摘 要:在FPGA圖像采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種遙控式且?guī)Т鎯?chǔ)功能的圖像采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用MT9T001作為圖像傳感器，以FPGA芯片EP2C8Q208和AVR單片機(jī)ATmega8L的組合為主，以高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125和USB接口芯片VNC1L-1A為輔助，完成了圖像的采集、實(shí)時(shí)顯示、圖像以灰度位圖格式的存儲(chǔ)及對(duì)已存圖片的重新顯示、存儲(chǔ)控制、遙控器解碼及用遙控器調(diào)節(jié)圖像參數(shù)等功能。此設(shè)計(jì)應(yīng)用到工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域，操作簡(jiǎn)單且方便靈活，對(duì)130萬像素的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的速度可以達(dá)25 f/s，寫入存儲(chǔ)設(shè)備和從存儲(chǔ)設(shè)備中讀出并顯示的時(shí)間分別可達(dá)6 s和5 s。對(duì)圖像存儲(chǔ)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)遙控功能進(jìn)行了描述。

關(guān)鍵詞:圖像采集; FPGA; ATmega8L; VNC1L-1A; 位圖; 遙控器解碼

中圖分類號(hào):TP752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)11-0144-03

Design and Achievement of Image Acquisition System with

Remote Control and Memory Functions

LIU Wei， LI Li， CHEN Hai-yan， WANG Fa-xiu， WANG Ying

(Beijing Vocationgal College of Electronic Science， Beijing 100015， China)

Abstract: Based on the image acquisition system achieved with FPGA， a kind of image acquisition system with remote control and memory functions was designed. The functions of image acquisition， real-time displaying， image storage in BMP form， image redisplay， memory control， decoding of remote controller， and adjustment of image parameters with remote controller are accomplished by taking MT9T001 as the image sensor， FPGA chip EP2C8Q208 and AVR chip Atmega8L composite as a main controller， and high speed D/A chip ADV7125 and USB interface chip VNC1L-1A as an assistant. This design can be used in industry， because it is easy and convenient to operate. The real-time displaying speed of images with 1.3 million pixels can reach 25 F/s. The save and readout speed from the storage device reaches 6 s and 5 s respectively. The design and achievement of image nstorage function are introduced in detail， and the remote control is described.

Keywords: image acquisition; FPGA; Atmega8L; VNC1L-1A; bitmap; decoder of remote controllor

0 引 言

圖像采集技術(shù)隨著科技的不斷進(jìn)步在全球的應(yīng)用已越來越廣泛，如軍用工業(yè)、醫(yī)療、電子等各領(lǐng)域。在國內(nèi)，各行各業(yè)對(duì)采用圖像采集技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求也廣泛出現(xiàn)，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，比如，制藥行業(yè)的藥品檢測(cè)分裝、印刷業(yè)的印刷色彩檢測(cè)、PCB板的表面質(zhì)量檢測(cè)、LCD屏的質(zhì)量檢測(cè)等。所以，以圖像采集功能為核心，開發(fā)一款適合工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用且功能齊全、操作方便的圖像采集系統(tǒng)會(huì)給用戶帶來很大的實(shí)惠。

