基于嵌入式ARM9的墻面平整度檢測儀研究與實(shí)現

房屋的墻面平整度是衡量房屋建筑質(zhì)量的一項重要指標?，F有的墻面平整度檢測方法要么操作不方便且效率低下，如靠尺;要么檢測儀器本身比較復雜，不易操作，需要專(zhuān)業(yè)的操作技巧，如使用“百分表打點(diǎn)”檢測;或者儀器本身比較昂貴，無(wú)法廣泛推廣和使用，如利用無(wú)協(xié)作目標電子全站儀檢測。所以研究一種原理簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜，體積小，便攜式的手持移動(dòng)墻面平整度檢測設備是非常有必要且具一定商業(yè)價(jià)值的。

1 系統的總體設計

系統的目標是：設計一個(gè)嵌入式手持設備，實(shí)現對墻面平整度的檢測。具體的實(shí)現過(guò)程為：USB攝像頭以小分辨率(320*240)采集動(dòng)態(tài)視頻，旋轉后直接顯示在LCD上，通過(guò)觀(guān)察LCD上的動(dòng)態(tài)顯示內容確定所選場(chǎng)景是否滿(mǎn)足要求。待出現滿(mǎn)足要求的場(chǎng)景后開(kāi)始測量，此時(shí)USB攝像頭以大分辨率(1 600*1 200)采集一幅靜態(tài)圖片傳給CPU處理，最后CPU將處理的結果顯示在LCD上。系統的總體結構如圖1所示。

2 系統硬件平臺的構建

2.1 微處理器及存儲模塊

本系統的微處理器采用飛思卡爾公司的MCIMX283。該處理器基于ARM926構架，主頻最高達450MHz;采用NANDFlash啟動(dòng)，其工作電壓范圍是2.7～3.6V，容量為128M×8bit，

能滿(mǎn)足系統和各類(lèi)數據的存儲要求。采用H5P92562GFR—s6c運行操作系統和應用程序，該芯片為DDR2 SDRAM，bank數為4，數據寬度2 bytes，容量大小為32MB。與傳統的SDRAM相比，DDR2 SDRAM存取速度有了極大提高，但工作電壓卻很低，因此運行速度和功耗有很大改進(jìn)。微處理器和DDR2、NAND Flash的連接示意圖如圖2所示。

2.2 電源、時(shí)鐘和復位模塊

MCDMX283內部集成了電源管理單元(PMU)，外部只需要提供規定的電源(5V或者4.2V)就可產(chǎn)生核心板需要的各種電壓。但MCIMX283內部電源管理單元輸出能力有限，因此PMU所產(chǎn)生的3.3 V、1.8 V等電源除了給DDR2、NANDFlash供電外沒(méi)有給其他外圍設備使用。其他外圍設備的供電可由外部供電經(jīng)過(guò)LDO轉換為所需電壓以供使用。

此外，系統中采用晶體振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘源信號，復位模塊采用手動(dòng)復位。

2.3 USB和LCD接口電路模塊

USB接口按主從關(guān)系可分為USB Host和USB OTG。USB Host用來(lái)掛載Deviec設備，本系統中是掛載USB攝像頭，以實(shí)現視頻和圖像的采集;USB OTG用以和PC機通信，實(shí)現PC機向NAND Flash下載內核、根文件系統等功能。

LCD用來(lái)顯示USB攝像頭采集的視頻數據和處理后的圖像。MCIMX283集成LCD控制器和觸摸屏控制器，支持24位的RGB和24位系統模式，同時(shí)支持四線(xiàn)電阻觸摸屏。本系統中LCD只用作顯示，不需要觸摸功能，同時(shí)為了充分利用IO資源，系統采用16位RGB顯示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括軟件平臺的搭建和檢測軟件的實(shí)現。軟件平臺的搭建主要完成嵌入式操作系統的移植和主要模塊的驅動(dòng)移植，檢測軟件的實(shí)現即檢測算法的實(shí)現，是檢測系統的核心部分。

3.1 嵌入式Linux操作系統的移植

嵌入式操作系統是嵌入式系統的軟件基礎，是應用程序開(kāi)發(fā)的軟件平臺。對于一個(gè)嵌入式Linux系統，系統上電后經(jīng)過(guò)加載Bootloader、啟動(dòng)Linux內核、掛載根文件系統3個(gè)步驟后，用戶(hù)程序才能正常運行，而且這3個(gè)步驟是缺一不可的。

