基于单片机图像采集装置的设计

基于单片机图像采集装置的设计PAGE20-摘要在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件识别应用。通常人眼无法连续、稳定地完成这些带有重复性和智能型的工作，其他传感器也难有用武之地。由此开始用摄像头来采集图像，经计算机进行处理后，得到想要的信息，从而产生了视觉传感器。本设计以Freescale公司的16位单片机MC9S12DG128为核心，采用以OV6620作为图像传感器的数字摄像头，通过RS232接口将采集到的图像数据上传至上位机，在上位机上进行图像的处理、存储及识别。本设计完成了单片机核心模块的设计、数字传感器电路的设计、RS232串行通信接口电路的设计；在Codewarior开发环境下，利用C语言编程实现了数字图像的采集、图像信息的上传等功能。最终实现了对图像的数字化采集并完成了采集装置与上位PC机的通信功能。关键词：图像采集；单片机；数字摄像头基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第1页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第1页。ABSTRACTInthemodernindustrialautomation,sensorsinvolveavarietyoftesting,productionmonitoringandpartsidentificationapplications.Typically,thehuman’seyescannotbecontinuous,stableandcompletethesewithintelligentrepetitivework.Andothersensorsarealsodifficulttohaveitsuses.Thuspeoplebegantousecamerastocaptureimagesprocessedbycomputertoobtainthedesiredinformation,resultinginavisualsensor.Thedesigniscompletedthedesignofthemicrocontrollercoremodule,digitalsensorcircuit,RS232serialcommunicationinterfacecircuit;InCodewariordevelopmentenvironment,thesystemusestheClanguageprogrammingofthedigitalimageacquisition,theinformationofimageuploadedandsoon.Finally,thedesignrealizedthedigitalimageacquisitionandcompletedcommunicationbetweentheacquisitiondeviceandthehostPC.Keywords：imageacquisition;microcontroller;Digitalcamera基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第2页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第2页。目录摘要 IABSTRACT II1前言 11.1研究背景 11.2研究目的与意义 11.3研究现状 11.4主要研究内容 22图像采集装置的系统总体设计 32.1系统总体设计 32.2系统的软硬件设计 33图像采集系统硬件设计 43.1数字摄像头概论 43.2图像采集系统核心部件 83.2.1MC9S12DG128简介 83.2.2硬件电路系统组成 114软件设计 154.1数字摄像头波形输出 154.2程序设计 174.3数字图像处理 244.4数字图像处理方法 25结论 28参考文献 29致谢 30附录 31基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第3页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第3页。1前言1.1研究背景目前，主要有两种对图像信息采集和处理的方式，即：（1）利用CCD摄像头和图像采集卡，通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，经PCI或者其他总线方式由上位机对图像进行处理。此方法虽利用丰富的PC机硬件资源、软件开发简单的特点，但整个系统硬件连接复杂，不利于小型化，且稳定性不高，需专业人员定期进行维护。（2）采用CCD或者CMOS摄像头采集图像，再利用DSP+FPGA进行图像处理，此方法利用具有高速数字处理处理能力的DSP和支持外设能力的FPGA，实现了数字图像的采集与处理。这种方法确实可满足高速视频采集和处理的要求，但是其软硬件往往是针对专用型号的处理器和项目来开发的，应用软件不易移植，研发时间长，且软硬件成本都较高，不适应于对图像速度与功能要求相对较低的项目。针对这两种形式，可采用单片机嵌入式系统来建立图像采集装置，实现图像的采集、显示、处理等功能。 1.2研究目的与意义单片微型计算机的开发、不断完善和发展，是人们开始将计算机的高速、高精度、高可靠性、可重复性与纳米技术结合起来逐渐形成的。单片机技术的诞生与应用，在极大程度上解放了劳动生产力，提高了工业生产自动化水平，改善了人们的生活现状，具有极为广阔的应用前景。随着单片机技术的不断发展，图像采集装置得到了广泛应用。