（精密仪器及机械专业论文）基于CMOS数字图像传感器的图像采集与传输系统的研究.pdf

中文摘要 检测技术是现代制造业的基础技术之一。随着现代制造工业的快速发展，传 统的检测手段在许多场合已经不能满足现代制造业的需要。视觉检测技术凭借其 非接触、高精度、高效率、现场抗干扰能力强的优点在检测领域快速的发展起来。 随着现代生产节奏的加快，检测区域的扩大，节点数量的增多，视觉检测技 术也面临着新的挑战。为了适应新的检测条件，实时分布式网络测控系统应运而 生。先进的测控系统通常包含数据采集子系统、数据处理和数据传输子系统三部 分，以满足现场检测高速、高效的要求。数据采集子系统是测控系统的前提，是 系统的关键。本文正是针对分布式铡控系统的数据采集子系统的研究。 主要完成了以下主要工作： l ，根据视觉检测系统实际的需要，在以前视觉检测系统的基础上，设计了 分布式数字化视觉检测系统实验方案。 2 ，根据视觉检测系统采集子系统的功能以及智能摄像机的的工作原理，设 计了本摄像机系统的结构和工作原理。重点对摄像机系统的图像采集、 图像存储、图像传输单元进行了电路设计。特剐是在详细对比c m o s 与 c c d 在结构、性能上的各自的优缺点后，选择了c m o s 数字图像传感 器作为本系统的图像采集单元。 。 3 ，根据摄像机系统的工作原理，利用c p l d 设计了存储器接口管理电路模 块，并对各个模块进行了功能仿真和验证，达到了预期效果。设计了单 片机工作程序，包括单片机o v 9 6 5 3 初始化、图像数据上传以及中断处 理子程序模块。 4 ，根据奉摄像机系统的工作原理，设计了系统实验板。利用r s 4 2 2 串口通 信获得了二进制图像数据。验证了系统方案的可行性。 关键词：视觉检测智能摄像机c m o s 数字图像传感器 r s 4 2 2 总线p i c l8 f 4 4 8 单片机 a b s t r a c t t h ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo f t h eb a s i ct e c h n o l o g i e so f t h em o d e m i n a u u - f a c t u r e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mm a n u f a c t u r e ，m a n yw a d i t i o n a i i n s p e c f i o nm o t h o d sa r e n ts a t i s f i e dw i t ht h em o d e r na u t o m a t i o ni n d u s u yi nm a n y o c c a s i o n s v i s i o ni n s p e c t i o nt e c h n o l o g y , d e p e n d i n go ni t sh i g h - p e r f o r m a n c e ，s u c ha s n o n - c o n t a c t ，h i g h - p r e c i s i o n , h i 曲一e f f i c i e n c ya n da n t i - j a n u n i n g ，g e t sag r e a tc h a n c et o d e v e l o p i t s e l f i nt h em e a s u r i n gf i e l d w i t ht h eq u i e kr h y t h mo ft h em o d e mm a n u f a c t u r e ，t h ee x t e n s i o no ft h e i n s p e c t i o na r e a , t h ei n c r e a s i n ga m o k n t so ft h et e s t e dp o i n t s ，v i s i o ni n s p e c t i o na l s o f a c e sg r e a tc h a l l e n g e sa n dn e e d st oi m p r o v ei t s e l fn o w , t oa d a p tt ot h en e ww o r k i n g c o n d i t i o n s , t h ec e n e c p t i o no ft h er e a l t i m e ，d i s t r i b u t e d ，m e s h w o r ko fi n s p e c t i o n s y s t e mi sh a t c h e d a na d v a n c e di n s p e c t i o ns y s t e mi su s u a l l yc o m p o s e do fi m a g e c a p t u r e ，d a t ap r o c e s s i n g ，a n dd a t at r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m