 2 第一章绪论 8 0 年代，操作系统仅仅是一个实时核。这些嵌入式操作系统都具有以下 特点：它们具有很短的响应时间，均采用占先式的调度；系统的内核小，可 以裁剪，并可以移植到很多种类的处理器上。 9 0 年代以后，产品对实时性的要求不断提高，软件规模也在不断上升， 单一的实时核逐渐发展为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件 平台应用在产品中。因此，出现了w i n c e ，p a l mo s ，l i n u x ，l y n x ，n u c l e u x 等多种嵌入式操作系统。 1 3 1 嵌入式系统的特点 总的来说，嵌入式系统和通用性系统相比较，具有以下特点： 嵌入式系统的c p u 是面向特定领域的嵌入式c p u ，这与通用型的 c p u 有很大不同，嵌入式c p u 大多工作在为特定产品设计的系统中，它具 有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把很多任务集成在芯片内部，从 而有利于嵌入式系统设计更加小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也 越来越紧密。 嵌入式系统结合了先进的半导体技术、计算机技术和电子技术，并 且根据各个领域的产品具体应用的不同做出差异化的设计，这一点就决定了 它必然是一个技术密集、高度集成、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都经过了高效的设计，去除冗余，力争在 较小的面积上实现更高的性能，这样才能满足具体应用中的精简小巧的要 求。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具 体产品同步进行，因此嵌入式系统产品经过不断的改进和创新，具有较长的 生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储器芯片或单片机本身中，从而提高了系统的运行效率和可靠性。 1 3 2w i n c e 操作系统 湖北大学硕+ 学位论文 微软公司的w i n d o w sc e 操作系统就是一种嵌入式操作系统，它1 9 9 6 年开始 发布w i n d o w sc e1 0 版本，2 0 0 4 年7 月发布了w i n d o w sc e n e t5 0 版本，目 前用得最多的是w i n d o w sc e n e t4 2 版本，其功能非常强大，应用也非常广泛， 它主要应用在p d a 市场、p c k e tp c 、s m a r t p h o n e 、工业控制、医疗等领域【4 5 6 1 。 嵌入式操作系统都有专门的定制或配置工具，这就是嵌入式操作系统的集成 开发环境。对于w i n c e 而言，它的定制和开发就是p l a t f o r mb u i l d e rf o rc e n e t 集成开发环境，简称为p b ，开发者可以利用它裁剪和定制出一个符合需要的 w i n c e 操作系统。 w i n d o w sc e 与其他系统相比的优点： 第一：w i n c e 开发相对较容易，开发周期短，内核完善，主要是应用层 的开发。第二：w i n c e 的g u i 丰富，开发工具强大；第三，系统高度可裁剪， 移植非常方便，维护难度较小。 1 4 本文完成的主要工作和创新点 本文主要围绕钻孔图像处理系统的硬件构成及软件设计两个方面的内容展 开，本文完成的主要工作： 一、完成了钻孔图像处理系统硬件平台的设计。对系统的各个硬件部分进行 了详细的研究和设计。针对l x 8 0 0 工控主板，深度计数模块，图像采集卡等硬 件模块的工作原理、工作流程进行了详细的分析。 二、研究了嵌入式w i n c e 系统，实现了对系统的裁剪和移植。 三、完成了上层软件的设计，搭建了系统的两种工作模式：录像模式、展开 拼图模式。重点研究了两种工作模式的实现方式。 本文主要的创新点： 本文的创新点在于采用了w i n c e 操作系统，使整个系统高度集成又小巧便 携；实现了图像处理的两种工作模式，分别为录像模式和展丌拼图模式，使系统 的应用领域极大的拓展。 4 第二章系统硬件平台设计 第二章系统硬件平台设计 2 1 系统硬件整体结构 钻孔图像处理系统分为两部分，分别是硬件部分和软件部分。