当图像采集装置运行时，常常会受到许多外界环境因素的影响，于是需要可靠、稳定、抗干扰能力强的计算机实时控制系统软、硬件的支持。装置在处理过程中参数变化地十分迅速，操作也十分频繁，则要求整个装置应当做到安全、稳定和经济地运行。特别是大规模集成电路、计算机和通信技术的相互渗透对进一步促进视频技术不断改进和拓展是十分必要的。机器视觉、多媒体通信、高清晰电视以及图像处理、模式识别和计算机视觉等众多应用领域对视频图像采集装置的性能均提出了越来越高的要求。装置采用单片机技术其目的是：运用基于单片机为核心的开发板，建立图像采集装置，对图像进行采集、显示并存储，进而完成图像的统计、识别等功能。同时对装置的安全可靠性、运行损耗等进行检测。1.3研究现状基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第4页。现今，基于单片机技术的图像采集系统具有一系列优点：图像采集系统体积小，集成度高，经济实惠，稳定性好，抗干扰能力强等。在单片机与PC机相结合的时代，单片机越来越多的渗入到我们的日常生活。单片机涵盖于智能家电、消费电子、通讯设备、军事等各个领域，发挥着不可取代的作用。随着单片机的广泛应用，基于单片机的图像采集装置也广泛应用在工业产品检测、教学识别系统、日常生活图像采集等领，其市场具有可塑性与推广性，并且一直保持持续发展趋势。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第4页。1.4主要研究内容本文的研究方向主要是运用CMOS视觉传感器采集图像，在其内部经过A/D转换把图像信息转换为相应的电压信号，对所采集到的图像信号进行处理，分离复合信号，从中提取出所需的信息，再将信息传输给单片机，通过单片机与PC机之间的控制，对输出图像进行采集、存储以及传输，从而实现装置在不同条件下进行不同的图像处理，如受外部光线明暗程度、摄像头视野范围、硬件干扰等因素的影响时，采集到的图像总带有一些失真或者噪声需要对初始数据进行滤波处理等等。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第5页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第5页。2图像采集装置的系统总体设计2.1系统总体设计整个图像采集装置由数字摄像头、图像采集系统、图像处理系统三个模块组成，其结构如图2.1所示。数字摄像头（OV6620传感器）图像采集系统（单片机）数字摄像头（OV6620传感器）图像采集系统（单片机）PC机数据总线等串行通信数字摄像头负责将图像转化为数字图像信息，通过并行总线将数字信号送往单片机，单片机通过RS232串行通信接口将所采集到的图像信息送到上位PC机上，在PC机上完成对图像的处理。2.2系统的软硬件设计系统硬件设计主要包括单片机最小系统的设计、供电电路的设计、数字摄像头接口电路的设计、RS232串行通信接口电路的设计。软件设计中涉及到下位单片机的RS232串行通信子程序和图像采集子程序、上位PC机的图像处理程序。后面章节将详细讲述相关部分的设计。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第6页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第6页。3图像采集系统硬件设计3.1数字摄像头概论图像数据能够进入计算机的只有数字形式，然而自然界中的图像是其他形式的信息，如何转化图像信息开始被人们所思考。随着科技的发展，技术的提高，一种名为摄像头的图像摄取装置发展起来。摄像头的工作原理：首先景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面，然后转为电信号，经过处理转换后变成的数字图像信号在处理芯片中进一步加工处理，再通过外围接口传输到电脑中处理，最终通过显示器可以观察到图像。摄像头可以分为两类，若图像数据是在摄像头和采集卡两部分完成数字化的，此摄像头就是模拟摄像头；然而若是在摄像头内部完成数字化的则是数字摄像头。数字摄像头不仅可以减少图像的噪音，而且与模拟摄像头相比，它更显著的提高了摄像头的信噪比、增加了摄像头的动态范围以及最大化图像灰度范围。目前，摄像头的研究围绕数字摄像头展开。数字摄像头的芯片主要分为CCD和CMOS两种。CCD（ChargeCoupledDevice），又称为电荷耦合器件，以百万像素为单位。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。此类摄像头与胶卷的原理相似，即光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但又有不同，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力，因此所有图形数据都会不停留地送入一个A/D转换器，一个信号处理器以及一个存储设备如内存芯片或内存卡等。CCD有各式各样的尺寸和形状，其中，最大的有2×2平方英寸。CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)，又叫做互补金属氧化物半导体。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一，在今后的发展应用中有着举足轻重的地位。数字摄像头中的图像传感器是其主要元器件，依据CCD与CMOS芯片构成的两种在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的传感器，即：基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第7页。