基于機(jī)器視覺(jué)的嵌入式高速圖像通信系統(tǒng)

1 引言

隨著現(xiàn)代的圖形采集技術(shù)發(fā)展迅速，各種基于ISA，PCI，USB1.1等總線的圖形采集卡速度已經(jīng)不能滿足用戶的需求，而采用 USB2.0以后就可以解決這個(gè)傳輸速度上的瓶頸，USB2.0的速度是480Mbits/s，完全可以滿足圖像采集、傳輸以及后續(xù)處理的要求。系統(tǒng)中采用 DSP+CPLD的硬件設(shè)計(jì)方案，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程芯片 CPLD及兩片 SRAM構(gòu)成的圖像采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，具有通用性好、價(jià)格相對(duì)便宜，易于系統(tǒng)調(diào)試，升級(jí)等特點(diǎn)。系統(tǒng)中 CPLD選擇的型號(hào)是 ALTERA公司的MAX7000系列低功耗芯片EPM7128A。片外大容量 SRAM是DSP與 CPLD的聯(lián)系橋梁，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也利用這座橋梁將 USB和 CPLD有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。該系統(tǒng)的市場(chǎng)調(diào)查表明，適應(yīng)于各種主動(dòng)或被動(dòng)的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合，以及醫(yī)療、公安和工業(yè)檢測(cè)當(dāng)中。 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案圖像通信系統(tǒng)包括以下四個(gè)部分，如圖 1所示：

(1) 圖像采集模塊，由線陣 CCD、CCD 驅(qū)動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)電路、CPLD 和 A/D 組成，用于采集圖像信號(hào)，并將模擬信號(hào)數(shù)字化，以便 DSP 處理。本系統(tǒng)采用黑白高速線陣TH7814A，該 CCD 為雙路輸出，像敏單元尺寸7 ?m，最高驅(qū)動(dòng)頻率 50 MHz；CCD 驅(qū)動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)電路是為滿足該 CCD 所需的 9 V 高速驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的；A/D 芯片采用 SAA7111A，它由雙通道模擬預(yù)處理電路、自動(dòng)鉗位和增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字多標(biāo)準(zhǔn)譯碼器色度/飽和度/對(duì)比度控制電路、彩色空間矩陣和 27MHz數(shù)據(jù)處理通道七部分組成，并由 DSP模擬I 2C總線進(jìn)行時(shí)序配置，以上器件同步驅(qū)動(dòng)脈沖均由 CPLD 產(chǎn)生。

（2）圖像信號(hào)的處理和控制模塊，該模塊由 DSP和兩片 SRAM組成，完成了整個(gè)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的處理和對(duì)各模塊的集中控制與處理，DSP選用了 TI公司的通用 16位定點(diǎn) DSP芯片 TMS320VC5409,其指令的處理速度達(dá)到 100MIPS，通過(guò)片內(nèi)的鎖相環(huán)倍頻使 DSP內(nèi)部工作在 100M的頻率上，而外部的工作頻率可以相對(duì)較低，這就降低了電路設(shè)計(jì)的要求，提高了工作的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)圖像采集的一幀圖像是 720×576象素，如果取彩色圖像，每象素用 2個(gè)字節(jié)表示，每幀圖像是 720×576×16=*Mb，分成奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)分別存儲(chǔ)在兩片 SRAM中，則每片的 SRAM存儲(chǔ) 3.2Mb的圖像數(shù)據(jù)，因此選用了 256K×1*M位的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）。在圖像處理領(lǐng)域，通常只需要黑白圖像，可以只取圖像的黑白部分，每象素用 1個(gè)字節(jié)表示，每幀圖像是 3.2Mb ，每片 SRAM存儲(chǔ) 1.6Mb的圖像數(shù)據(jù)。所采用的 EZ-USB芯片理論速率是 480Mbps，實(shí)際測(cè)得的速率是 320Mbps，因此圖像采集卡每秒傳輸約 5幀彩色圖像或 10幀黑白圖像。