硬件部分由探 头、电缆、图像采集卡、深度计数器、处理主机、线架等组成。其中探头是该系 统的关键设备，它的由钢化玻璃保护镜、照明用的光源、用于定位的电子罗盘以 及微型摄像机组成。线架上缠绕着电缆绕，同时线架的轮轴连接深度计数器( 即 脉冲光电编码器) ，硬件整体结构如图2 - 1 所示： 巍桨 2 2 主要硬件电路分析 图2 1 硬件整体结构图 2 2 1 l x 8 0 0 工业控制主板 l x 8 0 0 工业控制主板是一款在9 6 m i n x9 0 咖尺寸上开发的超低功耗全功能嵌 入式工业主板d 3 ，采用a m dl x 8 0 0c p u + c s 5 5 3 6 南桥，c p u 频率为4 3 3 5 0 0 m h z ， 整板功耗仅为6 w 。a m dl x 8 0 0 内建图形控制器，采用显存与系统内存共享内存技 术，支持v g a + l v d s 、v g a + t f tl c d 同时实现同步双显。还为用户提供了四个串行 接口和一个并行接口、一个m i n ii d e 接口、一个i o i o o m 自适应以太网络接口、 个供扩展的p c i 0 4 + 接口，为用户提供一个功能强大的嵌入式平台。主板采用 超低功耗的处理器芯片，超宽工作范围一2 0 c ，- - - 6 5 c ，低温工作性能优良、高温 彻底解决了由于风扇可靠性低引起的系统故障。p c m b - 6 6 8 8 以其超强的系统功 湖北大学硕士学位论文 能、稳定性、兼容性，可广泛应用于军事装备、信息家电、仪器仪表、多媒体查 询、智能产品各种嵌入式领域。 主板结构框图如下图2 - 2 所示 图2 2 主板硬件结构框图 主要特性 1 微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 采用a m dg e o d el x 8 0 0 处理器，c p u 频率为5 0 0 m h z 功耗仅为1 8 w ，无需风扇 2 芯片组( c h i p s e t ) 北桥：a m dl x 8 0 0i n t e g r a t e d ，集成高性能的2 d 图像核心，支持 d d r 3 3 3 4 0 0 南桥：a m dc s 5 5 3 6 ，提供4 个u s b 2 0 ( 4 8 0 m b s ) 接口，提供1 个百兆 网卡，集成a c 9 7c o d e c 声卡输出 3 显示输出 北桥芯片内置高性能v g a 显示输出，图形控制器与系统共享存储器，可 在b i o s 里对显存大小进行选择，选择范围为8 m b 1 2 8 m b 6 第二章系统硬件平台设计 支持2 4 b i t t f tl c d 接口( t t l ) 和单通道1 8 b i tl v d s 接口( 可选，通过 芯片扩展) v g a + t f tl c d 、v g a + l v d s 能实现同步双显 4 系统存储器( s y s t e mm e m o r y ) 一个2 0 0 p i nd d rs o d i m m 内存条插槽 支持3 3 3 4 0 0 m h zd d r 内存 支持内存总容量最大可达i g b 5 主板i d e 接口功能( o n b o a r di d e ) 提供一个m i n ii d e 接口，可连接包括i d e 硬盘和c d r o m 在内的两个i d e 设备。( 连接2 个硬盘时请将硬盘设为一主一从) 6 p c 1 0 4 采用i t ei t 8 8 8 8 gp c i i s ab r i d g e ，提供一个p c 10 4 接口 7 u s b 接口( u s b ) 四个u s b 设备接口，符合u s b 2 0 规格 8 板上i o 控制器( o n - b o a r di o ) 采用w i n b o n dw 8 3 6 2 7 d h g u b ei o 芯片 两个串行接口 一个并行接口 一个2 x 4 p i n 的p s 2 键盘鼠标接口 一个红外线通讯接口( i r d a ) 9 串并行通讯接口 c o m l 、c o m 2 、c o m3 、c o m 4 一个i d c 2 0p a r a l l e lp o r t ，通过转接线到挡片d b 2 5 座 l o 看门狗计时器( w a t c h d o gt i m e r ) 具有硬件复位功能的看门狗 2 2 2p c i 视频采集卡 摄像头输出的信号为模拟信号，需经过图像采集卡转换成数字信号才能进行 后期的处理，本文中使用的是基于p c 1 0 4 p l u s 结构的图像采集卡 d h c g 3 2 0 2 0 1 ，该卡可进行高质量彩色黑白视频信号实时采集，并通过p c i 总 7 湖北大学硕士学位论文 线传送到主板内置的v g a 卡上实时显示或者传送到计算机内存中实时存储。