（1）在内部结构（传感器本身的结构）上，CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本；CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，可以通过简单的X－Y寻址技术读取信号。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第7页。（2）在外部结构（传感器在产品上的应用结构）上，CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，运行速度较慢，而CMOS光电传感器在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，运行速度比CCD电荷耦合器快很多。除此之外，CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数字相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。从上述两种数字摄像头的对比中可以得出，COMS数字摄像头满足设计的三条原则，安全可靠、集成度高、高性能、低噪音、成本低廉、经济实惠等。综上，本设计采用CMOS数字摄像头。本设计中采用的数字摄像头主要由OV6620图像传感器构成，具体如图3.1所示。图3.1数字摄像头OV6620基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第8页。OV6620摄像头模块采用OV6620彩色数字CMOS图像传感器，其图像是PAL制，一帧图像为352×288像素，数据格式为YCrCb4:2:2GRB42:2和rawGRB。OV6620的优点：供电电压低，简化电路；内部集成A/D和视频分离模块，简化电路，并且使得采集程序简单，采集质量高；视频信号转换在内部进行，减轻单片机负担。内部的I2C可编程用来调整摄像头的参数(如最大灰度、对比度、曝光率控制等)，其本质是SCCB协议的寄存器写入。本设计采用默认模式，OV6620摄像头模块和MC9S12DGS12单片机的引脚连接图如图3.2所示。其中，Y0-Y7为灰度信号输出引脚，由于本系统只需识别道路中黑线。故只需提取数据格式为YCrCb4:2:2中的亮度信号Y。灰度信号Y0-Y7则可送MC9S12DG128单片机的B口。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第8页。图3.2OV6620图像传感器图像采集引脚连接1.OV6620特征OV6620图像传感器具有诸多特征，下面逐一说明：·101376像素（352x288）,1/4棱镜，CIF/QCIF格式·逐行扫描读出·数据格式：YCrCb4:2:2,GRB4:2:2,RGBRawData(RGB原始数据)·8/16bit视频数据：CCIR601、CCIR656、ZV端口·宽动态范围，抗模糊，零拖尾效应·电子曝光、增益、白平衡控制·图像增强：亮度、对比度、伽玛、饱和度、锐度、窗口等·内部/外部同步·帧曝光/行曝光选项·5V工作电压，低电源消耗·<80mW工作功率·<10uA节电模式·伽玛校正(0.45/0.55/1.00)·SCCB可编程（400kb/s）·色彩饱和度、亮度、对比度、白平衡、曝光时间、增益2.OV6620功能基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第9页。OV6620传感器包括一个356×292分辨率的图像阵列，一个模拟信号处理器，双8位模/数转换器，模拟视频复用器，数字数据格式器和视频端口，SCCB接口和寄存器，数字控制包括时钟模块、曝光和黑白平衡。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第9页。OV6620传感器是1/4-inchCMOS成像设备。该传感器含有约101376像素。其设计是基于逐行转换的场积累读出机制和同步像素读出机制的电子快门。传感器的色彩过滤器包括一个按行交替方式的原色RG/GB阵列。3.摄像头与单片机的连接时钟信号时钟信号片选信号CMOS摄像头OV6620I2C总线控制同步信号8位数据总线图3.3摄像头与单片机连接框图OV6620与单片机MC9S12DG128芯片连接如图3.3所示，8为数据总线Y[7：0]连接到MC9S12DG128芯片的PB[7：0]，PCLK作为摄像头的时钟脉冲连接到MC9S12DG128芯片的ECLK，VSYNC作为场有效信号，连接到MC9S12DG128的PT2，HSYNC作为行有效信号，连接到MC9S12DG128的PT1，PT1、PT2是ECT(增强型捕捉定时器)模块中的引脚。利用增强型捕捉定时器模块的输入捕捉功能，每个通道可以拥有单独的中断向量，各通道分别设置成不同的触发极性，以满足HREF(行中断信号)，要通过下降沿捕捉及VSYN(场中断信号)，要通过上升沿捕捉的要求。摄像头的使能信号可以由MC9S12DG128单片机内部控制器来管理。MC9S12DG128单片机通过I2C总线来完成对摄像头内部控制器的管理。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第10页。通过VTO模拟图像输出引脚可以外接监视器来查看采集图像的质量。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第10页。