基于機器視覺(jué)的嵌入式高速圖像通信系統

1 引言

隨著(zhù)現代的圖形采集技術(shù)發(fā)展迅速，各種基于ISA，PCI，USB1.1等總線(xiàn)的圖形采集卡速度已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)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(mǎn)足圖像采集、傳輸以及后續處理的要求。系統中采用 DSP+CPLD的硬件設計方案，采用現場(chǎng)可編程芯片 CPLD及兩片 SRAM構成的圖像采集和存儲系統，可以根據不同的需要進(jìn)行現場(chǎng)編程，具有通用性好、價(jià)格相對便宜，易于系統調試，升級等特點(diǎn)。系統中 CPLD選擇的型號是 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，系統設計也利用這座橋梁將 USB和 CPLD有機地聯(lián)系起來(lái)。該系統的市場(chǎng)調查表明，適應于各種主動(dòng)或被動(dòng)的監測場(chǎng)合，以及醫療、公安和工業(yè)檢測當中。 2 系統的硬件設計方案圖像通信系統包括以下四個(gè)部分，如圖 1所示：

(1) 圖像采集模塊，由線(xiàn)陣 CCD、CCD 驅動(dòng)信號增強電路、CPLD 和 A/D 組成，用于采集圖像信號，并將模擬信號數字化，以便 DSP 處理。本系統采用黑白高速線(xiàn)陣TH7814A，該 CCD 為雙路輸出，像敏單元尺寸7 ?m，最高驅動(dòng)頻率 50 MHz；CCD 驅動(dòng)信號增強電路是為滿(mǎn)足該 CCD 所需的 9 V 高速驅動(dòng)而設計的；A/D 芯片采用 SAA7111A，它由雙通道模擬預處理電路、自動(dòng)鉗位和增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、數字多標準譯碼器色度/飽和度/對比度控制電路、彩色空間矩陣和 27MHz數據處理通道七部分組成，并由 DSP模擬I 2C總線(xiàn)進(jìn)行時(shí)序配置，以上器件同步驅動(dòng)脈沖均由 CPLD 產(chǎn)生。

（2）圖像信號的處理和控制模塊，該模塊由 DSP和兩片 SRAM組成，完成了整個(gè)系統圖像數據的處理和對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到 100MIPS，通過(guò)片內的鎖相環(huán)倍頻使 DSP內部工作在 100M的頻率上，而外部的工作頻率可以相對較低，這就降低了電路設計的要求，提高了工作的穩定性。該系統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)字節表示，每幀圖像是 720×576×16=*Mb，分成奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)分別存儲在兩片 SRAM中，則每片的 SRAM存儲 3.2Mb的圖像數據，因此選用了 256K×1*M位的靜態(tài)存儲器（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)字節表示，每幀圖像是 3.2Mb ，每片 SRAM存儲 1.6Mb的圖像數據。所采用的 EZ-USB芯片理論速率是 480Mbps，實(shí)際測得的速率是 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，設計中選用的芯片是EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片，該芯片是針對 USB2.0的，而且和 USB1.0兼容，由于 USB2.0的速度可以達到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)現從外部存儲器高速的讀取和寫(xiě)入數據。在圖像的采集、存儲和傳輸設計上，不再是奇數場(chǎng)存儲在奇數SRAM，偶數場(chǎng)存儲在偶數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，當偶數場(chǎng)到來(lái)后，先把偶數場(chǎng)的一半存儲在緊鄰奇數場(chǎng)數據的奇數 SRAM中，然后再把余下的偶數場(chǎng)數據的一半存儲在緊鄰偶數場(chǎng)數據的偶數 SRAM中。CY7C68013擁有 4個(gè)大容量端點(diǎn)，恰好滿(mǎn)足了整個(gè)系統對實(shí)時(shí)性的要求。在 USB從兩個(gè) SRAM讀取圖像數據時(shí)，USB并不是從兩個(gè)SRAM“乒乓”式的讀取圖像數據，而是充分地利用 USB2.0的速度特點(diǎn)，由 CPLD的時(shí)序調度來(lái)先讀取奇數SRAM，然后讀取偶數SRAM。