s t h i sp a p e rj u s tf o c u s e s o n t h e i m a g ec a p t u r i n gs u b - - s y s t , i m l t h e m a i n t a s k so f t h i s p a p e r a r e b e l o w ： 1 ，a c c o r d i n g t o t h e r e q u e s t o f t h e w o r k i n gc o n d i t i o n s , b a s e d o n t h e f o r m e rs t u d y , ap r o j e c to f m ca d v a n c e dd i s t r i b u t e di n s p e c t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi ss e tu p 2 ，a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n so ft h ea c q u i s i t i o ns u b s y s t e mo ft h ev i s i o n i n s p e c t i o ns y s t e m ，d e s i g n i n gt h es t m c t a r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ec a n l e r a s y s t e m s p e c i a l l yo ni m a g ea c q u i s i t i o n s t o r a g ea n d t r a n s m i s s i o nu n i t s a f t 日 c o m p a r i n gc m o sw i t hc c df o rt h e i r o , n r ns t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c e s d e t a i l e d l y , c h o o s i n gc m o sd i g i t a li m a g e s e n g o ra st h ea c q u i s i t i o nu n i t 3 ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t h ec a m e r as y s t e m ，u t i l i z i n gc p l d t oi m p l e m e n tt h e r a mi n t e r f a c em a n a g e m e n tc i r c u i tm o d u l e s h a v i n gd o n et h ef u n c t i o n s i m u l a t i o nf o ra l lt h em o d u l e sa n dg o r e nt h ee x p e c t e dr e s u l t s a n dd e s i g n i n g p i cm i c r o c o n t r o l l e rs o f t w a r e ，i n e l o d i n go v 9 6 5 3i u i t i a l i z a f i o n ，i m a g ed a t a t r a n s m i s s i o na n di n t e r r u p ts o f t w a r em o d u l e ， 4 ，a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo ft h ed e s i g n e dc a m e l as y s t e m ，d e s i g n i n go e x p e r i m e n t a lp c b u t i l i f i n gr s 4 2 2s e r i e si n t e r f a c e t ot r a n s m i tt h ei m a g e d a t at ot h ec o m p u t e rs u c c e s s f u l l y , a n dt h e nd i s p l a y i n gt h ei m a g ei nt h e d i s p l a y t h ef e a s i b i l i t yo f t h ec a m e r as y s t e ma r ee n s u r e d k e yw o r d s ：v i s i o ni n s p e c t i o ni n t e l l i g e n tc a m e r a c m o sd i g i t a li m a g es e n s o r r $ 4 2 2b u s p i c lg f 4 4 8m i c m - c o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘查盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 奈扫 签字日期：勘口5 年，月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：京劫 签字日期：棚z 年，月2 日 导师签名：孳嚷 签字日期：沙，g 年月3 日 第一章绪论 i 1 引言 第一章绪论 检测技术是现代制造业的基础技术之一，是保证产品质量的关键。