3.2图像采集系统核心部件3.2.1MC9S12DG128简介图像采集系统以MC9S12DG128作为核心部件，其结构如图3.4所示。图3.4MC9S12DG128引脚结构图MC9S12系列微控制器（MCU）是以高速CPU12内核为基础的微控制器系列，简称S12系列。典型的HCS12总线频率为8MHz，而典型的S12总线频率为25MHz。HC12与S12指令完全兼容，故在很多场合统称为HCS12系列微控制器。HCS12是世界上第一款包含完整的模糊逻辑指令的标准MCU，应用模糊控制指令可以简化控制系统，减少代码，加快程序运行速度。1.MC9S12DG128单片机结构DG128单片机采用增强型16位HCS12CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；片内资源包括8KRAM、128KFlash、2KEEPROM；SCI、SPI、PWM串行接口模块；脉宽调制模块（PWM）可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。它包括两个8路10位精度A/D转换器，控制器局域网模块（CAN），增强型捕捉定时器并支持背景调试模式。其具体结构如图4.2所示。DG128有112-pin和80-pin两种封装形式，80-pin封装的单片机没有引出用于扩展的端口，只引出了一个8路A/D接口。本设计采用112-pin封装的单片机。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第11页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第11页。S12CPU128KBFLASH2个8路10位ADC增强型8路16位定时器8位8路/16位4路PWM2个SCI口3个SPI口I2CJ1850通信口最多5个增强型CAN总线接口5N变2.5V电压调整器12KBRAM4KBEEPROM16位键盘唤醒IRQI/O口图3.5MC9S12DG128单片机结构2.存储空间的分配微控制存储器是一种半导体电路，用来存放程序和数据。存储器可以是单独的片外芯片，也可以集成在微控制器内部，是微控制器系统的重要组成部分。在64KB标准地址空间中，MC9S12DG128安排了内部寄存器、RAM、EEPROM和FLASH/ROM等资源，占据空间分别为1KB、8KB、2KB和128KB，每个存储单元对应一个地址，共64K个地址，用4位十六进制数表示，即地址为$0000~$FFFF。存储器中每个存储单元可存放一个8位二进制信息，通常用2位十六进制数来表示存储器存储单元内的内容。微控制器内部不同存储器占用不同的存储空间，亦是说，不同的地址范围，它们均占据特定的地址空间。图像传感器的数字信号通过单片机来分配存储空间的地址进行存储。单片机存储空间分配如图3.6所示。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第12页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第12页。图3.6存储空间的配置3.串行接口接口的功能是沟通计算机与外围设备。通过接口电路的协调工作来实现信息和命令的传送。具体说来，在此系统中，MC9S12DG128单片机与PC机之间的连接采用SCI串行接口。SCI是一种采用标准的不归零数据NRZ格式的异步串行通信接口。它内置独立的波特率产生电路和SCI收发器，可选择8或9个数据位9(其中9位数据格式的第9位可由SCI控制寄存器的M位指定的奇或偶校验位)发送和接口的奇偶校验位可以选择是否由硬件生成。S12MCU中的SCI的功能特点为：双线串行接口；标准NRZ格式；硬件自动生成奇偶标志；全双工操作；独立的波特率产生逻辑；独立的发送器和接收器允许控制位；通信过程可采用中断逐动机制；具有回送方式，方便了调试；可以监视发送器的输出，实现通信过程的自诊断。S12的SCI串行通信在普通和特殊运行模式下的功能是一样的。由于SCI自身特性，SCIBDH和SCIBDL构成的16位波特率控制寄存器需设置。4.外围设备对于单片机而言，其外围设备有许多，如串行接口、外部总线、输入输出通道等等，其主要作用在于能够进行扩展与外部设备进行传输。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第13页。I2C总线是芯片间的串行传输总线，采用两线制，由串行时钟线SCL和串行数据线SDA构成。I2C总线为同步传输总线，数据线上的信号与时钟同步，只需要两根线就能够实现总线上各器件的全双工同步传输数据传送，可以极为方便地构成多级系统和外围器件扩展系统。I2C总线采用器件地址的硬件设置方法，使硬件系统的扩展简单灵活。按照I2C总线规范，总线传输中的所有状态都生成相应的状态码，系统中的主机依照这些状态码自动的进行总线管理，用户只要在程序中装入这些标准处理模块，根据数据要求完成I2C总线的初始化，启动I2C总线就能够自动完成规定的数据传送操作。由于I2C总线已经集成于单片机的片内，用户无需设置接口，使设计时间大为缩短。I2C总线为开漏或集电极开路输出，需要外加上拉电阻。系统中所有的单片机、外围器件都将数据线SDA和时钟线SCL的同名引脚相连在一起，总线上的所有节点都由器件引脚给定地址。系统中可以直接连接具有I2C总线接口的单片机，也可以通过I/O口的软件模拟与I2C总线芯片相连。在I2C总线上可以挂接各种类型的外围器件，如RAM、E2PROM、日历/时钟、A/D、D/A以及由I/O口、显示驱动器构成的各种模块。