基于机器视觉的图像采集与处理系统设计

1、2009年1月第1期电子测试EL ECTRON IC TESTJ an.2009No.1基于机器视觉的图像采集与处理系统设计朱海宽(南昌大学信息工程学院南昌330029摘要:机器视觉包括了信息探测、采集系统、图像处理、显示及智能决策等模块。信息的探测和采集是通过摄像头来获取,经过图像的处理,转换成数字信号,计算机对信号进行运算,判断结果来控制设备运作。本文以S3C2410A 为核心处理器,通过FIFO 缓存的FP GA 实现、Flash 存储器和SDRAM 存储器,结合L CD 接口、J TA G 接口、串行接口和电源电路来控制图像的采集和处理,给出了硬件实现的总体框架图。本套系统处理速度快、

2、占用资源少、效率高、稳定性能好,为整体机器视觉系统的开发奠定了坚实的基础。关键词:机器视觉;图像采集;图像处理中图分类号:TP24文献标识码:ADesign of image acquisition and disposal system based on machine visionZhu Haikuan(Information Engineer College ,Nancang University ,Nanchang 330029,China Abstract :Machine Vision contains modules of information detection ,image

3、 acquisition ,image manipu 2lation ,display system and intelligent decision.Information collected through the detection and access to camera.After image processing ,the information was transferred to digital signal.By computing ,the computer can judge the results to control the device operation.We d

4、esign a scheme by using S3C2410A as the key processor ,together with FIFO caches ,Flash memorizers ,SDRAM memorizers and LCD ,J T A G interfaces.This system is faster ,less occupation of resources ,high efficiency and good stability ,laying a solid foundation of the machine vision system.K eyw ords

5、:machine vision ;image acquisition ;image manip ulation0引言机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,系统根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备运作1。一般机器视觉系统主要包括信息探测、采集系统、图像处理、显示及智能决策等模块。这里我们主要探讨关于图像采集和图像处理的系统设计。2009.1Test Tools &Solutions1总体设计方案视觉作为外部传感器

6、,能在无接触的情况下感知外部信息,因此越来越广泛地在智能控制系统中得到应用。在机器视觉系统中,需要利用视觉传感器提供的信息实时构造闭环反馈。实现这一目的不仅要有视觉传感器CCD 摄像机,同时还要有能实时地将摄像机产生的视频信号转化为可处理数字图像信息的实时图像采集卡。通常是根据所要达到的分辨率、灰度级要求及应用的特殊性而自己设计图像采集平台。图像采集平台的作用是把图像信号经过采样,量化为图像的数字信号,然后把数字式视频信号送到帧存储器或计算机存储器中以进行处理。图像采集系统是机器视觉系统的一个重要环节2。这里所设计的图像采集与处理平台由CCD 摄像机、视频解码器、可编程逻辑器件和处理器S3C2

7、410A 及所需的外围电路构成。系统功能简略组成框图如图1所示。 图1图像采集与处理平台系统框架2FIFO 缓存的FPG A 实现在基于EDA 技术的电子系统设计中,如果能直接调用可设置模块库中的兆功能块,则可大大提高系统设计的效率和可靠性。为了提高电路设计效率,应尽量多采用L PM 宏单元库。L PM 包括了常用的逻辑单元,通过修改L PM 的某些参数,就能迅速设计出自己的电路。Al 2tera 公司提供的L PM 宏单元库是Altera 系列FPG A 器件的绝佳组合,可以实现绝大部分的设计功能,并能提供较高的运行速度和较低的资源占用率。在设计中发现,多采用L PM 宏单元库的电路与不采用

8、L PM 宏单元库的电路相比,资源占用率可减少10%30%,可见节省的芯片资源是很可观的。我们可以根据实际系统的需要,在L PM 中选择适当的模块,对其参数进行必要的调整设置,使其符合自己的要求,将已有的设计成熟的模块为己所用3。FIFO 在高速数字系统中常用作缓存。FIFO的写入(读出时间只需要一个时钟周期,不需要对地址进行加1操作,大大提高了存储速度。使用FIFO 作为机器人视觉系统中图像数据的缓存是可行的。数据流在不同时钟域间的传递一直是集成电路芯片设计中的一个重点问题,使用异步FIFO 可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据。FIFO 的调用是简单的,就像拿来了一款FIFO

