基于tms320f2812的图像识别智能跟踪小车

1、2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目题目：基于 TMS320F2812 的图像识别智能小车学校：华中指导教师： 组别：本科组应用类别： 控制系统类：C2000参赛队成员（含每人的邮箱地址，用于建立）：学历:本科邮件地址:王立冬学历:本科邮件地址: wanglidongwe学历:本科邮件地址: dengyuanwe文件未拍摄地址（若未拍摄，请注明）：邮寄地址和收件人（快递发送，请不要使用邮政信箱地址）邮箱地址:收件人:工程楼 B311 室省市洪山区华中:题目： 基于 TMS320F2812 的图像识别智能小车摘要 : 本系统是基于 TMS320F2812 的智能

2、装置，其具有智能锁定目标并自动已锁定目标的功能。利用 CPLD 获取头的图像信息，并用采用TMS320F2812 处理图像信息，采用中值滤波，腐蚀等算法提取目标信息，进而计算目标坐标，通过 DSP 内部模块控制小车移动，并将目标坐标无线发目标的功能。送给掌上装置，以实现实时、DSP 、图像处理：实时Abstract: This system is based on TMS320F2812 elligent tracking device, is the elligence s and automatic tracking has the function of the . Use CPLD f

3、or acquisition of the camera image information, and using TMS320F2812 prosing image information, the median filter, such as corro information extraction algorithm, and then calculate coordinates, through the DSP module control car ernal mobile, and will coordinates wireless sent to palm the remote c

4、ontrol, in order to realize the function of real-time tracking s.Keywords: real-time tracking, DSP, image prosing1.引言在机器智能的应用中，数字图像处理往往是整个系统的。在处理中由于有环境噪声的干扰，处理器在分析图像时，必须对其进行相应的处理。在数字图像处理中，主要采用中值滤波，均值滤波等消噪处理，为有效提取有用信息和降低处理器的处理负担，常常采用二值化变换等方式。本系统中采用 德州仪器公司的 TMS320F2812 DSP，充分利用其丰富外设，通过运用数字图像处理技术，控制模型小

5、车实时所指定的目标。2.系统方案2.1 总体介绍本系统是基于 TMS320F2812 的智能装置，其具有智能锁定目标并自动已锁定目标的功能。该系统分为 A、B 两部分，A 部分是搭载TMS320F2812 微处理器、CPLD、头模块、无线收发模块 NRF24L01 等的小车。B 部分是以 LM3S1138 为微控制器，包含无线收发模块 NRF24L01、LCD 触摸屏等模块的无线部分。A 部分通过分析的图像信号来确定目标并目标,并将目标的位置给 B 部分。B 部分可实现手动或自动小车的功能。2.2 图像预处理的原理本系统采用中值滤波降低原始图像的噪声。为了求(i,j)处像素值,查看该像素周围的

6、 9 个像素值,将其排序后取其中值,该中值即为(i,j)像素的值。利用该方法在消除噪声时能很好地保存目标的边缘信。P MedP,P i-1，j,P i-1，j+1.Pi+1，j+1i，j1 i 238i-1，j-1,1 j 318对所求的图像与环境图像差分，以分离环境对提取目标的干扰,并对其进行二值化处理。Bi , ji , j| T| T1, (| pi , jP0, | pi,jBi , j1 i 238, 1 j 318其中Bi, j 为背景信息其中 T 为进行二值化的阈值。 B| / 75684238 318T max | p B| | pi, ji, jm,nm,n m1 n12 i

7、 2372 j317 为了进一步降低环境噪声的干扰,对所求的二值化图像进行腐蚀处理。即用 5x5 结构元素,扫描图像的每一个像素, 用结构元素与其覆盖的二值图像做 “与”操作：如果都为 1，结果图像的该像素为 1，否则为 0。由于最后是为获取目标的位置和远近信息，故无需对其进行膨胀处理， 以免降低系统的实时性。经检验，以上图像预处理的方法能很好的消除环境噪声，准确标记目标。使用 VC 仿真效果如下：2.2 目标信息的获取经图像预处理后的图像已将目标所在的区域进行标记，再采用平均法求的目标在中的坐标，具体算法为：2 3 83 18 ii , ji 1j 13 1 82 38 j Pi ,Yjj