近几十 年来，由于制造业在新材料、新工艺、新设备等方面取得了巨大进步，许多传 统的检测技术己不能满足现代制造业的需要，表现在：现代制造产品种类繁多， 许多新型产品没有相应的检测方法；现代制造强调实时、在线、非接触检测，以 控制生产过程，提高生产效率和产品的合格率，这是许多传统检测手段无法提供 的；现代产品的制造精度要求大大提高，需要相应的高精度检测方法。现代制造 业的进步需要新型的产品检测技术来适应现代生产要求。 视觉检测技术作为重点研究物体的几何尺寸及物体在空间位姿的三维测量 技术，凭借其具有非接触，速度快，精度合适，现场抗干扰能力强，可以快速获 取大量信息自动进行数据处理以及易于同设计信息及加工控制信息集成等突出 特点，伴随着现代自动化生产应运而生。并被广泛用于工况监视、成品检验和质 量控制等领域。 视觉检测系统可以提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合人工作业的 危险环境或人工视觉难以满足要求的场合。常用计算机视觉来代替；在大批量工 业生产过程中，采用视觉检测系统检查产品质量可以大大提高生产效率和自动化 程度。另外计算机视觉系统便于信息集成，是实现现代工业自动化的基础技术。 1 2 计算机视觉检测系统及其应用 1 2 1 计算机视觉检测系统 计算机视觉就是用各种成像系统代替人的视觉器官作为输入手段，由计算机 代替人脑完成处理和解释。它是计算机科学和人工智能研究领域的重要分支。视 觉检测理论来源于计算机视觉，是计算机视觉技术在外形尺寸检测方面的应用。 视觉检测的任务是对己加工工件或装配件的几何量进行测量以评价其与相应预 置标准量的相符程度，所以它不仅要求能够定量地确定景物中物体的空间性质， 更重要的是精确描述被测景物的三维坐标尺寸。 目前计算机视觉检测系统主要由三部分组成：图像的采集、图像的处理、 图像的输出显示。视觉检测系统组成框图如图1 1 所示： 视觉检测系统一般包括：光源、光学系统、c c d c m o s 相机、图像采集卡、 第章绪论 罔像处理单元、机器视觉处理软件、监视器、通讯单元等。图像的采集包括光源、 图1 - 1视觉检测系统组成框图 摄像机等部分。c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 摄像机是现 在最常用的视觉传感器。模 拟c c d 相机输出的图像信 号可以以p a l 制式视频信号 输入标准电视显示器直接显 示或者用图像采集卡将其转化为数字信号以进行其他处理。图像的处理包括软件 处理和硬件处理两部分，一般分为图像存储和图像处理两个单元。计算机是整个 视觉检测系统的核心，它除了协调、控制系统各个单元的正常工作外，还承担着 视觉检测系统最后结果的运算和输出显示任务。计算机对获取的图像数据进行数 字图像处理，得到所需要的各种目标图像特征值，并在此基础上实现模式识别、 坐标计算、灰度分布图等操作。输出设备包括监视界面、过程控制器和报警装置 等。计算机视觉检测系统能够根据其检测结果快速地显示图象、输出数据、发布 指令从而完成自动化流程。与人工视觉相比较计算机视觉的最大优点是精确、 快速、可靠以及信息数字化。 视觉检测系统主要有以下工作过程： ( 1 ) 图像采集：光学系统采集图像， 将图像转换成数字格式传入计算机存储器。 ( 2 ) 图像处理：处理器运用不同的算 法来提高对结论有重要影响的图像要素。 ( 3 ) 特征提取：处理器识别并量化图 像的关键特性，例如印刷电路板上过孔的位 置或者连接器上引脚的个数。然后将这些数 据传送到控制程序。 ( 4 ) 判决和控制：处理器的控制程序 根据收到的数据做出结论。 图1 - 2 视觉检测的一般过程 视觉检测的一般过程如图1 - 2 所示。 随着图像传感器芯片技术的不断成熟和完善，视觉检测系统也产生了较大的 技术革新。目前视觉检测系统存在以下几种常用构建模式：( 1 ) 典型的视觉检测 系统，应用的是c c d 模拟摄像机。输出模拟图像信号。( 2 ) 数字化视觉检测系 统，将数字摄像机直接或者通过网络与计算机相连，进行数据通信。包括c c d 数字摄像机模式和c m o s 数字摄像机模式两种。 1 2 2 视觉检测系统几种常用的设计模式： 第一章绪论 ( 一) c c d 模拟摄像机加视频转换卡模式 典型的视觉检测系统都是由c c d 模拟摄像机产生p a l 或n t s c 制式的信 号，经过图像采集卡将模拟信号转变成计算机能够识别的数字信号，然后由计算 机对数字图像信号进行解压缩，图像增强，去噪，图像匹配等处理，最后送到显 示器显示或者进行其他处理。其系统原理图如图i - 3 所示。 