9、 芯片一样。3接口设计3.1存储器接口3.1.1Flash 存储接口Flash 存储器是一种可在系统(In 2System 进行电擦写,掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写、擦除等特点。作为一种非易失性存储器,Flash 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的Flash 为8位或16位的数据宽度,编程电压为单3.3V 。主要的生产厂商为ATME L 、AMD 、HYUNDAI 等。虽然NOR flash 具有芯片内执行(XIP ,eXecute In Place 的优点,但工艺复杂,价格比较贵;

10、NOR 的传输效率很高,它在14MB 的小容量时具有很高的成本效益,但很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NOR flash 价格比较贵,而SDRAM 和NAND flash 存储器的价格相对来说比较合适,这样就激发了一些用户产生希望从NAND flash 启动和引导系统,而在SDRAM 上执行主程序代码的想法。S3C2410A 恰好满足这一要求,它可以实现从NAND flash 上执行引导程序。为了支持NAND测试工具与解决方案2009.1flash 的系统引导,S3C2410A 具备了一个内部SRAM 缓冲器,叫做“Steppingstone ”。当系统启动时,NAND flash 存

11、储器的前面4K Byte 字节将被自动载入到Steppingstone 中,然后系统自动执行这些载入的引导代码。一般情况下,这4K 的引导代码需要将NAND flash 中程序内容拷贝到SDRAM 中,在引导代码执行完毕后跳转到SDRAM 执行5。使用S3C2410A 内部硬件ECC功能可以对NAND flash 的数据进行有效性的检测。本系统设计采用NAND flash 启动方式,选用K9F1208芯片做flash 存储器。K9F1208是Sam 2sung 公司生产的采用NAND 技术的大容量、高可靠Flash 存储器。该器件存储容量为64M 8位,除此之外还有2048K 8位的空闲存储区

12、。该器件采用TSSOP48封装,工作电压2.73.6V 。 K9F1208对528字节一页的写操作所需时间典型值是200s ,而对16K 字节一块的擦除操作典型仅需2ms 。8位I/O 端口采用地址、数据和命令复用的方法。这样既可减少引脚数,还可使接口电路简洁。电路连接图如图2所示。因不需要写保护,所以将WP 接到高电平。 图2Flash 电路连接图3.1.2SDRAM 存储器接口随机存储器RAM 是易失性存储器,掉电后数据即消失,不能长久保存。但与ROM 器件不同的是,它的随机读写速度非常快,写入数据前不需要进行擦除。SDRAM 在系统中主要用作程序的运行空间数据及堆栈区。SDRAM 具有单

13、位空间存储容量大和价格便宜的优点,SDRAM 的存储单元可以理解为一个电容,总是倾向于放电,为避免数据丢失,必须定时刷新(充电6。因此,要在系统中使用SDRAM 就要求微处理器具有刷新控制逻辑,或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C2410A 芯片本身提供了与SDRAM 进行直接接口的解决方案,因此,不需要通过编程来实现它们所需要的接口时序,而只须对与存储器相关的寄存器进行适当配置。目前常用的SDRAM 为8位或16位的数据宽度,工作电压一般为3.3V 。主要的生产厂商为YUNDA I 、Winbond 等。本系统的SDRAM 采用三星公司的K4S561632C ,容量32M ,接口电路如

14、图3所示。图3S3C2410A 与SDRAM 的接口电路图通过设置连接器的工作参数可将系统运行的数据区定位在SDRAM 的地址范围。在系统设计中,SDRAM 映射在Bank6中,因此SDRAM 的起始地址为0x30000000。在编译软件时,进入ADS1.2的连接器设置对话框,在对话框的RW 2base 文本框中输入数据区的基地址,例如,0x30000000,数据区将定位在SDRAM 空间。3.2LCD 接口本系统采用优龙公司的L CD 驱动板产品,该模块的L CD 是SHARP 的L Q035Q7D H01。L Q035Q7D H01由一个TF T 2L CD 板、驱动IC 芯片、一个FPC

15、 一个背光、一个触摸板和一个背面密封装置组成。屏本身不带有控制驱动电路,优龙公司的驱动板提供了对屏模块的有效支持。3.3JTAG 接口J TA G 在20世纪80年代中期制定了边界扫描技术。这个标准即为J TA G 。主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。J TA G 技术是一2009.1Test Tools&Solutions种嵌入式调试技术,它在芯片内部封装了专门的测试电路TA P,通过专用的J TA G测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持J TA G协议,如ARM、DSP、FP GA器件等。标准的J TA G接口是4线:TMS、TC K、TDI、TDO,分别为