目前圖像采集方面已有很多且很完善的方案，本文設(shè)計(jì)選擇了利用FPGA進(jìn)行圖像采集的方案\\，設(shè)計(jì)了一套圖像采集系統(tǒng)。與普通應(yīng)用于工業(yè)方面的圖像采集系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)添加了存儲(chǔ)功能，并對(duì)傳統(tǒng)的控制操作的方式進(jìn)行了改進(jìn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如下:圖像通過VGA接口用顯示器顯示，顯示速率可達(dá)25 f/s;系統(tǒng)可以將在顯示器上看到的當(dāng)前圖像以位圖的格式存儲(chǔ)到優(yōu)盤或其他USB設(shè)備中，并可以對(duì)存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行回顯;用遙控器代替了按鍵的控制方式，可以在幾米范圍內(nèi)用遙控器調(diào)節(jié)曝光、增益、十字線、存圖和讀圖等所有功能，操作靈活方便。系統(tǒng)用美光公司的130萬像素MT9T001作為圖像傳感器;Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208來完成圖像采集和顯示功能的控制，在實(shí)時(shí)瀏覽圖像時(shí)，它從MT9T001中采集出Bayer陣列的黑白圖像數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)用插值算法轉(zhuǎn)換成24位RGB數(shù)據(jù)，由于采集圖像的速度為40 MHz，而VGA顯示的速度只有25 MHz，所以FPGA將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)放到SDRAM中緩存一下再送給驅(qū)動(dòng)VGA顯示的ADV7125芯片;ADV7125為ADI公司的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，將數(shù)字真彩色圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以用VGA接口傳輸?shù)哪M視頻信號(hào);用Atmel公司的ATmega8L芯片來完成遙控器的解碼、讀寫USB設(shè)備的控制以及位圖格式的創(chuàng)建等[2];用集成了文件系統(tǒng)的FTDI的VNC1L-1A芯片作為與USB設(shè)備通信的接口芯片，單片機(jī)加一片接口芯片完成USB的Host功能，省去了對(duì)文件系統(tǒng)的處理，節(jié)約了軟件的開發(fā)時(shí)間。將這款帶存儲(chǔ)功能和遙控控制方式的圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域，做成產(chǎn)品，作為工業(yè)眾多工業(yè)相機(jī)中的一種。圖1是其總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

目前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式有很多種，如硬盤、FLASH、光盤等，其中容易攜帶且使用方便的應(yīng)是移動(dòng)硬盤、優(yōu)盤、SD卡，這幾種方式都可以通過USB口來傳輸數(shù)據(jù)(SD卡或CF等可借助相應(yīng)的讀卡器再通過USB口傳輸數(shù)據(jù))，可見USB總線的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，USB總線的即插即用、速度快、可以自供電等優(yōu)點(diǎn)也的確是其他設(shè)備所不能比的[3]。所以系統(tǒng)的存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)成USB 設(shè)備，USB設(shè)備分為USB 主 (Host)設(shè)備和USB從(Device)設(shè)備，USB從設(shè)備只能被動(dòng)地由主設(shè)備寫入或讀出數(shù)據(jù)，不符合本系統(tǒng)的要求。所以選擇了USB Host設(shè)備，只要將優(yōu)盤等USB從設(shè)備插到系統(tǒng)的USB口上，就可以將當(dāng)前要存儲(chǔ)的圖片存儲(chǔ)到U盤等存儲(chǔ)設(shè)備中。

USB Host設(shè)備的典型例子是PC機(jī)，這種Host功能是在操作系統(tǒng)下完成的，所以現(xiàn)在市面上可以移植操作系統(tǒng)的微控制器芯片大多都集成了USB Host功能，像三星和飛利浦的ARM芯片、君正公司開發(fā)的MIPS核芯片JZ4740等。這種采用帶操作系統(tǒng)的方案對(duì)有一定經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員來說開發(fā)起來比較容易，但對(duì)生手來說需要一定的熟悉過程。只為了實(shí)現(xiàn)USB Host功能就選擇用操作系統(tǒng)的方式完成整個(gè)系統(tǒng)的控制是沒有必要的，這樣做不僅浪費(fèi)資源，而且會(huì)增加底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)時(shí)間。所以本設(shè)計(jì)選擇了比較簡(jiǎn)單的方式，只用一片單片機(jī)和一個(gè)USB接口芯片來完成USB Host功能。這樣只要會(huì)用單片機(jī)的開發(fā)人員都可以做USB Host設(shè)備。市場(chǎng)上USB從設(shè)備的接口芯片有飛利浦的PDIUSBD12和ISP1581等，但USB Host接口芯片則比較少。經(jīng)試驗(yàn)，最終確定VNC1L-1A這款芯片作為USB Host控制器。