c c d 图像 计j 图像处理与系统控制 模拟采集 算 摄像机卡 机 1 固 图1 3 典型视觉检测系统的原理图 从系统原理图我们不难看出，典型的视觉检测方法存在一些技术瓶颈。突出 的缺点是：( 1 ) 视频线较多。从摄像机出来的模拟信号传到图像采集卡需要专用的 视频线，成本较高。如果是多节点，在传输距离较长的情况下，布线较困难。( 2 ) 前期传输的是模拟信号，在现场抗电磁干扰能力较差。( 3 ) 模拟图像信号转变成数 字图像信号后未经过预处理而直接由计算机进行高级处理。在多节点的情况下。 庞大的数据加大了计算机的负担，影响了检测系统的实时性。 ( 二) c c d 数字摄像机模式 图1 4 数字c c d 摄像机模式原理图 如图1 4 所示，c c d 数字摄像机模式就是用c c d 数字摄像机取代了以往 的模拟摄像机，这样就不再需要视频转换卡，而直接输出数字图像信号。这种模 式的视觉检测系统晟大的问题在于现在专用的c c d 数字摄像机价格都很昂贵。 如；大恒公司的b a s l e r 数字摄像机，a 6 0 0 系列，黑白，输出为8 位数字信 号，采用的是专用的传输总线i e e e l 3 9 4 ( f i r ew i r e ) 。d h - h v 系列，黑白，u s b 2 0 接口，最高输出速度为l o 3 0 帧，秒。它们的价格都在上万元一台。同时数字摄像 机输出的是未经过数字图像处理的数据，且不便于同低级图像处理模块进行集 成。数据信号传输需要专用的数据线，用于多节点系统成本较高。 ( 三) c m o s 数字摄像机模式 c m o s 数字摄像机模式的原理与c c d 数字摄像机模式基本相同，都是将数 第一章绪论 字摄像机与计算机直接或通过网络相连。c m o s 数字摄像机实际上就是以c m o s 数字图像传感器为光电转换器件的相机。c m o s 数字图像传感器是新推出来的一 种图像传感芯片，将其用于视觉检测实际上就是用它进行数字化图像采集，改进 传统的视觉检测模式。c m o s 数字图像传感器能够达到3 0 帧，秒的传输速度，输 出数字图像信号，可以直接与低级处理模块连接，构成更如智能的摄像机。运用 此模式进行检测系统设计具有很大的灵活性，设计者可以自主选择和设计摄像机 的图像采集单元、预处理单元和通讯传输单元。 综合分析这几种视觉检测系统，不难发现区别主要在于图像的采集以及图像 传输的方式和方法不同。视觉检测系统在图像采集环节主要分为数字和模拟两大 类。而与计算机( 控制器) 的通信传输也存在多种选择，尤其是在数字化方式下 有许多不同的标准化接口，比如：r s 4 2 2 接口、i e e e 1 3 9 4 接口、c a n 总线接口， u s b 接口以及工业以太网接口等。 1 2 3 视觉检测系统的应用 视觉检测系统目前已广泛应用于电子工业、汽车制造业、金属加工、食品等 产品的检测。视觉检测技术在电子工业中的应用，主要体现在印刷线路板( p c b ) 和集成芯片( i c ) 的检钡4 上。随着大规模集成电路的发展，j c 的复杂度大大提 高，单个芯片的管脚已经达到数百个，线路板的设计日益复杂，一块线路板的布 线达到上万条，线宽不到l m a n ，如果采用传统的检验方法非常困难和费时，效 率也十分低，甚至检测成本已经相当于p c b 和i c 的造价。视觉检测以其快速、 精确、非接触等优点为p c b 和i c 的自动检测提供了性能价格比非常高的新方案。 目前，在p c b 和i c 的生产线上，6 0 的检测任务是由视觉检测来完成的。如p c b 典型缺陷自动视觉检测系统。 视觉检灏4 系统在零件尺寸测量、模具测量、机器人视觉引导、微电子器件检 测、大型工件三维尺寸检测等领域都有重耍的应用价值。视觉检测技术在汽车制 造业中也得到日益广泛的应用。世界领先的视觉检测系统供应商c o ( 3 n e x ，已 经将视觉检测广泛用于工业生产检测中。天津大学精密测试技术及仪器国家重点 实验室也已经成功研制出了汽车车身视觉检测系统。这些先进技术的运用大大的 提高了产品的检测精度和效率。 今后，随着测量点数量的增加以及测量区域的不断扩大，视觉检测系统将势 必与现在的i n t e m e t 技术相结合，逐渐发展成分布式测控网络系统。 1 3 本文的意义及主要工作 先进的视觉检测系统需要具有先进的检测方式，商效的处理手段以及快速的 传输速率。受到网络技术的发展，当前被检测对象的多样性以及检测环境的复杂 第一章绪论 性的影响，先进的视觉检测系统开始向多节点的分布式、网络化检测系统发展。 先进的计算机视觉检测系统，除了运用先进的光学检测原理和圈像处理软件 以外，还需要高级智能的系统“眼睛”智能摄像机。它是计算机视觉检测 系统的前端采集子系统，是计算机视觉系统的重要组成部分。智能摄像机是一种 高度集成化的微型视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成在一个相机 内部，从而提供了具有多功能、模块化、易实现的计算机视觉解决方案。智能摄 像机如图1 5 所示，包括 了图像采集单元，图像存 储单元、图像处理单元、 网络通信接口单元等主要 部分。 以前的研究任务主要 偏向于数字图像的处理。 