8、1i 1其中(X,Y)为目标在中的坐标。238318 D Pi, ji 1j 1中所有像素点的像素值之和,即表示目标占整帧D 为最终二值化面积的大小，根据近大远小的显现即可根据 D 值的大小确定目标与小车的距离，从而确定小车前进与否。3.系统硬件设计该系统由 A、B 部分两部分组成，A 部分由 DSP 信号处理模块、无线通讯模块、图像信号接收模块、电机驱动部分、电源模块组成。B 部分由触摸屏控制模块、无线通讯模块、LM3S1138 微控制器模块、电源模块组成。系统硬件框图如下。A 部分B 部分3.1 图像信号接收模块本模块由 CPLD、换，CPLD 直接处理头组成。CPLD 实现了 3.3v-

9、5v 的电平的相互转头 OV7670 的 VSYNC、HREF、PCLK 信号获取每帧的图像信息通过 XINF 将其送至 DSP。每帧为 320 x240 大小，DSP通过 CPLD 配置 OV7620 模块，使其直接输出的 8bit 亮度数据 ，这样使减轻 DSP 处理图像信号的负荷。3.2电机驱动模块在该系统中使用一片 L298驱动两个直流电机，利用 TMS320F2812内置的路发生器控制 L298。另外通过 DSP 内置的发生器产生两信号控制两个舵机的转动角度，以调整头的拍摄方位。3.3电源管理部分使用两块 12V 锂电池分别给 A、B 两部分供电。该系统 A 部分电路分为模拟电路和数

10、字电路，数子地和模拟地之间用氧化铁磁珠，以降低数字电源对模拟电源的干扰。模拟电源主要给电机驱动、ov7620头模块的模拟电源、舵机等使用。数字电源主要为 DSP 内部供电和外部 RAM、FLASH 和 CPLD，分为 5V、3.3V 和 1.8V ,3.3V 主要提供 I/O 电压、外部 RAM 电压、外部 FLASH 电压、 NRF24L01 电压、CPLD 电压，1.8V 提供 CPU 内核电压。该系统 B 部分通过 TI 公司的 LM317 将 12V 电压依次转换成 5v 和3.3v。以给 LM3S1138、NRF24L01、触摸屏供电。3.4DSP 信号处理模块DSP 信号处理模块以

11、 DSPTMS320F2812 为。TMS320F2812内部集了丰富外设，本系统使用了 EVA/B、GPIO 等片上外设。由于本系统处理的数据量较大，仅仅使用片上 RAM 和 FLASH 不够，故使用了 IS61LV25616AL 作为外部 RAM，使用 SST39VF800 作为外部 FLASH。系统时钟采用 30MHZ 有源晶振作为外部时钟输入，外部时钟进入 DSP以后经过 PLL 锁相环电路最高到 150MHZ 的时钟频率，使单周期指令执行时间最快为 6.67ns，为数据的高速与处理提供了保证。3.5 其他部分本系统使用 NRF24L01 LCD 触摸屏。A 部分使用玩具作为无线收发模

12、块，使用带控制器的 TFT的车身作为载体。B 部分使用 TI 公司的 LM3S1138 作为控制器。4.系统设计总体框架图A 部分的框架图如下。B 部分的框架图如下。4.1A 部分主程序和 NRF24L01 中断模块A 部分的主程序是整个 A 部分系统的总调度程序，其控制着系统的有序运行。当系统上电或者复位后，主程序调用系统初始化程序，整个系统在初始化完成后，A 部分等待接收 B 部分的控制指令，若接收手动控制指令，则进入手动 模式，A 部分根据接收的后续 指令运行；若接收自动指令，则进入自动模式。在自动模式中，主程序首先调用图像接收程序，再调用图像处理分析程序，根据获得的目标位置信息，利用模