16、测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。通过J TA G接口,可对芯片内部的所有部件进行访问58。IEEE1149.1标准对边界扫描结构的定义包括4个基本单元:4个引脚的测存取口T AP、数据寄存器、指令寄存器和T AP控制器。T AP引脚定义如下:TCK为测试时钟输入,TDI为测试数据输入, TDO为测试数据输出,TMS为测试模式选择。J T A G标准接口有14针和20针两种,其中20针的接口由于地线较多,电磁串扰较小(尤其对高速数据传输7,本系统采用的是20针的J T A G接口。3.4串行接口几乎所有的微控制器、PC都提供串行接口,使用电子工业协会(EIA推荐的RS2232

17、2C标准,这是一种很常用的串行数据传输总线标准。本系统的串口作用就是负责调试时ARM与PC的通信8。3.5电源接口在该系统中,需要使用5V、3.3V和1.5V的直流稳压电源,其中,S3C2410A及部分外围器件需3.3V电源,另外部分器件需5V电源(L CD,电源芯片采用L M2596和1117系列(使用两款分别产生3.3V和1.5V的电压。4系统测试分析为了验证本研究论文所设计的图像设计采集系统,对该系统进行了仿真测试,仿真平台选用Proteus仿真软件进行。Proteus是基于SPICE3F5仿真引擎的混合电路仿真软件,不仅能够仿真模拟、数字电路以及模数混合电路,更具特色的是Proteus

18、能够仿真基于单片机的电子系统。这里我们采用基于Proteus单片机仿真软件的系统仿真设计方法,由于在仿真平台环境下缺少图像传感器,因此我们通过加载外在信号源的方法测试整个系统的数据处理及分析的可行性与可靠性。具体按照以下步骤执行仿真:(1首先在Proteus中构建与设计方案相一致的仿真模型。(2分别为各单片机编制程序,在Keil C51集成开发环境下将编好的程序进行编译、调试,调试通过后会生成“.H EX”文件。(3运行Proteus模拟仿真软件,打开已绘制好的仿真电路原理图,在Program File中加载编译好的“.HEX”,文件,然后点击“O K”就可以进行仿真了。(4如果使用虚拟传感器

19、采集数据,或者采用构建虚拟显示终端,以显示采集到的数据,会使仿真程序变得复杂化,为了更加直观的显示系统的数据处理性能及其效果,这里我们采用正弦信号发生器的方式作为外在的加载数据信号源,倘若整个图像采集与处理系统能够顺利实现,那么在系统的输出端口也应该是正弦信号波形,我们在单片机输出侧通过设置波形显示器来观察通信的效果。(5以上步骤设置好后,启动仿真就可以实现系统的仿真测试了。仿真结果如图4所示 。图4系统仿真测试结果图如上图所示,横坐标为时间,由于设计的采样频率较高,因此数据量较大,这里我们只采样1min;纵坐标即为采集到的数据。从波形图可以发现,数据呈正弦曲线,可见,数据的通信及处理是符合要

20、求的,是可行的。(下转第89页企业直击2009.1POD天线等等。记者:贵公司EMC产品服务主要定位在哪些行业?李:电子产品生产商,通讯设备生产商,汽车电子生产商,实验室,大学,研究机构等。我们在这几个领域已经形成了一个用户群,产品受到了用户的认可。记者:贵公司目前EMC领域的产品都有哪些技术上的优势?李总:敝公司结合各家供应商的技术优点,为客户提供相应的售前和售后服务,包括系统设计和技术咨询。目前我们代理的产品都有很多技术优势。比如Milmega功率放大器则以固态器件的方式设计,十分适合用于IEC610002423系统之中,亦被各大检测机构所认同;菊水(K ikusui紧跟日本汽车生产商的信息及技术发展,生产出有关汽车零部件瞬态浪涌测试仪等以灵活。可调。可选组合成适合不同用家的设置,這都是我们优胜之处。记者:贵公司针对EMC这一领域2009年的市场策略会是怎样规划呢?李:2009年我们在维护好原有用户群的基础上,重点针对汽车电磁兼容市场,以及各检测机构对不同标准升级的需要出发制定相应的系统解决方案。(上接第56页图中有4种正弦