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第13页。输入输出通道的主要作用就是将数字传感器处理得到的数字信号，通过建立在单片机与检测装置之间的信息传递与变换通道即输入输出通道，与计算机进行联系，实现信息的采集与控制。3.2.2硬件电路系统组成在本设计中，MCU最小系统由供电电路、时钟电路、看门狗电路(复位电路)、串行接口电路等组成在单片模式下运行。1.供电电路该系统由7.2V电池来供电，但是该单片机所需要的是+5V电源。单片机I/O模块的供电是+5V电压，同时S12单片机片内使用2.5V电压，片外I/O也使用5V电压，较低的片内电压可以使得CPU快速运行、低功耗；较高的I/O模块电压将有利于抵抗外界干扰，因此使用+5V电压供电能够使系统在复杂的环境之中正常工作。该单片机内部集成了电压调整器模块，此模块可以产生单片机内部所需要的其他电压。此外，供电电路加上了一些储能电容和去耦电容来稳定供应＋5V电压。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第14页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第14页。电源管理电源管理MC9S12DG128单片机CMOS摄像头通讯及调试部分5VI/O5VSCI图3.7电源总体配置单片机采用了REG1117-5.0串联式直流电源调整芯片供电，该芯片的最小输入电压为6.5V，最大供电能力为800mA，电压输出范围5.0±0.05V，电压噪声小于20mV。压降为7.2-5=2.2V,可推出电源效率达到5/7.2=70%。为减小单片机所在电路的冲击电流，采用+5V电源供电且在REG1117后接上了一个100uF的电容及一些小的高频旁路电容，如图3.8所示。图3.8供电电路2.时钟电路基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第15页。时钟电路是由石英晶体振荡器和一些电容、电阻组成的，虽然简单的单片机可以使用集成到单片机内部的RC振荡电路产生单片机工作所需要的时钟，但是这种简单的时钟电路频率的稳定性得不到保证，而且外部晶振只能提供稳定的频率为16M的振荡，为使该单片机内部的压控振荡器和锁相环（PLL）得到一个高稳定的时钟源。PLL电路每锁定一个工作频率就需要一个特殊外部滤波电路，以消除鉴相器产生的噪声电压，从而使压控振荡器输出稳定的振荡频率。PLL的滤波电路应设计得具有良好的抗干扰性能，它的元器件取值应经过FREESCALE提供的计算软件来设计，在设计布局的时候用相对独立的地线将其包围，离高频线路远一点。把由外部得来的振荡提高为24M的总线时钟和48M的CPU工作时钟，供给单片机使用稳定，可调的时钟信号。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第15页。图3.9时钟电路3.看门狗电路看门狗电路电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原理是：看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平)，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。本次设计采用的是MAX706SESA芯片作为看门狗电路芯片，该芯片的电路图如3.10所示。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第16页。图3.10看门狗电路基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第16页。4.串口通信电路在本设计中，为获得图像信息，对图像数据实现存储和显示，就要要求单片机能够和PC机通信，其中较为方便有效的方式是串行通信。除此之外，系统的调试也要用到串口。因此，串口通信电路不可或缺。PC机与单片机的通信是通过RS-232串口通信来实现的，如图3.11所示。图3.11串口通信电路基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第17页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第17页。4软件设计本文中的软件设计主要设计下位单片机的图像采集、图像传输，上位机的图像处理。图像采集要涉及到数字摄像头的数据格式、数据的传输方式。图像的传输主要是串行通信程序的设计。上位机的图像处理则涉及到了图像处理的相关知识。以下分别进行讲述。4.1数字摄像头波形输出在本设计中，采用8位灰度图像数据，OV6620提供的信号包括：VSYNC、CHSYNC、PCLK、8bit数据总线：Y[7:0]。当PCLK处于上升沿时，数据输出到变焦视频ZV端口。其输出如图4.1所示。图4.1OV6620输出波形在图像采集系统中，数据的传送时期重要环节之一。为保证所采集数据能够可靠的传送且工作效率高，提出以下传输方式：查询传送方式基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第18页。查询传送往往要求异步工作方式，因此很难保证在执行输入输出时系统与外设之间的状态问题。通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询一下外设的状态，当外设准备就绪才可传送；若未准备好，则等待，此过程需不断循环进行。