13、块控制电机，且发送目标位置信息给 B 部分。A 部分在整个运行过程中始终通过中断接收 B 部分发送的指令。A 部分主程序4.2图像模块CPLDOV7620 的 VSYNC、HREF、PCLK 信号，将其状态按FODD:HREE:VSYNC:PCLK 从到低位分别赋给一个 8bit 数据 SIG 的低四位,供 DSP。 DSP 根据 OV7620 的图像信息输出的时序图，图像数据。图像获取流如下开始判断 PCLK 是否为 0判断 VSYNC是否为 1判断 VSYNC是否为 0判断PCLK 是否为 1判断HREE 是否为 0判断y 是否大于Y_MAX判断HREE 是否为 1判断 x 是否大Y于 X

14、_MAX结束YY行数加x+头 8 为Y 值信号CAM_DATAxy像素数 y+YNSIGYNSIGNNYSIGNNY SIGNY SIGNSIG4.3图像预处理模块在图像预处理模块中，对所需处理的首先采用中值滤波的方式进行消噪处理，再将处理过的与所获得的背景差分，取差分后的绝对值，对其进行二值化处理，再通过腐蚀算法进一步去除环境干扰。该部分如下。流开始i=Y_MAX ?i=Y_MAX ?Nj=X_MAX ?j=X_MAX ?image1ijT ?i=0,j=0i=0,j=0i=（Y_MAX-3）?i=（Y_MAX-3）?j=X_MAX-3temp=25 ?结束说明：其中 X_MAX，Y_MAX

15、 分别表每帧 的宽度和高度上的像素的个数。image4ij=1j+YNYj=0;i+YYj=X_MAX-3image4ij=0j+NNj=0;i+i2j 2计算 temp image3mn mi2 n j 2YNNimage1i j | image1i j backGi j |image1ij=1j+YYj=0;i+image1ij=0j+NYNj=0;i+NN对图像进行中值滤波得image1;i=0,j=04.4电机控制模块为控制的两个电机带动小车运行，本系统选用 C2000 内置的发生器和外部的 L298 电机驱动来控制和驱动小车运行。在TMS320F2812DSP 片内总共有两个事件管理

16、器模块，每个事件管理器模块能同时产生 8 路信号输出。由 3 个带可编程死区控制的比较单元产生独立 3 对，以及由通用定时器比较产生的 2 路独立的输出。在使用比较单元产生可实现改变信号输出时，通过设置和装载 T1PR、T3PR 寄存器，信号周期的功能，更新 CMPRx 寄存器可实现改变信号占空比的功能。在使用通用定时器比较产生信号时，通过配置TxPR 寄存器可改变的信号的周期，更新 TxCMPR 寄存器的值可更改信号的占空比。在该系统中使用事件管理器B 的比较单元 4 和 5 产生信号，以控制 L298 连个使能端 ENA 和 ENB，通过更改 CMPR4 和 CMPR5 寄存器的值来调节信

17、号的占空比，已达到控制小车行走速度的目的。通过控制 GPIOB1 和 GPIOB2 的电平状态来控制左电机的正反转，通过控制GPIOB4 和 GPIOB5 的电平状态控制右电机的正反转。在该系统中使用时间管理器 A 的比较单元 2 和 3 产生波控制两个舵机的转动角度。因舵机转动角度与给其的周期控制信号的单周期的的的时间呈线性关系，所以通过配置 CMPR2 和 CMPR3 控制给舵机控制信号持续的时间，以控制舵机转动角度。4.5B 部分主程序B 部分为掌上控制终端，B 部分的主程序是整个系统的总调度程序，其控制着整个系统有序进行。其负责确定整个系统是处于手动遥控模式还是自动模式，一模式中发送小车运动指令。系统开始后，主程序等待用户通过触摸屏输入指令，确定系统运行模式，之后主程序主要负责将接收A 部分发送的小车信息显示在LCD 屏上，和接收处理用户输入的指令，并发送相应指令给 A 部分。5.系统创新本系统硬件上的关键设计即通过 CPLD 处理头输出的图像信息，这样不仅实现了电平转换还还减轻 DSP 获取图像的负担通过。本系统通过NRF24L01 无线收发模块将 A、B 两部分联系起来，实现了 B 对 A 实时控制。本系统上通过结合中值滤波