一種機器人視覺系統(tǒng)模塊的設計

　　一、概述

　　視覺技術(shù)是近幾十年來發(fā)展的一門新興技術(shù)。機器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗、目標跟蹤、機器人導向等方面的工作，特別是在那些需要重復、迅速的從圖象中獲取精確信息的場合。盡管在目前硬件和軟件技術(shù)條件下，機器視覺功能還處于初級水平，但其潛在的應用價值引起了世界各國的高度重視，發(fā)達國家如美國、日本、德國、法國等都投入了大量的人力物力進行研究，近年來已經(jīng)在機器視覺的某些方面獲得了突破性的進展，機器視覺在車輛安全技術(shù)、自動化技術(shù)等應用中也越來越顯示出其重要價值。本文根據(jù)最新的CMOS圖像采集芯片設計了一種通用的視覺系統(tǒng)模塊，經(jīng)過編制不同的圖像處理、模式識別算法程序本模塊可以應用到足球機器人，無人車輛等各種場合。

　　二、設計原理

　　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)包含5個主要芯片：圖像采集芯片OV7620，高速微處理器SH4，大規(guī)?？删幊剃嚵?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA，和串口通訊控制芯片MAX232。FPGA內(nèi)部編程設立兩個雙口RAM，產(chǎn)生圖像傳感器所需的點頻，行場同步等信號，以及控制雙口RAM的存儲時序。SH4負責對OV7620通過I2C進行配置，讀取雙口RAM的圖像數(shù)據(jù)，進行處理，并通過串口實現(xiàn)圖像資料的上傳或控制步進電機等其他設備。

　　三、圖像采集模塊

　　系統(tǒng)模塊以CMOS圖像傳感器OV7620為核心，還包括一個聚光鏡頭和其他一些輔助元器件比如27MHZ的晶振，電阻電容等。

　　COMS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了相同COMS技術(shù)，因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個完整的圖像系統(tǒng)(Camera on Chip)。本系統(tǒng)采用的是Ommnvision公司推出的一塊CMOS彩色圖像傳感器OV7620，分辨率為640x480。它能工作在逐行掃描方式下，也能工作在隔行掃描方式下。它不僅能輸出彩色圖像，也可用作黑白圖像傳感器。這塊芯片支持的圖像輸出格式有很多種：1)YCrCb4:2:2 16 bit/8 bit格式；2)ZV端口輸出格式；3)RGB原始數(shù)據(jù)16 bit/8 bit；4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有對比度、亮度、飽和度、白平衡及自動曝光、同步信號位置及極性輸出，幀速率和輸出格式等都可以通過I2C 總線進行編程配置片內(nèi)寄存器控制。

　　聚光鏡頭選用桑來斯公司生產(chǎn)的DSL103鏡頭。此鏡頭體積小，適合嵌入式視覺傳感器的應用場合。

　　四、FPGA接口模塊

　　FPGA采用Xilinx公司的xc2s100，這款芯片內(nèi)部集成了10000個邏輯門。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)書寫。為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，在xc2s100 內(nèi)部分配了2個雙口RAM緩沖區(qū)，其大小為127KB，每個雙口RAM存儲1行的圖像數(shù)據(jù)。兩組雙口RAM進行奇偶行計數(shù)器進行切換。當一行存儲完畢后，立即向SH4傳生一個讀取該行數(shù)據(jù)的中斷的申請信號。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　這里主要問題在于FPGA內(nèi)部的雙口RAM讀寫操作共用同一數(shù)據(jù)總線和地址總線，當同時進行讀寫操作的時候就會產(chǎn)生時序問題導致寫入或讀出的數(shù)據(jù)錯誤。在這兩個過程中為了防止數(shù)據(jù)和地址總線沖突，在FPGA內(nèi)部設計了一個中央總線仲裁器。根據(jù)公共數(shù)據(jù)傳輸?shù)南群箜樞?，中央仲裁器先接受圖像傳感器的總線請求，當圖像存儲到RAM之中后，中央仲裁器才響應單片機系統(tǒng)的讀信號請求。

　　這里給出雙口RAM的構(gòu)造及讀寫控制程序：

　　Entity dual_port_ram is
　　Generic(d_width:integer:=2;
　　Mem_depth:integer:=8);
　　Port(clk:in STD_LOGIC;
　　CS:in STD_LOGIC;
　　We: in STD_LOGIC;
　　Indata: in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
　　Outdata:out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
　　Raddr,waddr:in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
　　End dual_port_ram ;
　　Architecture data of dual_port_ram is
　　Type mem_type is array(3 downto 0) of
　　STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
　　Signal mem:mem_type;
　　Begin
　　Process(clk,we,waddr)
　　Begin

　　If(rising_edge(clk))then
　　If(we='1')then
　　Mem(conv_integer(waddr))<=indata;
　　End if;
　　End process;
　　Process(raddr,clk)
　　Begin
　　If(rising_edge(clk))then
　　If(CS='0')then
　　Outdata<=mem(conv_integer(raddr));
　　End if;
　　End if;
　　End process;
　　End data;

　　在MAX Plux II中的波形仿真圖如圖3所示：