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第18页。第二，直接数据通道传送方式直接数据通道传送方式是用硬件在外设与内存之间直接进行数据交换的传送方式，数据传送速度的上限取决于存储器的工作速度，但须DMA控制器进行控制。第三，中断传送方式中断传送方式与查询方式相比不需要不断访问外设，较之DMA方式，结构简单，可大大提高效率，允许处理器与外设同时工作，实现实时处理。此外，当装置遇到掉电等故障时，中断系统可对其进行故障处理。本设计依据其系统设计的三大原则采用中断方式进行数据采集，下面进一步对中断进行论述。中断是提高微控制器工作效率的一种重要手段，可使MCU的程序设计更加高效与灵活，可以提高嵌入式系统的实时处理能力，扩大其应用范围，尤其是在低功耗应用系统中，中断更是一个必要的技术手段。可以说MCU的中断系统的功能如何在某种程度上决定了MCU的用途，中断功能强大与否也是评判MCU性能的一个重要指标。中断是在一个处理器上运行多个系统的有效方法，多个中断相结合形成系统。中断系统一般具有以下特点：（1）能实现中断响应、中断服务和中断返回。当一中断源发出中断请求时，MCU决定是否响应这一请求。如果允许响应这个中断请求，MCU能够有硬件自动保护断点，转而执行相应的中断服务程序。中断处理完后能通过指令自动恢复断点，返回原中断继续执行被终止的程序。（2）能实现中断优先级配置。当两个或更多个中断源同时发出中断申请时，优先级较高的中断申请首先得到处理。（3）能实现中断嵌套。中断处理过程中，有优先级较高的中断请求时，MCU能暂停正在执行的中断处理程序，转去响应与处理优先级较高的中断申请，结束后再返回原先优先级较低的中断处理过程。（4）能通过软件实现模拟中断的功能，便于中断的调试。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第19页。在单片机中，S12MCU的中断处理过程是硬件和软件编程相结合的处理过程，有些是通过硬件完成的，有些是通过编写程序实现的。总的来说，中断处理的基本流程可分为以下4步，如图4.2所示。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第19页。中断请求中断请求中断响应中断程序处理中断返回图4.2中断处理过程1、中断请求当S12MCU的外部设备或者内部模块发生中断事件，需要S12为其服务时，首先向S12发出中断请求信号。若该中断源未被屏蔽，中断允许触发器备置位时，表示允许发出中断申请。2、中断响应中断源的中断请求是随机的，S12一般会在现行指令结束时去检测中断请求。当检测到有中断请求时，如果中断响应条件满足，则S12在当前指令执行结束时，是中断进入中断响应周期，在中断响应周期内S12通过内部硬件自动完成3件事：关中断，即将CCR寄存器I位置1，以禁止其他中断干扰将要执行的中断服务程序;保护断点和标志寄存器内容，即将返回地址和预保存的寄存器内容推入栈区；跳转到中断服务程序的入口地址。3、中断程序处理执行中断服务程序，完成要处理的功能，通常要求中断处理程序的设计应力求简短。4、中断返回中断服务程序的最后一条指令必须是中断返回指令RT1，S12执行中断返回指令时，自动将保存在现行堆栈中的标志寄存器内容和断点地址弹出，使程序回到中断前的地址继续执行，即S12从中断服务程序返回而继续执行被中止的原来正常运行的程序。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第20页。经由以上四步中断不断循环进行，对系统实现实时、安全、可靠、有效的数据处理，完成系统间的正常运行。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第20页。4.2程序设计根据图像采集装置的整体设计方案，摄像头从图像传感器得到外部的图像数据信息，依据所得到的图像信号进行采集、存储，经PC机数字图像处理后，取得特征值，进行串口通信。因而，软件系统可分为图像采集模块、图像处理模块、串行接口模块和串行通信模块部分。程序采用模块化编程方法，将每一步编程一个子函数，通过函数调用的方式来逐步实现图像采集、处理、传输等等。运用此方法不仅便于编程，同样使调试、查错和算法改进大大便捷。在C语言程序调用时，将所需传递的参数设定为统一的全局变量，在程序任一部分都可被调用。这种方式充分考虑了单片机的寻址方式，减少了堆栈操作。同时，可以从存储空间的固定位置看到想要观察的数据。这种思想在嵌入式系统的开发过程中能大大简化差错步骤，及时了解程序运行状况。程序总流程如图4.3所示。开始开始图像采集模块串行接口模块图像处理模块结束串行通信模块中断入口开放场中断开放行中断关闭场中断一帧数据是否完整？发送数据关闭行中断关闭场中断NY图4.3装置总体流程图基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第21页。图像数据需要经单片机采集处理后发送到PC机处理显示，而在此过程中，数据需经过串行通信接口才可完成单片机与PC即之间的数据传输通信。因此软件设计主要包括上述的四个模块。单片机完成数字信号数据的采集和传送，即完成数据采集模块、串行接口模块和串行通信模块,PC机负责图像滤波和图像可视化显示，即负责数据处理模块。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第21页。图像传感器将数字信号传输到单片机中。定义一个二维数组存储转换后的图像数据,二维数组每行的各点代表图像每行上点的灰度值。图像采集过程如图4.4所示。NN开始读取场同步场开始？行开始？读完一行？读取行同步读完一场？读取数据NNNNNN开始读取场同步场开始？