也就是在把数据交给计算 机处理之前就由 d s p + f p g a 硬件电路模块 对数据进行一些预处理 ( 低级处理) ，这样就可以 大大减少需要传输的数据，图1 5 智能摄像机 从而加快了系统的传输速率，提高了上位机的工作效率。但在图像采集方式上还 是没有摆脱c c d 模拟摄像机加图像采集卡的模式，而在这种图像采集模式中摄 像机输出的是模拟信号，需要专用的a d 转换器，系统体积较大，而模拟信号在 现场也容易受到电磁于扰。这些与构成智能传感器的目标还存在一定的距离。 本课题就是视觉检测系统在前端图像采集环节的一次技术革新尝试。目的就 是根据分布式视觉检测系统组成的要求，在以前图像处理研究工作的基础上进一 步改进视觉检测系统中检测节点的图像采集与传输单元，使图像采集、处理、传 输各单元能够更好的相互配合工作，以组成一个高级智能化摄像机，从而为构建 一个庞大的、先进的分布式计算机视觉检测系统服务。 本文的工作重点在于图像的采集与传输，在设计时尝试抛弃传统的c c d 模 拟摄像机加视频图像采集卡的方案，而选择具有更大灵活性的c m o s 数字摄像 机模式。c m o s 数字图像传感器能直接输出数字图像信号和数据同步参考信号， 从而方便了数字图像的低级处理和系统集成。整个系统全数字化设计，具有较强 的抗干扰性，有利于数据在现场的传输。同时，本设计运用的硬件与以前在图像 处理方面的研究也具有较强的延续性和兼容性，因此可以较好地将本系统移植到 第一章绪论 以前图像处理研究的成果中，以实现构建智能传感器的目标。 本文主要完成以下几方面内容： l 、根据视觉检测系统实际的需要，在以前视觉检测系统的基础上，设计了 分布式数字化视觉检测系统实验方案。 2 、根据视觉检测系统采集子系统的功能要求以及智能摄像机的的工作原 理，设计了本摄像机系统的组成结构和工作原理。重点对摄像机系统的 图像采集、图像存储、图像传输单元进行了硬件电路设计，根据各部分 功能的要求选择了相应的硬件芯片。特别是在详细对比c m o s 与c c d 在结构、性能上的各自的优缺点后，选择了c m o s 数字图像传感器作为 本系统的图像采集单元。 3 ，根据摄像机系统的硬件功能，设计了系统的工作软件。根据单片机的控 制和数据上传功能设计了单片机的工作程序。按照c p l d 的存储器接口 管理功能，设计了c p l d 存储嚣接口管理模块电路，并进行了相关的功 能验证，达到了预期效果。 4 、设计了系统实验板，对系统的相关功能进行了实验。并通过r s 4 2 2 串口 卡采集到了二进制图像数据，证明了系统方案的可行性 第二章系统的总体设计及基本原理 第二章系统的总体设计及基本原理 2 1 视觉检测系统的设计 分布式视觉检测系统通常包括图像采集、图像存储、图像处理、图像传输几 个子系统，主要由检测节点，系统任务机和传输网络组成。由于受测量区域的限 制，检测节点和系统任务机之间往往有较远的距离，因而需要通信接口和数据传 输具有较强的抗干扰能力。为了适应现场检测的需要，我们将检测系统设计为全 数字化工作方式。把具有图像采集、存储、处理和传输单元的摄像机作为视觉检 测系统的检测节点，以使整个视觉检测系统具有智能采集与传输的功能。系统任 务机和远程监控端则通过工业以太网进行远程通信，从而组成分布式数字化视觉 检测系统。系统组成框图如图2 1 所示。 图2 - 1 分布式数字化视觉检测系统组成框图 本文的工作是对分布式数字化视觉检测系统的检测节点进行设计，重点是对 检测节点的图像采集、存储、传输单元进行设计，以实现构成智能摄像机的目的。 智能摄像机是一种高度集成化的微小计算机视觉系统。它将图像采集、处理、和 通信功能集成与单一的相机内，同时由于应用了最新的d s p 、f p g a 及大容量存 储技术，具有较高的智能化程度，可以满足多种视觉检测的需要。 智能摄像机般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信 接口等构成。在智能摄像机中，图像采集单元相当于普通意义上的相机和图像采 集卡。它将光学图像转换为模拟或者数字图像，并输出至图像处理单元。图像处 理单元类似于图像采集处理卡，它可以对图像采集单元传来的图像数据进行实 第二章系统的总体设计及基本原理 时的存储。并在图像处理软件的支持下进行图像处理。图像处理软件主要是在图 像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能。如几何边缘的提取，二值化 处理等。网络通信接口是智能摄像机的重要组成部分。它包括实现控制信息的传 递、图像数据的通信等任务。 2 2 摄像视系统的设计 根据智能摄像机的工作原理，结合以前的数字图像处理研究成果，本摄像机 系统设计只包括了图像采集、图像存储、图像传输三个部分。对比c c d 与c m o s 图像传感器的各自优缺点，系统选择c m o s 数字图像传感器来构建摄像机系统 的数字化采集单元。利用r s 4 2 2 总线作为摄像机系统与任务机进行图像数据传 输的接口。从而实现了摄像机系统的数字化采集与传输。 系统选用o m a i v i s i o n 公司的c m o s 数字图像传感器o v 9 6 5 3 作为摄像机系 统的图像采集元件。