视 频数据的传送过程由图像卡控制，无需c p u 参与。最多支持三块卡同时工作， 每块卡均可以支持四路复合视频切换输入。 主要性能参数 标输入方式：四路复合视频输入，一路s - v i d e o 输入。 标准p a l ，n t s c 制彩色黑自视频信号输入。 图像分辨率最高：p a l ：7 6 8 5 7 6 奉2 4 b i t ；n t s c ：6 4 0 木4 8 0 宰2 4 b i t 。 灵活采集图像：可按单场，单帧，连续场，连续帧，间隔几场或者几帧等 多种方式。 图形覆盖功能：通过填写屏蔽模块，可实时显示，和存储任意形状的输入 图像。硬件完成输入图像的比例缩放，裁剪和色度控件变换，输入图像的大小， 位置可灵活设置，并可支持y u v 4 2 2 ，t g b 3 2 ，r g b 2 4 ，r g b l 5 ，r g b l 6 ，y 8 等多种图 像显示和存储格式。 计算机上显示采集的图像，实现图像和图形同屏显示的工作方式。 亮度，色调，色饱和度，对比度等软件可调。 图像采集卡硬件框图如下图所示 图2 - 3 采集卡硬件示意图 】d e o 一3 n 0 1 0 0 2 n 0 1 0 o 一1 n d 1 d e o o n 0 j 0 0 一c n 0 第二章系统硬件平台设计 从上图可知，采集卡采用了标准的p c i 0 4 p l u s 接口，提供了四路复合视频输入， 和一路s - v i d e o 输入接口，同时支持多卡同时配合使用。本文中用到了单卡上 的一路复合视频输入。l x 8 0 0 主板上提供了与采集卡通信的p c i 0 4p l u s 接口和 供电方式，将采集卡按正确方式插入主板接口上，并设置主板跳线为采集卡供电。 则采集卡与主板的物理连接已经完成。 视频图像经多路切换器、解码器、a d 变换器，图像信号将被数字化，并以 数字信号的方式送到数据缓冲器。经裁剪、比例压缩及数据格式转换等处理后， 由内部r i s c 控制图形格式与传输方式，显示目标位置由软件确定，即可以是 显存，也可以是计算机内存。图像卡工作原理框图2 4 如下图所示 v i d e o l v i d e 0 2 v i d e 0 3 s - v i d e o v i d e 0 4 图2 4 图像卡工作原理框图 由上图可以看出，图像采集卡在系统中起到了一个中介的作用，将摄像机所 输入的模拟信号经过一系列的处理然后转换成所需要的数字信号并送给主机。 2 2 3 全景摄像头 摄像头根据数据格式可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头捕 捉到的视频信号可以经过视频采集卡将模拟信号转换成数字模式，并加以处理后 转换成所要的模式；数字摄像头可以直接捕捉影像得到数字信号，然后通过串， 并口或者u s b 接口传到计算机里。现在电脑市场上的摄像头基本以u s b 接口 的数字摄像头为主，但是这种摄像头由于被封住成u s b 数据，不便于后期的数 据处理，所以本文中使用模拟摄像头作为图像采集设备。 另外根据感光芯片不同分为c c d 摄像头和c m o s 摄像头。 9 湖北大学硕士学位论文 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合元件) 于1 9 6 9 年在贝尔试验 室研制成功，之后开始被投入使用，其发展历程已经将近3 0 多年，从初期 的1 0 多万像素已经发展至目前主流应用的5 0 0 万像素。 c c d 传感器有以下优点： 1 高解析度：像点的大小为i j m 级，可感测及识别精细物体，提高影像 品质。 