2.1 USB Host控制器

VNC1L-1A芯片在FTDI公司Vinculum系列中第一個(gè)嵌入了USB主控制器，不僅能處理USB Host接口和數(shù)據(jù)，還內(nèi)置了MCU和FLASH，而且也封裝了USB Device類。它集成了12~48 MHz的時(shí)鐘倍頻器，支持上電復(fù)位功能，嵌入了64 KB FLASH ROM，4 KB SRAM，擁有FTDI提供的標(biāo)準(zhǔn)的USB固件庫，支持USB 2.0的全速(12 Mb/s)和低速(1.5 Mb/s)速率。28個(gè)GPIO可以做通用I/O和命令監(jiān)測(cè)接口，具有2對(duì)USB總線接口，可以用串口或者磁盤方式對(duì)其燒寫程序。當(dāng)芯片作為主設(shè)備要與優(yōu)盤等從設(shè)備通信時(shí)，它可以處理FAT文件系統(tǒng)，支持FAT12，F(xiàn)AT16，F(xiàn)AT32格式，文件命名方式為傳統(tǒng)的8.3格式，即文件名不超過8個(gè)字符，擴(kuò)展名為3個(gè)字符，如文件名可以為text.txt。在執(zhí)行具體的操作時(shí)只需要向VNC1L發(fā)送一個(gè)簡(jiǎn)單的命令就能完成像新建文件夾、新建文件、讀文件、寫文件、打開關(guān)閉文件等功能。比如要在優(yōu)盤中創(chuàng)建一個(gè)hello.txt文件，可以用字符方式向VNC1L逐一寫入“OPW+空格+hello.txt+回車” 的字符，就可以在優(yōu)盤中看見一個(gè)hello.txt的文件，或者用十六進(jìn)制代碼的方式發(fā)送“09 20 file 0D”，其中file為hello.txt各字符的相應(yīng)ASCII碼值。廠家在網(wǎng)站上提供了免費(fèi)的目標(biāo)代碼，用戶可以根據(jù)不同的需求下載不同的目標(biāo)代碼，在本設(shè)計(jì)中，選擇用一個(gè)USB口作USB Host功能的VDAPFUL_V3_65.ROM目標(biāo)代碼，并設(shè)計(jì)成串口方式將目標(biāo)代碼燒錄到芯片中。所以用戶不用關(guān)心VNC1L內(nèi)部程序是怎么執(zhí)行的，只關(guān)心需要它完成USB主設(shè)備還是從設(shè)備還是其他功能，去找相應(yīng)的目標(biāo)代碼就可以了，燒錄完程序的VNC1L芯片就相當(dāng)于一顆接口芯片，只要接口連接正確，時(shí)序操作正確需要的功能就會(huì)正常運(yùn)行。VNC1L擁有專門的UART，SPI和并口引腳，所以對(duì)它進(jìn)行控制時(shí)可以選用三種接口中的任意一種，如果想看一下操作命令的返回值，可以用串口方式連接到PC機(jī)上，在PC機(jī)上用串口調(diào)試助手向VNC1L發(fā)送相應(yīng)的命令后，會(huì)看到對(duì)應(yīng)的返回值情況。

2.2 存儲(chǔ)過程的實(shí)現(xiàn)

位圖圖像在計(jì)算機(jī)中使用很廣泛，例如在Windows中，記事本、寫字板中的文字就是用位圖圖像表示出來的。許多以其他格式存儲(chǔ)的圖像，就是在位圖圖像的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化處理后得到的，例如JPEG圖像等。在數(shù)字圖像處理中，許多算法就是針對(duì)24位真彩色位圖或灰度位圖設(shè)計(jì)的。因此，將采集的圖像以位圖的格式存儲(chǔ)便于后期對(duì)圖像的處理。位圖的存儲(chǔ)格式分為24位真彩色格式和灰度位圖格式，24位真彩色格式比灰度位圖格式大2/3，因?yàn)榛叶葓D像是用一個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素，而24位真彩色位圖是用三個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素，所以本設(shè)計(jì)用灰度位圖格式存儲(chǔ)圖像[4]。