（4）系統接口以及終端圖像還原和存儲模塊，系統中各個(gè)模塊之間都需要通過(guò)接口來(lái)實(shí)現模塊間通信，因此接口的選擇是系統是保證系統通信速度的關(guān)鍵。其中CPLD 和 DSP 都具有很高的數據處理速度 ,如何將這兩個(gè)器件的處理速度協(xié)調起來(lái) ,會(huì )直接影響整體系統的運行速度 ,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RAM。系統中DSP與 SDRAM 用EMIF 的方式接口。同時(shí)，CPLD內部的存儲器主要是 Block RAM ,可用作雙口 RAM ,正好可將 CPLD 模塊中的結果緩沖器設為雙口 RAM ,一端是輸入 ,另一端則模擬為SDRAM 的接口。這樣就將 CPLD 與 DSP 有機地連接在一起。系統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)送和接受各種數據及控制信號。PC機端通過(guò) USB接口接受數據，然后存儲到終端硬盤(pán)上，進(jìn)行圖像的還原和處理?！　?/P>

系統工作流程：系統上電以后， DSP從外部 FLASH進(jìn)行程序自舉，將程序引導進(jìn)入片內高速 RAM中運行。DSP對 SAA7111A，TL16C750（異步通信芯片）進(jìn)行初始化配置。初始化結束后，DSP進(jìn)入等待狀態(tài)。當接收到手動(dòng)或是軟件自動(dòng)鏈路請求時(shí)， DSP進(jìn)行鏈路撥號。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經(jīng)過(guò)SAA7111A的模數轉換，由CPLD控制寫(xiě)入片外高速大容量SRAM儲存，直到一幀圖像存儲完畢， CPLD交出總線(xiàn)。然后 USB控制器 FX2從兩片 SRAM中讀取奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)的圖像數據。一幀圖像采集結束后，CPLD置高 HOLD，同時(shí)產(chǎn)生中斷，通知 DSP。DSP收回總線(xiàn)，進(jìn)行圖像傳輸。圖像采集部分的 TOKEN信號外接 LED，LED的亮、滅狀態(tài)可以直觀(guān)地顯示系統進(jìn)程階段。

3 系統程序設計

3.1 DSP控制程序設計

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據流向和組織方式 , 從 DSP執行的內外影響主要可以分為內部的算法操作，和對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數據交換存儲器進(jìn)行數據交換。系統的 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)檢測按鍵情況，如果需要就調用需要的功能模塊函數，其主函數中的部分代碼如下:

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傳輸數據命令 set usb_transfer();//調用相應模塊 default:; }}

3.2 CPLD控制程序設計

CPLD的作用是產(chǎn)生 CCD、A/D及 DSP視頻端口的同步驅動(dòng)脈沖。每次采樣時(shí)， CPLD將從 SAA7111A接收到一幀圖像數據保存到 SRAM中，此時(shí) DSP等待；采樣結束后， DSP與 CPLD進(jìn)行總線(xiàn)切換，分別連接到與上次不同的 SRAM上，DSP開(kāi)始讀取數據，CPLD開(kāi)始采集數據。每當 DSP和 CPLD 都完成各自的任務(wù)時(shí)，就進(jìn)行總線(xiàn)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的固件程序及驅動(dòng)程序

固件程序在該系統中其主要功能是實(shí)現 USB芯片的初始化和配置；控制 USB芯片接收并處理 USB驅動(dòng)程序請求；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部狀態(tài)變量，調用用戶(hù)初始化函數 TD-Init()，初始化 USB總線(xiàn)設備接口為非配置狀態(tài)，并打開(kāi)中斷。當完成上面的任務(wù)后，固件程序就開(kāi)始重新枚舉設備直到在端點(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 主機應用應用程序

在 PC機端，用 Visual C++ 6.0編寫(xiě)客戶(hù)應用程序，應用程序通過(guò) USB接收原始的奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)圖像數據，待接收完奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)圖像數據后，應用程序把它們組成完整的一幀圖像，并且把該幀圖像數據存儲到硬盤(pán)上，然后把這幀圖像轉化成 BMP格式的圖像存儲在硬盤(pán)上，同時(shí)以 BMP的形式顯示圖像。

4 結論

從總體來(lái)看，該系統以嵌入式設備為核心平臺，在此平臺上完成了機器視覺(jué)、圖像實(shí)時(shí)采集、數據傳輸 3個(gè)子系統的無(wú)縫連接集成開(kāi)發(fā)。使得本系統只需較少的成本，擁有監測終端，就能完成主動(dòng)智能監測、用戶(hù)遠程現場(chǎng)監控等功能。此外，本系統可針對不同需求，在添加各類(lèi)相應的傳感器后，將可運用到包括消防、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的設計，采用高速 USB2.0作為圖像傳輸的接口，完成了機器視覺(jué)、圖像實(shí)時(shí)采集、數據傳輸 3個(gè)子系統的無(wú)縫連接集成開(kāi)發(fā)。