2 低杂讯，高敏感度：c c d 具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提 高了信噪比( s n r ) ，同时又具有高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到， 其讯号不会被掩盖，使c c d 的应用不容易受到气候的拘束； 3 动态范围广：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围， 不因亮度差异而造成信号反差现象。 4 低影像失真：使用c c d 感测器，其影像处理不会有失真的情形，使 原物体资讯真实地反应出来； 5 体积小、重量轻：c c d 具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易 地装置在小巧、便携设备上； 6 低功耗，不受强电磁场影响； c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r ) ，即金属氧化 物半导体元件，它的优点是集成度高、功耗低( 不到c c d 的1 3 ) 、成本低。 但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高，应用于较低影像品质的产品 中。在相同像素下c c d 的成像往往通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝 光可以保证基本准确。而c m o s 的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原 能力偏弱，曝光也都不太好。 比较了二者的优缺点，本文中选择了c c d 类型的摄像头。 3 6 0 。全景摄像头不一定是3 6 0 。全部摄像的，只是比一般摄像头的摄像 角度宽广，3 6 0 。全景摄像头的工作原理如图2 5 所示： 1 0 第二章系统硬件平台设计 3 度区域巍o 上形成一个环形豳像 图2 - 53 6 0 。全景摄像头成像原理图 2 2 4 照明电路设计 孔中由于没有光线，为了能够尽可能的采集到优质的图像需要设计专门的照 明设施，要在狭小的孔中实现照明，必须具备以下特点：体积小，亮度高，功耗 低。 孔的直径比较狭小，决定了灯的体积必须小于孔的直径，而且要与探头固定 一起，才能方便给摄像头照明，所以在设计时就考虑在探头上制作照明光源板， 而且灯板的形状为环形，固定在摄像头的后方，如下图2 - 6 所示。 图2 - 6 光源板 光线要有很强的照度，并且功耗极低才能满足便携式设备的需求，发光二极 管灯成了首选，l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 发明于2 0 世纪6 0 年代，它是利用半 导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量，使得能量带位阶改变，以发光 显示其所释放出的能量。l e d 具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、 反应速率快、耐震性佳等优点，被广泛应用于各种光源场合，尤其是白光l e d ，扣叶一 r _ 塑j ! 奎堂堡主兰垡笙茎 一 _ _ 一 的研制成功，使得它越来越多地用在彩灯装饰、甚至照明领域。本文就选择了超 高亮的白色l e d 灯做为光源，照度在8 0 0 - 1 2 0 0 m e d 。焊接完成乒的光源板如 下图2 7 所示。 图2 - 7l e d 光源板 2 2 5 参数采集模块设计 在钻孔勘探时，获取图像资料是最重要的目的，但是仅仅是拥有摄像头是不 行的，因为图像资料需要方位和深度的标注才能准确判别缺陷位置，有时孔的倾 第二章系统硬件平台设计 动，以用来标注所获得的图像的正确方位，可以用串口通信的电子罗盘模块来实 现。对于倾斜角度的话，也有专门的倾角传感器，本文也采用了此类的串口通信 的模块。至于深度计数，本文设计了由s t c 2 0 5 2 单片机和增量式脉冲光电编码 器构成的深度计数模块【。 