（3）USB傳輸和控制模塊，設(shè)計(jì)中選用的芯片是EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片，該芯片是針對(duì) USB2.0的，而且和 USB1.0兼容，由于 USB2.0的速度可以達(dá)到480Mb/S，并且FX2自身具有EP2，EP4，EP6和EP8的4個(gè)大流量端點(diǎn)，CY7C68013可以實(shí)現(xiàn)從外部存儲(chǔ)器高速的讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在圖像的采集、存儲(chǔ)和傳輸設(shè)計(jì)上，不再是奇數(shù)場(chǎng)存儲(chǔ)在奇數(shù)SRAM，偶數(shù)場(chǎng)存儲(chǔ)在偶數(shù)SRAM。最重要的改進(jìn)是一幀圖像在完成行延時(shí)和像素延時(shí)之后，當(dāng)偶數(shù)場(chǎng)到來(lái)后，先把偶數(shù)場(chǎng)的一半存儲(chǔ)在緊鄰奇數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)的奇數(shù) SRAM中，然后再把余下的偶數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)的一半存儲(chǔ)在緊鄰偶數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)的偶數(shù) SRAM中。CY7C68013擁有 4個(gè)大容量端點(diǎn)，恰好滿足了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。在 USB從兩個(gè) SRAM讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，USB并不是從兩個(gè)SRAM“乒乓”式的讀取圖像數(shù)據(jù)，而是充分地利用 USB2.0的速度特點(diǎn)，由 CPLD的時(shí)序調(diào)度來(lái)先讀取奇數(shù)SRAM，然后讀取偶數(shù)SRAM。

（4）系統(tǒng)接口以及終端圖像還原和存儲(chǔ)模塊，系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間都需要通過(guò)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間通信，因此接口的選擇是系統(tǒng)是保證系統(tǒng)通信速度的關(guān)鍵。其中CPLD 和 DSP 都具有很高的數(shù)據(jù)處理速度 ,如何將這兩個(gè)器件的處理速度協(xié)調(diào)起來(lái) ,會(huì)直接影響整體系統(tǒng)的運(yùn)行速度 ,這就涉及到 CPLD如何與 DSP接口的問(wèn)題。關(guān)鍵是選擇 DSP的接口方式和配置CPLD的片內(nèi)RAM。系統(tǒng)中DSP與 SDRAM 用EMIF 的方式接口。同時(shí)，CPLD內(nèi)部的存儲(chǔ)器主要是 Block RAM ,可用作雙口 RAM ,正好可將 CPLD 模塊中的結(jié)果緩沖器設(shè)為雙口 RAM ,一端是輸入 ,另一端則模擬為SDRAM 的接口。這樣就將 CPLD 與 DSP 有機(jī)地連接在一起。系統(tǒng)與終端的接口采用的是 480Mb/s的 USB2.0通用串行接口，用于發(fā)送和接受各種數(shù)據(jù)及控制信號(hào)。PC機(jī)端通過(guò) USB接口接受數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)到終端硬盤(pán)上，進(jìn)行圖像的還原和處理。　　

系統(tǒng)工作流程：系統(tǒng)上電以后， DSP從外部 FLASH進(jìn)行程序自舉，將程序引導(dǎo)進(jìn)入片內(nèi)高速 RAM中運(yùn)行。DSP對(duì) SAA7111A，TL16C750（異步通信芯片）進(jìn)行初始化配置。初始化結(jié)束后，DSP進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)接收到手動(dòng)或是軟件自動(dòng)鏈路請(qǐng)求時(shí)， DSP進(jìn)行鏈路撥號(hào)。鏈路成功后， DSP通過(guò) CLKX產(chǎn)生觸發(fā)脈沖通知 CPLD可以采集圖像。從 CCD捕捉到的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)SAA7111A的模數(shù)轉(zhuǎn)換，由CPLD控制寫(xiě)入片外高速大容量SRAM儲(chǔ)存，直到一幀圖像存儲(chǔ)完畢， CPLD交出總線。然后 USB控制器 FX2從兩片 SRAM中讀取奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)。一幀圖像采集結(jié)束后，CPLD置高 HOLD，同時(shí)產(chǎn)生中斷，通知 DSP。DSP收回總線，進(jìn)行圖像傳輸。圖像采集部分的 TOKEN信號(hào)外接 LED，LED的亮、滅狀態(tài)可以直觀地顯示系統(tǒng)進(jìn)程階段。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 DSP控制程序設(shè)計(jì)