行开始？读完一行？读取行同步读完一场？读取数据NNNNYYYNNNNNNNN基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第22页。图像的采集过程运用中断方式来读取数据，其中需要场中断服务子程序和行中断服务子程序顺序进行来完成数据采集。下面来详细介绍两个中断子程序：基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第22页。1．场中断服务子程序场中断服务流程如图4.5所示。场中断程序开始场中断程序开始数据初始化，关闭行中断分析保存上一帧数据图像中值滤波图像数据是否有效？图像特征提取关闭场中断，开启行中断结束子程序NY图4.5场同步信号中断服务子程序流程在程序开始时，将中断标志清零，以防止再次重复相应的这一个中断。当新的一场到来时，ECT已经将脉冲到来时刻时的计数器值送入了TC6寄存器里。初始化时，在标识位快速清零有效的情况下，只需要读出TC6的值。然后，由于所需要的数据不是在这一帧的开始，因此在此期间关闭行中断来对主场同步开始后获取的数据进行算法处理。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第23页。经过一定时间后，电视信号已经扫描到了采集位置，此时打开行脉冲信号的所在通道的中断使能，准备采集行脉冲到来时的时间值。与此同时，在程序里而设定了一个行计数器，用于记录当前所得到的行信息是在哪一帧里以及是开始采集以来的第几行。在场同步信号的脉冲造成的中断服务程序中，需要对此记数器做清零处理。为了保险起见，场中断使能在采集到了足够的数据以后才重新打开。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第23页。B．行中断子服务程序行中断服务程序流程如图4.6所示：行中断程序开始行中断程序开始取行同步脉冲时钟信号行计数器加一所采集的数据个数是否以满足行数？关闭行中断子程序开启场中断子程序结束NY图4.6行同步信号中断服务子程序流程此时，ECT将脉冲到来时刻的系统主定时计数器值送到了TC4寄存器当中。当保存这个值，系统自动清除了行中断标记。为了回避初期的信号毛刺，仍然需要暂时的关闭采集的中断，在很短的一段时间过后再次打开。另外，在采集行信号计数器中做加一的处理，区别同一帧中不同行的信息。由于本设计并不需要采集图像信号的全部，在场中断服务程序中回避了一帧中前面的若干行以后，当行中断服务程序中判断当前行计数器值已经超过了采集范围，通过关闭行中断使能来回避后而的若干行。最后，程序打开脉冲信号所在通道的使能，逐个采集脉冲。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第24页。在处理算法主场同步开始后获取的数据，经关闭行中断后，由PC机调用图像处理算法，采用滤波、FFT、CFAR方法完成对上一帧图像的处理和修改等等，处理子程序结束后等待对所处理的数据进行传输，具体流程如图4.7所示。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第24页。开始开始初始化设置处理模块和写入模块设置参数等待中断进行过滤、FFT处理完成CFAR处理求模是否进行CFAR处理？取特征值修改处理参数NY图4.7数字图像处理流程基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第25页。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第25页。NN开始串口初始化行中断是否关闭？打开串口数据处理发送读取数据命令等待接收数据关闭串口结束Y图4.8串口通信基本流程在数据传输至串行接口模块时,首先需要串口初始化，约定下位单片机与上位PC机双方的传输协议,保证数据传输的准确性和安全性。然后打开串行接口，PC机发送读取数据的命令，当确定行中断关闭后，等待接收数据，再在PC机上进行数据处理，最后关闭串口，结束串口通信，其流程如图4.8所示。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第26页。串口初始化程序主要分为波特率和传输格式两个部分,可分别设置SCI0BD和SCI0CR寄存器,同时PC机的串行接口必须设置相同的协议。经S12单片机SCI发送和接收的数据放在数据寄存器SCIDRH和SCIDRL中,对SCIDRL进行读/写就实现了数据的接收和发送。接收和发送数据取决于SCI0CR2寄存器RE,TE位的设置,当TE位为1时,发送;当RE位为1时,接收。SCI寄存器设置如下:基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第26页。//初始化SCI0VoidSci00Open(void){SCI0BD=0x52;//设置波特率9600b/sSCI0CR1=0x00;//正常8位数据位,无校验SCI0CR2_RE=1;//接收使能SCI0CR2_TE=1;//发送使能SCI0CR2_RIE=1;//接收中断}//读SCIunsignedcharSci0Read(){If(SCI0SR1_RDRF==1){SCI0SR1_RDRF=1;ReturnSCI0DRL;}}//SCIvoidSci0Write(unsignedcharchSend){SCI0SR1_TDRE=1;SCI0DRL=chSend;Delay(5);}interruptvoidSCI0_ISR(void){Unsignedcharch;ch=Sci0Read();PORTB=~ch;}4.3数字图像处理基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第27页。