选用x i l i n x 公司的x c 9 5 0 0 系列c p l p x c 9 5 2 8 8 x l 作 为图像存储接1 2 1 转换控制芯片。选用c y p r e s s 公司的5 1 2 k 字节容量的静态存储 器c y 7 c 1 0 4 9 c v 3 3 作为图像数据存储器。选用m i c r o c t l i p 公司的p i c l 8 f 4 4 8 单 片机作为摄像机与主机通信的控制处理器，选用m a x i m 公司的m a x 4 8 9 接口 芯片作为系统通讯接口，从而构成了一个完整的摄像机数字化图像采集和传输硬 件系统。摄像机系统原理框图如图2 2 所示。 图2 - 2 摄像机系统原理框图 本文着重对摄像机系统的图像采集单元、图像存储单元、图像传输单元进行 了功能设计。系统将c m o s 数字图像传感器o v 9 6 5 3 作为图像采集单元。系统 上电，o v 9 6 5 3 首先通过单片机的控制采集图像数据，紧接着输出二进制数字图 像数据。输出的数据通过c p l d 的存储管理接口电路被存入r a m 中。当r a m 存完一帧数据以后，c p l d 将向单片机发出中断信号，以启动图像数据的上传。 第二章系统的总体设计及基本原理 c p l d 和r a m 构成了图像存储单元。系统将p i c l 8 f 4 4 8 单片机作为摄像机系统 的控制器，把m a x 4 8 9 接口芯片作为单片机与主机进行通信的媒介，是系统的 图像传输单元。单片机通过m _ t 4 8 9 接口芯片和r s 4 2 2 总线与计算机( 主机) 相连，咀实现数字图像数据的上传和通信。当单片机接受到c p l d 发出的中断后， 在适当的时机发出读数据信号。r a m 中的图像数据随后被读入单片机的内存中。 存入单片机内存的数据，紧接着就传入u s a r t 发送缓冲器，通过m a x 4 8 9 接口 芯片的驱动中转，传入计算机。 摄像机系统的图像采集单元、图像存储单元、图像传输单元通过c p l d 的接 口管理控制自动进行数据通道的切换和数据交换，从而实现系统智能控制功能。 2 3 摄像机系统的基本原理 2 3 1c m o s 数字图像传感器的基本原理 c m o s 数字摄像机是由c m o s 数字图像传感器芯片、芯片外围电路和光学 镜头组成的。在通常情况下，图像传感器芯片的性能就决定了摄像机的性能。 典型的c m o s 图像传感器芯片是由像素感光阵列及辅助电路构成，其结构 如图2 3 所示。其中像素感光阵列主要完成光电转换功能，实现图像的采集，是 芯片的核心组成部分。辅助电路主要完成驱动信号的产生、光电信号的处理和信 号输出等任务，是芯片实现各种功能的关键电路。 图2 3c m o s 图像传感器芯片结构 像素感光阵列是由光电二极管和m o s 场效应管阵列构成的集成电路。在实 际工作中，c m o s 图像传感器首先在行选择译码器的控制下依次接通被选中行的 像素模拟开关，图像信号通过行开关传送到列线上，再通过列选择译码器的控制 传送到放大器。经过处理的模拟信号最后由a d 转换器进行模数转换，再经预 处理电路处理后通过接口电路输出。 c m o s 图像传感器主要性能指标有：分辨率，光谱性能和量子效率，填充因 第二章系绩的总体设计及基本原理 子，噪声等。分辨率和噪声关系着成像赝量。填充因子决定了感光阵列的利用率。 光谱性能和量子效率则反映了芯片的光电转换效率。c m o s 图像传感器和c c d 图像传感器的性能区别主要表现在以下几方面： ( 一) 图像传输过程。c m o s 图像传感器与c c d 采用了相同的光敏材料， 光电转换的原理也相同，都是应用光 电效应。但是二者结构的不同决定了 信号读取过程的不同：c c d 以电荷 包的形式进行存储及转移，其信号的 读取需要多路外部驱动脉冲及电源 的支持，系统电路相对复杂。c m o s 图像传感器经光电转换后由像元囊 接产生电流( 电压) 信号，采用行列 查询的方式，行信号低速并行采样， 列信号多路转换则在阵列底部完成。 - p 高遵电荷转移 号 以类似于d r a m 的方式读出信号。工作 图2 4c c d 图像传感器结构图 时仅需要单一的工作电压供电。c m o s 这种结构又提供了随机进入像元，任意截 取图像的能力。同时直接从像元上读取信号又避免了类似c c d 中大量电荷需要 转移很长距离的情况。c c d 传感器结构图分别如图2 - 4 所示。 ( 二) 图像质量。c c d 与c m o s 在结构上的不同，使得它们的读出噪声有 很大的差别。由于c m o s 图像传感器集成度高，噪声干扰较重，对图像质量的 影响较大。c c d 由于采用了埋沟技术等先进手段，成像质量相对较高。但是近 年来随着微电子技术的快速发展，c m o s 生产工艺有了很大的改进，一定程度上 克服了c m o s 图像传感器噪声大，图像质量不好的缺陷。 ( - - ) 芯片集成性。c m o s 图像传感器可以将光敏元阵列、信号读取电路、 a d 转换电路、图像信号处理电路及控制器等集成到一块芯片上，易于实现单芯 片的成像系统，从而大大的减小了系统的体积，有利于系统的集成。而c c d 由 于和c m o s 工艺不兼容，从而难以将时序发生器、驱动电路以及信号处理电路 集成在同一芯片上，这些功能只能由3 至8 个芯片组合实现，使系统的体积和重 量增大，不利于系统的集成化、微型化。 ( 四) 芯片的功耗大小。c m o s 图像传感器将许多外围电路都集成在一片硅 片上，整个系统只需要一路电源( 3 至5 v ) 供电，其功耗仅为c c d 的1 1 0 。而 c c d 由于需要3 路以上电源来满足特殊时钟驱动，并且使用大电压驱动完成竖 直和水平电荷转移，其功耗相对较大。 c c d 与c m o s 图像传感器的主要性能比较，详见表2 1 。 0 第二章系统的总体设计及基本原理 表2 1c c d 与c m o s 图像传感器的主要性能比较 c c dc l v l o $ 图像传 感器 暗电流1 0p a m 21 0 1 0 0p a m 2 灵敏度 高低 噪声电子数小于等于5 0小于等于2 0 0 工艺难度大 小 光敏元放大器无 。 有 信号输出 逐个光敏元输出，只能按行、列开关控制， 规定的程序输出可随机采样 a d c片外设置片内集成 逻辑电路片外设置片内集成 接口电路片外设置片内集成 驱动电路片外设置，电路设计复杂片内集成 2 3 2r s 4 2 2 原理简介 r s 4 2 2 总线标准是为了改善r s 2 3 2 标准的电气特性，并考虑与r s 2 3 2 兼容 而制定的，本身属于串行通信。为了改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的特点， r s 4 2 2 接口定义了平衡通信接口将传输速率提高到1 0 m b s ，传输距离最远可 达1 2 0 0 r n 。r s 4 2 2 总线构建的网络是单主控制器系统，允许传输总线上只能有一 个主控制器，但可咀最多连接1 0 个接收器。它通过传输线驱动器把逻辑电平变 换成电位差，完成始端的信息传送；通过估输线接收器，将电位差转变成逻辑电 平，实现终端的信息接收。驱动器产生的正电平电压在+ 2 v + 6 v ，面负电平在 2 v 6 v 。在接收端，将正负电平的电压相减即可得到实际信号。当接收端a b 之间的电平大于+ 2 0 0 m v 时，输出正逻辑电平。当接收端a b 之间的电压小于 - 2 0 0 m v 时，输出负逻辑电平。 平衡驱动器差分接收器 g n d g n d 图2 5r s 4 2 2 系统传输电路图 r s 4 2 2 每个通道需要两条信号线，如果其中一条逻辑为“1 ”另一条就逻辑 l l 第二章系统的总体设计及基本原理 就为0 。r s 4 2 2 电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分 组成。r s 4 2 2 系统传输电路如图2 5 所示。 r s 4 2 2 通常在数据传输距离较远的情况下使用，由于采用了平衡驱动、差 分传输的方式，系统的抗干扰能力大大地增强。r s 4 2 2 系统传输速率和传输距离 是成反比的。最远传输距离可达1 2 0 0 m ( 传输速率在1 0 0 k b s ) 。当距离在1 2 0 m 以内对，传输速率可达到1 m b t s 。r s 4 2 2 与其他串行总线的性能比较，如表2 - 2 所示。 表2 - 2r s 4 2 2 与其它接口的性能比较 数据传输速率晟大设电缆是否支持热插拔 格式各数长度 u s b 串行最大4 8 0 m j s 1 2 73 5 m 是 r $ 2 3 2 串行 2 0 s21 5 - 3 0 m否 r $ 4 8 5 串行1 0 m s3 2 1 2 0 0 m否 i e e e l 3 9 4串行3 2 g s 6 34 5 m 是 以太网串行 1 0 0 m s ，1 g s 1 0 2 45 0 0 m否 p c i 并行 1 0 5 6 m s否 r $ 4 2 2 串行最大】0 m s 1 01 2 0 0 m否 2 4 本章小结 本章通过对比不同的系统组成方案，提出了分布式视觉检测系统结构方案。 并且根据智能摄像机的工作原理，设计了摄像机系统的结构。通过比较c c d 和 c m o s 两种不同类型的图像传感器各自的优缺点，从集成性、功耗等方面阐述了 选择c m o s 图像传感器的理由。同时也对摄像机系统的数字化传输原理进行了 简单介绍。 第三章图像数字化采集与传输的硬件实现 第三章图像数字化采集与传输的硬件实现 p i c i g f 4 4 8 单片机作为摄像机系统的控制器是本设计的一个核心器件，其 作用贯穿于整个系统。系统上电，它首先要进行自身的端口和有关功能控制寄存 器的初始化以及c m o s 数字图像传感器的初始化。接到主机发出的“开始采集” 命令后，它要向c m o s 数字图像传感器发出启动图像采集命令，以控制匿i 像采 集单元的工作实现摄像机系统的图像采集功能。在数据上传阶段，当接收到 c p l d 发出的中断信号后，单片机将发出读数命令，把已经存入r a m 中的数字 图像数据传入自身的数据存储器中，经过简单数字图像处理后，再把数据通过 u s a r t 串口传给m a x 4 8 9 接口芯片。图像数据通过接口芯片的中转驱动，经过 r s 4 2 2 总线上传到主机，从而实现摄像机系统的图像传输功能。