增量式脉冲光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀 窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上 有两条彼此错开9 0 度相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来 的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主 光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差9 0 度的近似正 弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在 增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位 置角清零。 使用s t c l 2 c 2 0 5 2 单片机判别旋转方向的原理，就是利用增量式光电编码器 输出两路相位相差9 0 度的脉冲信号a 和b ，当滑轮正转时，脉冲信号a 的相位 超f ； f 脉冲信号b 的相位9 0 度。当滑轮反转时，脉冲信号a 的相位滞后脉冲信号 b 的相位9 0 度。将a ，b 信号接入单片机的两个i o 口，根据超前与滞后的关系 可以确定滑轮的转向。其转速辩相的原理如图2 - 9 所示 o l r r 一 0 u t b 譬l 舵 l | | 3 冒4 顺时针旋转逆时针旋转 r 1 广1 j r 广1 广1r 1 0 u t - k 0 们r - b 崔l 忆 臀3 臀4 _ jul j n 厂 n 厂 厂 广 图2 - 9 转向判别原理图 单片机判断流程如图2 。1 0 所示： 1 3 湖北大学硕七学位论文 _ m i _ _ _ _ i _ i _ - - - _ _ _ i _ 一 第二章系统硬件平台设计 ) ) 在实际应用中，光电编码器的轴与电缆线架的轴连接在一起，这样当线被缓 缓拉出时编码器的轴与线架的轴一起转动，通过单片机的判断，则将计数值通过 串口传输到主机。 2 3 本章小结 本章详细介绍基于w i n c e 的钻孔图像处理系统的硬件平台的设计方案，首 先介绍了硬件平台的整体结构，然后又重点介绍了主要部件：图像采集卡、摄像 头，照明以及深度计数等模块的实现。 1 5 湖北大学硕士学位论文 第三章软件系统设计 3 1 系统软件整体架构 软件部分是处理系统的核心，它的底层操作系统就是嵌入式w i n c e 系统， 上位机软件工作在w i n c e 上，它有两种工作模式，分别为录像模式和展开拼图 模式。图像采集是通过在操作系统环境下调用图像采集卡接口库以实现对井下的 图像进行实时采集的工作。上位机软件根据工作模式的不同，可以选择将实时采 集的图像保存为视频文件，或者对采集后的各帧图像进行的展开和拼接。 下图是系统的软件总体工作框图。 3 2 w i n c e 系统的移植 3 2 1 前期工作准备 图3 1 软件系统总体框图 w i n d o w sc e 是面向嵌入式产品量身定做的款高级的、可裁剪的操作系统1 7 8 9 】。在产品的开发中，首先要根据自身产品的特点，进行系统的裁剪和移植，然 后再进行应用程序的开发，微软在整个开发过程中都提供了非常好的开发工具， 这就是系统裁剪工具p l a t f o r mb u i l d e r 和应用程序开发工具e m b e d d e dv i s u a l c + + 。p l a t f o r mb u i l d e r 是w i n d o w sc e 嵌入式操作系统裁剪和开发的平台，它提 供了进行创建、编译、测试和调试w i n d o w sc e 操作系统的工具。由于嵌入式系 统资源有限，c + + 编译器效率高、性能好，e m b e d d e dv i s u a lc + + ( e v c ) 便成了 1 6 第三章软件系统设计 w i n c e 下应用程序最广泛的开发工具【1 0 1 。 p l a t f o r mb u i l d e r5 0 中的主要特点包括： 平台开发向导：开发人员可以根据开发向导去创建一个简单的系统平台，然 后再根据自身产品的特点作进一步的修改。 特性目录：特性目录列出了操作系统可选特性，使开发人员可以一目了然的 选择相应的特性来定制合适自己要求的操作系统。 基础配置：提供了一些产品常用的配置，是一种可操作系统基础平台，为开 发人员开发系统提供了一个起点。可以极大的减轻开发人员的工作量。 自动化的依靠性检查：各个特性之间有很强的依赖关系，这种关系是系统自 动维护的。 