DSP硬件控制程序用來(lái)管理硬件各部分工作方式及指定數(shù)據(jù)流向和組織方式 , 從 DSP執(zhí)行的內(nèi)外影響主要可以分為內(nèi)部的算法操作，和對(duì)外部的控制操作兩個(gè)部分。其中外部的聯(lián)系主要是兩個(gè)方面:一個(gè)是和CPLD控制通道的相互交換;一個(gè)是和DSP與CPLD數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的 DSP部分的軟件編寫(xiě)采用模塊化編程，主程序只是在循環(huán)檢測(cè)按鍵情況，如果需要就調(diào)用需要的功能模塊函數(shù)，其主函數(shù)中的部分代碼如下:

While (1) { order num=scan key()://掃描按鍵 switch (order num)

{ case collection order://圖像采集命令 image_collection();//圖像采集

image_process();//圖像處理

image_save();//圖像保存 case usb_transfer://USB傳輸數(shù)據(jù)命令 set usb_transfer();//調(diào)用相應(yīng)模塊 default:; }}

3.2 CPLD控制程序設(shè)計(jì)

CPLD的作用是產(chǎn)生 CCD、A/D及 DSP視頻端口的同步驅(qū)動(dòng)脈沖。每次采樣時(shí)， CPLD將從 SAA7111A接收到一幀圖像數(shù)據(jù)保存到 SRAM中，此時(shí) DSP等待；采樣結(jié)束后， DSP與 CPLD進(jìn)行總線切換，分別連接到與上次不同的 SRAM上，DSP開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，CPLD開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。每當(dāng) DSP和 CPLD 都完成各自的任務(wù)時(shí)，就進(jìn)行總線切換 ,交換連接的 SRAM。此過(guò)程中由 CPLD控制程序的流程如圖 2所示。

3.3 USB的固件程序及驅(qū)動(dòng)程序

固件程序在該系統(tǒng)中其主要功能是實(shí)現(xiàn) USB芯片的初始化和配置；控制 USB芯片接收并處理 USB驅(qū)動(dòng)程序請(qǐng)求；控制芯片接收控制程序的控制指令。固件程序首先初始化所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，調(diào)用用戶初始化函數(shù) TD-Init()，初始化 USB總線設(shè)備接口為非配置狀態(tài)，并打開(kāi)中斷。當(dāng)完成上面的任務(wù)后，固件程序就開(kāi)始重新枚舉設(shè)備直到在端點(diǎn)收到 SETUP包為止。一旦 CY7C68013收到 SETUP包，固件程序就開(kāi)始進(jìn)行任務(wù)分配。固件程序流程圖如圖 3所示。

3.4 主機(jī)應(yīng)用應(yīng)用程序

在 PC機(jī)端，用 Visual C++ 6.0編寫(xiě)客戶應(yīng)用程序，應(yīng)用程序通過(guò) USB接收原始的奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)，待接收完奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)后，應(yīng)用程序把它們組成完整的一幀圖像，并且把該幀圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)上，然后把這幀圖像轉(zhuǎn)化成 BMP格式的圖像存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，同時(shí)以 BMP的形式顯示圖像。

4 結(jié)論

從總體來(lái)看，該系統(tǒng)以嵌入式設(shè)備為核心平臺(tái)，在此平臺(tái)上完成了機(jī)器視覺(jué)、圖像實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)傳輸 3個(gè)子系統(tǒng)的無(wú)縫連接集成開(kāi)發(fā)。使得本系統(tǒng)只需較少的成本，擁有監(jiān)測(cè)終端，就能完成主動(dòng)智能監(jiān)測(cè)、用戶遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等功能。此外，本系統(tǒng)可針對(duì)不同需求，在添加各類相應(yīng)的傳感器后，將可運(yùn)用到包括消防、車(chē)輛防盜以及工業(yè)控制等很多實(shí)用領(lǐng)域。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn) :介紹了 DSP與 CPLD協(xié)同控制的高速圖像通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用高速 USB2.0作為圖像傳輸?shù)慕涌?，完成?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/機(jī)器視覺(jué)">機(jī)器視覺(jué)、圖像實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)傳輸 3個(gè)子系統(tǒng)的無(wú)縫連接集成開(kāi)發(fā)。