数字图像处理(Digitalimageprocessing)又被称为计算机图像处理。它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程，以提高图像的实用性，从而达到人们所要求的预期结果，换句话说，就是通过电子计算机处理二维图像的过程，一幅数字图像是一个具有有限个位数的实数阵列，首先将图像数字化后保存在计算机内存中，然后就可以进行处理或者显示在高分辨率的显示器上。早期的数字图像处理系统价格昂贵，并且运算速度很慢，随着近期计算机的快速发展以及即插即用的图像处理卡的出现，使用普通的计算机就可以完成相当复杂的图像处理工作。基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第27页。数值图像处理从处理目的来讲可分两大类：一是以人为对象，改善人的视觉效果；二是以机器为对象，突出图像中目标物的某些特性。数字图像处理具有以下优点：1.再现性好。数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。2.处理精度高。按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。对计算机而言，不论数组大小，也不论每个像素的位数多少，其处理程序几乎是一样的。换言之，从原理上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组参数便可以。回想一下图像的模拟处理，为了要把处理精度提高一个数量级，就要大幅度地改进处理装置，这在经济上极不合算。3.适用面宽。图像来自多种信息源，可以源于可见光图像，也可以是不可见的波谱图像（例如X射线图像、射线图像、超声波图像或红外图像等）。从图像反映的客观实体尺度看，可以是小到电子的显微镜图像，大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像等的一系列图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像（彩色图像也是由灰度图像组合成的，例如RGB图像由红、绿、蓝三个灰度图像组合而成）组合而成，因而均可用计算机来处理。即只要针对不同的图像信息源，采取相应的图像信息采集措施，图像的数字处理方法适用于任何一种图像。4.灵活性高。图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，这极大地限制了光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。4.4数字图像处理方法基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第28页。数字图像处理方法有很多，比如说灰度化、二值化、假彩色化、颜色调整、负像、对比度/亮度调整、直方图均衡化、平滑、锐化、低通/高通滤波、中值滤波和边缘检测等，下面讨论几种简单的图像处理方法：基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第28页。1.灰度化颜色可分为黑白和彩色。黑白颜色是指颜色中不包含任何的彩色成分，仅由黑色和白色组成。在RGB颜色模型中，如果R、G、B三者值相等，则颜色(R，G，B)表示一种黑白颜色，其中R与G相等的值叫灰度值，所以黑白颜色又叫做灰度颜色。彩色和灰度之间可以转化，由彩色转化为灰度的过程叫做灰度化处理。灰度化是使彩色的R、G、B分量值相等的过程。由于R、G、B取值范围是0-255，所以灰度的级别只有256级，即灰度图像仅能表现256种颜色(灰度)。图像灰度化操作函数为ToGray。2.二值化二值图像(BinaryImage)是指整幅图像仅有黑白二值的图像。图像的二值化就是图像显示的时候只能看到两种颜色（经常是黑白两色）。图像的二值化，一般都是在实现了图像的灰度操作之后进行的。二值化的具体方法有很多，比较常用的是阈值判定法。3.负像所谓负像，就像相片的底片一样，是这样完成的:首先，得到图像中某一像素的灰度值，然后用255减去灰度值，再赋值给该像素点，最后依次历遍图像中的所有点。4.中值滤波采用中值滤波优点是在衰减图像中随机噪声的同时，尽可能不使边界模糊。实现方法是采用3×3的模板(Mask)，将模板内的各点取出灰度值，并按大小排列，然后取中间的灰度值赋值给模板中间点，依次历遍图像中的所有点。以图像二值化为例，对数字图像进行处理，程序如下：voidDIB::Whiteblack(HANDLEHdib,unsignedn){LPBITMAPINFONEADERlpbi;LPBYTElpS;intwidth,height;longlOffset;WORDwBytesPerLine;if(!hDIB)return;wBytesPerLine=this->BytesPerLine(hDIB);lpbi=(LPBITMAPINFONEADER)GlobalLock(hDIB);width=lpbi->Width;height=lpbi->biHeight;基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第29页。lpS=(LPBYE)lpbi;基于单片机图像采集装置的设计全文共35页，当前为第29页。lpS=lpS+sizeof(BITMAPINFOHEADER);for(int