测试工具集：提供测试的一系列工具包。 内核调试器。提供对自定义的操作系统映像进行调试的工具，并且将有关映 像性能的信息提供给用户以供参考。 导出s d k 向导：帮助用户导出一个自定义的软件开发工具包( s d k ) 。 远程工具：提供基于w i n d o w sc e 的目标设备有关的各种调试任务和信息收集 任务。 仿真器( e m u l a t o r ) 。提供硬件仿真工具，简化了系统的开发，使用户可以在 开发工作站上完成对平台和应用程序的测试，大大简化了系统开发流程，缩短 了开发时间。 p l a t f o r mb u i l d e r 是商用软件，需有正规途径获得授权才可用于商业用途，在 此就不介绍具体安装步骤，仅给出工作界面图如下图3 - 2 所示。 1 7 湖北大学硕十学位论文 3 2 2b s p 开发流程 图3 2p b 开发环境界面 b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k e t ) 是介于底层硬件和上层软件之间的底层开发包， 它主要的功能是给上层提供统一的接口，同时屏蔽各种硬件底层的差异，以及提 供操作系统的驱动。简单的说，b s p 包含了所有与硬件有关的代码，为操作系统 提供了硬件平台无关性。因此，通过b s p 系统，就能将c p u 的硬件系统与w i n d o w s c e 的软件系统联系为一个整体。一般来说，从零丌始丌发和定制b s p 是需要相 当长的时间，b s p 的定制开发在整个嵌入式产品开发时间上占了很大比例。 b s p 是一个包括启动程序b o o t l o a d e r 、o e m 适配层程序( o a l ) 、标准丌发板 ( s d b ) 和相关硬件设备的驱动程序和配置文件的软件包。其中b o o t l o a d e r 是加电 即运行的一段程序，它能初始化硬件，建立系统的内存空间映射，为最终调用系 统内核做准备，主要用于下载和启动镜像n k b i n 。而o a l 则是逻辑上驻留在 w i n d o w sc e 内核与目标设备之间的代码层，o e m 厂商使用这些代码把w i n c e 适配 到自己的硬件上，在物理上o a l 是与内核库连接在一起产生内核可执行文件。o a l 简化了操作系统与目标代码之间的通信，o a l 代码用来处理中断、记时器、电源 管理、通用i 0 控制等。最后，设备驱动程序是指本机驱动程序以及流接口驱动 1 8 第三章软件系统设计 程序。本机驱动程序有g e w s e x e 加载的鼠标、键盘、触摸屏、显示驱动等，而 流接口驱动程序使用一组流函数来实现，通常由d e v i c e e x e 加载，如网卡、声 卡、u s b 等。如图3 3 所示，b s p 主要由4 部分构成：引导程序、b s p 抽象层、 设备驱动程序和配置文件。现实中，从零开始编写b s p 所有代码的情况很小，大 多数情况下，开发b s p 都是基于现有的类似b s p 的源代码作修改。 图3 - 3 开发b s p 的步骤 开发b s p 的步骤，大致可分为4 个步骤，以下是w i n c eb s p 移植的主要内容和流 程步骤： ( 1 ) 启动程序b o o t l o a d e r 的移植步骤 修改b o o t l o a d e r 是移植w i n c e 系统第一步，也是关键的一步。只有得到一个 稳定工作的启动程序，才能够进一步完成w i n c eb s p 的移植。b o o t l o a d e r 主要 用来管理目标平台的启动过程，它是一段单独的程序代码，通过这段小程序可以 初始化硬件设备、建立内存空间的映射图和下载操作系统的映像文件等，从而将 系统的软硬件环境带到一个合适的状态。 ( 2 ) o a l 的移植步骤 o a l 的全称是o e ma d a p t i o nl a y e r ，即原始设备制造商适配层。它是位于 w i n d o w sc e 内核和目标硬件平台之间的一个代码层，o a l 主要负责w i n d o w sc e 与硬件通信，它与c p u 、中断、内存、时钟和调试口等核心设备相关，也是o a l 各个模块代码被编译后( 1 i b ) 和其它内核库链接到一起形成w i n d o w sc e