3.2 主要模塊驅動(dòng)的移植

驅動(dòng)的移植是嵌入式系統不可缺少的過(guò)程，本系統中主要完成的驅動(dòng)移植有檢測按鈕驅動(dòng)的移植、USB攝像頭驅動(dòng)的移植、LCD驅動(dòng)的移植。

首先要移植按鍵按鈕的驅動(dòng)，本系統中我們使用一個(gè)GPIO引腳來(lái)模擬開(kāi)關(guān)按鈕。選定引腳后先將該引腳配置成GPIO功能，生成引腳的屬性文件，然后編譯mykey.c文件，將按鍵驅動(dòng)插入內核中，完成按鍵驅動(dòng)的移植。

由于本系統使用Linux2.6.35版本，該版本支持UVC類(lèi)設備，而我們選用的USB攝像頭為XHV57-NBL60-V1.0，支持UVC標準，所以我們不需要編寫(xiě)驅動(dòng)，只是在配置內核時(shí)將UVC靜態(tài)編譯進(jìn)內核即可。

本系統選用的2.8寸LCD不帶驅動(dòng)板，因此不但要配置LCD控制器的參數，還要通過(guò)SPI初始化LCD寄存器。根據LCD時(shí)序圖，設置LCD控制器的輸出時(shí)序，再根據系統需求和相關(guān)手冊，設置LCD寄存器的值，這樣上電后，LCD就能工作在預定狀態(tài)下。

3.3 檢測軟件的實(shí)現

激光檢測系統的總體設計分為兩部分：視頻采集模式和圖像采集模式。上電復位后系統進(jìn)入視頻采集模式，攝像頭采集320*240的YUV422視頻幀圖像，將采集到的YUV幀圖像轉換為RGB565，旋轉90度轉為240*320，然后顯示到LCD上。此時(shí)通過(guò)觀(guān)察LCD上顯示的動(dòng)態(tài)圖像(即視頻)即可確定攝像頭所選“場(chǎng)景”是否滿(mǎn)足要求。待所選“場(chǎng)景”滿(mǎn)足要求后按下“開(kāi)始測量”按鈕，即可進(jìn)入拍照模式。進(jìn)入拍照模式后，系統修改攝像頭分辨率，采集一幅1600*1200的YUV圖像，將此圖像轉換為1600*1200的RGB888圖像，調用算法處理RGB888圖像，然后將處理后的圖像壓縮為320*240的RGB888，將壓縮后的圖像轉換為RGB565，再旋轉90度顯示在LCD上，此時(shí)通過(guò)觀(guān)察LCD上的顯示結果就可知道激光線(xiàn)照射到的墻面部分的平整度情況了。觀(guān)察記錄完檢測結果后按下“開(kāi)始測量”按鈕即可進(jìn)入視頻采集模式，選取合適“場(chǎng)景”后再次按下“開(kāi)始測量”按鈕即可進(jìn)入下次檢測。檢測軟件的總體框架如圖3所示。

視頻的采集就是讀取USB攝像頭獲得的視頻數據流，交給處理器處理。拍照模式是檢測系統中主要功能的實(shí)現部分，進(jìn)入該模式后，系統首先更改攝像頭的分辨率，采集一幅1600*1200的YUV圖像。根據YUV和RGB的轉換關(guān)系，將圖像轉換為RGB888。然后執行以下過(guò)程：

1)遍歷圖像的每個(gè)像素點(diǎn)，根據既定閾值找出激光線(xiàn)的起始坐標，將激光線(xiàn)始末點(diǎn)之間的距離分為N段，為后續分段處理做準備;

2)定義二維數組dealpt[20][1600]，存放激光線(xiàn)上激光像素的坐標;

3)利用最小二乘法擬合激光線(xiàn)，確定激光線(xiàn)的系數a、截距b，得到激光線(xiàn)y=ax+b，將擬合的激光線(xiàn)標成純紅(R=255，G=0，B=0);

4)求每一列中擬合激光線(xiàn)上激光點(diǎn)的y軸坐標與實(shí)際激光線(xiàn)上該列所有激光點(diǎn)y軸坐標差的和，以段為單位，計算第L段上所有坐標差的總和difn[L];