系统原理图如图 3 1 所示 3 1 系统的初始化 图3 - l 系统原理图 系统初始化，就是在系统上电结束还未开始工作的时候，对系统硬件芯片， 包括p i c i s f 4 4 8 单片机，o v 9 6 5 3 c m o s 数字图像传感器，x c 9 5 2 8 8 x l c p l d 进 第三章图像数字化采集与传输的硬件实现 行参数设置和程序加载，以使它们能够正常的工作或者获得星佳的工作状态。 系统上电后，单片机首先初始化。单片机初始化主要包括以下几方面：( 1 ) 自身i o 端口的设置。根据单片机工作需要和电路连接将单片机i o 端口设置为 需要的工作状态。需要注意的是要将单片机与o v 5 3 的p w d n 管脚相连接的 口设置为高电平输出，以使o v 9 6 5 3 处于p o w e rd o w n 模式。( 2 ) 功能控制 寄存器的设置。包括中断控制设置，u s a r t 控制寄存器设置，1 2 c 总线控制寄存 器设置，比较器控制设置。a d 转换控制设置等。这其中最重要的有：u s a r t 控制寄存器设置。需要设置的参数有；初始化发送驱动器的使能端d e ，同步 异步传输方式的选择，发送数据格式的设置，波特率的设置等。1 2 c 总线控 制寄存器设置。为了与o v 9 6 5 3 的s c c b 接口参数相匹配，需要设置单片机工作 在主控、高速方式下，设置波特率为4 0 0 k h z 。 随后单片机通过1 2c 总线接口向c m o s 数字图像传感器发出初始化指令， 用于设置图像传感器的工作状态和工作参数。单片机初始化o v 9 6 5 3 实际上就是 读写其控制寄存器。这里要注意的是在单片机编程的时候要等待上一步操作完成 以后才能进行接下来的工作，否则初始化设置将出错。我们通过查询单片机对应 的中断标志位的方法来检测上一步工作的完成状态。 在初始化电路中，单片机是主控制器，o v 9 6 5 3 是从器件。当单片机对 o v 9 6 5 3 进行读操作对。0 v 9 6 5 3 地址是o x 6 1 ，当单片机对o v 9 6 5 3 进行写操作 时，o v 9 6 5 3 的地址是0 x 6 0 。s c c b 接口有两个端口：时钟端口$ 1 0 ，数_ c 据端口s i od 。单片机的1 2 c 总线的时钟线s c l 以及数据线s d a 与c m o s 数 字图像传感器的s c c b 接口对应相连。由于单片机在自身初始化时已经将p c 总 线的参数与s c c b 总线匹配，在此只需要按照r c 总线规范，再设计两个上拉电 阻。系统电路图如图3 - 2 所示。 d 3 甜d 3 甜 图3 - 2 系统初始化电路图 c m o s 数字图像传感器需要设置的 参数主要有：照相和摄像操作模式的 选择，主从工作模式选择，自动曝 光控制( a e c ) ，自动增益控制( a g c ) ， 自动白平衡控制( a w b ) ，设定成像 窗口的大小，调整帧传输速率， s x g a v g a j q v g a q q v g a c 1 f q c i f q q c i f 模式选择，输出数据格式设置。 本系统设置c m o s 数字图像传感器工作 在主模式、摄像操作模式和c i f 模式下， 输出y u v 格式数据。设置芯片工作在自动曝光，自动白平衡，自动增益模式。 4 第三章图像数字化采集与传输的硬件实现 通过设置h s t a r t ，h s t o p ，h r e f ，v s t r t ，v s t o p ，v r e f 寄存器来选择输 出的行和列。同时，根据r a m 写时序的要求，设定在p c l k 上升沿时数据有效。 为了减小外部电路设计，我们选择h r e f 作为行参考信号，而暂时不使用行同步 信号c h s y n c 。这需要将0 , , 1 5 1 6 设置为0 。同时设定p c l k 信号只有在h r e f 有效时才输出。设定v s y n c 、h r e f 都工作在高电平有效状态。 c p h ) 的初始化过程，实际上就是将编译成功的原理图设计文件下载到 c p l d 中。当系统上电，电源电压达到稳定状态后，c p l d 内部所有用户寄存器 初始化，器件立即正常工作。 初始化过程结束后，系统处于等待休眠状态，等待执行下一步操作。在这个 状态期间，p i c 单片机处于休眠方式，c m o s 数字图像传感器则处于p o w e r d o w n 工作模式。这样做不仅满足了主机通过p i c 单片机对系统进行图像采集控制的需 要，而且也降低了系统功耗。 3 2 图像的采集 3 2 1o v 9 6 5 3 的工作原理 图3 - 3 o v 9 6 5 3 的外观图以及数据接口 如图3 - 3 所示，o v 9 6 5 3 自身封装有一个光学镜头。其有效感光阵列为 1 3 0 0 x 1 0 2 8 。支持s x g a ，v g a ，c i f , q c i f 等模式。其中s x g a 模式分辨率最高， 可达1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素。与以往的c m o s 数字图像传感器相比较，o v 9 6 5 3 最大的 特点是在图像传感器芯片内部集成了数字信号处理器d s p