5)根據difn[L]絕對值的大小，就能知道第L段內激光線(xiàn)的曲直程度，從而可以確定第L段內墻面的凹凸程度。difn[L]絕對值越大，說(shuō)明第L段內凹凸程度越大，我們就將此段內的擬合激光線(xiàn)標黑的程度越大，當difn[L]超過(guò)某一閾值，則將該段內的擬合激光線(xiàn)標成純黑(R=0，G=0，B=0)。

以上處理過(guò)程完成后，使用下采樣方式縮小圖片，得到320*240的RGB888圖像，然后再轉換為RGB565，旋轉90度后顯示在LCD上，通過(guò)LCD上顯示的內容，即可判斷墻面相應部分的凹凸情況。

3.4 激光圖像檢測算法的改進(jìn)

上述算法在正常光照情況下能得到很好的檢測效果，但在極端的光照情況下(如周?chē)庹仗貏e亮或者特別暗的情況)顯示效果卻不盡人意。光照太強，墻面背景較亮，相對情況下激光線(xiàn)亮度就會(huì )變弱，就很難將激光線(xiàn)提取出來(lái);光線(xiàn)太弱，墻面背景較暗，此時(shí)激光線(xiàn)就會(huì )出現過(guò)飽和，激光線(xiàn)上像素點(diǎn)的R、G、B分量都趨于255，這時(shí)應用以上算法就無(wú)法將激光線(xiàn)提取出來(lái);如果光照不是自然光，如光照為藍光或者綠光，這樣也會(huì )影響激光線(xiàn)的提取，如果光照為紅光，且光強足夠大，則激光線(xiàn)就會(huì )完全無(wú)法提取。

為了準確地將激光線(xiàn)像素點(diǎn)從激光圖像中提取出來(lái)，我們要根據不同的光照環(huán)境，確定不同的激光提取閾值條件，為此我們提出了改進(jìn)算法，即在圖像預處理前先求得整個(gè)圖像R、G、B分量的平均值averR、averG、averB，然后根據averR、averG、averB分情況處理激光圖像，這樣就能很好地將激光線(xiàn)從激光圖像中提取出來(lái)，極大地提升了系統的處理能力和適應能力，使墻面檢測儀可以適用于各種不同的光照環(huán)境中。

4 檢測結果分析

4.1 墻面不同凹凸情況下的檢測結果

國家墻面平整度驗收標準為：用兩米的靠尺檢測墻面，平整度偏差在3 mm以?xún)染退愫细?，因此我們的墻面平整度必須檢測出3 mm以?xún)鹊陌纪共潘愫细?。如圖4(a)中的木板厚度約15 mm，必然能檢測出，因此標黑，而木板下方用靠尺檢測凹凸最大的地方為2 mm，本系統也能檢測出，所以當墻面有高凸起時(shí)系統不但能檢測出高凸起部分同時(shí)也能檢測出凹凸值不大的地方。圖4(b)、(c)、(d)凹凸值((;CI))最大分別為3.5 mm、2 mm、0.4 mm，可以看出這些凹凸位置本系統都能檢測出，當凹凸程度小于0.4 mm時(shí)基本就檢測不出了，因此在正常光照情況下，本系統可以檢測出凹凸程度大于0.4mm的凹凸位置，其精度遠遠高于國家規定的標準。

4.2 特殊光照下的檢測結果

由于對算法進(jìn)行了改進(jìn)，因此本系統也可以檢測特殊光照下的墻面，本實(shí)驗以綠光為實(shí)驗。

如圖5所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)檢測位置的凹凸值最大分別為3.5 mm、2 mm、1.5 mm、0.8 mm。

由結果可以看出，由于改進(jìn)了算法，使得檢測儀能很好的檢測出特殊光照下的墻面的平整度，且檢測精度至少為0.8 mm。

5 結論

隨著(zhù)個(gè)人家庭裝修的流行和房屋驗收標準的提高，房屋墻面平整度檢測設備必然向智能化、便攜化、易操作、價(jià)格便宜等方向發(fā)展。本文就是研究并實(shí)現了一種基于ARM9的嵌入式墻面平整度手持檢測設備。并且通過(guò)檢測結果的分析，證明了本系統具有很好的檢測效果。需要指出的是，本系統中照射到墻面的激光線(xiàn)為垂直方向，如果激光線(xiàn)為水平方向，則無(wú)法檢測。而且系統設計過(guò)程中沒(méi)有綜合考慮性能問(wèn)題，導致主芯片發(fā)熱過(guò)高，以上兩點(diǎn)是今后亟待解決的問(wèn)題。