當(dāng)要存儲(chǔ)一幀圖像時(shí)，ATmega8L向VNC1L發(fā)送新建文件命令，在存儲(chǔ)設(shè)備中就會(huì)新建一個(gè).BMP文件，然后ATmega8L再將位圖的14 B的文件頭、40 B的信息頭、1 024 B的顏色索引表寫入.BMP文件的開始部分，寫完后ATmega8L給FPGA一個(gè)ready信號(hào)，F(xiàn)PGA收到此信號(hào)后直接將圖像數(shù)據(jù)通過VNC1L送到存儲(chǔ)設(shè)備的.BMP文件中;FPGA送完一幀圖像數(shù)據(jù)后再給ATmega8L一個(gè)結(jié)束信號(hào)，之后ATmega8L執(zhí)行關(guān)閉當(dāng)前文件命令，至此一個(gè)BMP圖存儲(chǔ)結(jié)束。本設(shè)計(jì)希望此系統(tǒng)采集的所有圖像在存儲(chǔ)設(shè)備中用單獨(dú)的文件夾存儲(chǔ)，這樣每次在新插入存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)ATmega8L要先向VNC1L發(fā)送一個(gè)查詢命令，查詢當(dāng)前根目錄中是否已存在本系統(tǒng)專用的文件夾，如果沒有則新建此文件夾，有則在此文件夾中查詢是否已經(jīng)有.BMP文件，如果沒有則新建，并且文件名以數(shù)字編號(hào)0開始命名，如果有則要查詢當(dāng)前哪個(gè)文件名的編號(hào)最大，然后以最大編號(hào)數(shù)加一的方式作為要新建文件的文件名。當(dāng)要從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取一幅圖像時(shí)，ATmega8L同樣要執(zhí)行查詢文件夾和文件是否存在的命令，如果都存在則從文件名編號(hào)最大的那張圖片開始讀取。讀取過程與寫過程類似，只是用的命令不同，而且讀的時(shí)候要等VNC1L將位圖的1 078 B的文件信息讀完后才能將圖像數(shù)據(jù)傳給FPGA。VNC1L與FPGA和ATmega8L用并口的方式進(jìn)行通信，只需8條數(shù)據(jù)線和4根信號(hào)線即可完成數(shù)據(jù)傳輸，接口連接如圖2所示。

圖2 通信接口框圖

3 遙控功能設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)的電子產(chǎn)品采用的控制方式都是開關(guān)式按鍵或觸摸的方式，如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等，工業(yè)用的設(shè)備也是如此。本文所述的控制方式采用了無線的遙控方式，這種遙控方式在電視機(jī)領(lǐng)域已應(yīng)用多年，技術(shù)已經(jīng)很成熟，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。由于選用的遙控器適用于36~40 kHz載波頻率的紅外接收器，所以設(shè)計(jì)中選用了36 kHz紅外接收器，ATmega8L接收紅外接收器的信號(hào)，從中解析出遙控器上各個(gè)按鍵的碼值，并會(huì)轉(zhuǎn)去執(zhí)行遙控器上相應(yīng)按鍵上的功能[5]。遙控器上設(shè)計(jì)了21個(gè)按鍵，代表了此系統(tǒng)擁有的所有功能，分別為:

圖像存儲(chǔ)功能 按下存儲(chǔ)鍵就可以將當(dāng)前看到的畫面存儲(chǔ)到存儲(chǔ)設(shè)備中;

圖像預(yù)覽即讀圖功能 將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中的圖片重新讀出，在顯示器上顯示，預(yù)覽圖片時(shí)可以在當(dāng)前圖片的基礎(chǔ)上，上翻或下翻即可循環(huán)瀏覽已存儲(chǔ)的所有圖片;

紅、綠、藍(lán)增益及曝光值的調(diào)節(jié)功能 可以對(duì)這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行增大和減小的控制;

雙十字線的控制和調(diào)節(jié)功能 當(dāng)想要十字線功能時(shí)只要按一下十字線按鍵就會(huì)在當(dāng)前實(shí)時(shí)顯示的畫面上看到兩條十字交叉的線，十字線的位置可以根據(jù)用戶的需要任意移動(dòng)，當(dāng)需要雙十字線時(shí)需要兩個(gè)控制十字線的按鍵都按下，使用雙十字線可以圈定整幅畫面上重點(diǎn)觀察的范圍;

圖像凍結(jié)功能 當(dāng)凍結(jié)鍵按下時(shí)顯示器上的整個(gè)畫面凍結(jié)，此時(shí)不能進(jìn)行存圖、讀圖或其他任何操作;

當(dāng)前參數(shù)值保存功能 此鍵按下后會(huì)對(duì)當(dāng)前的增益、曝光、十字線位置等參數(shù)的當(dāng)前值存儲(chǔ)到ATmega8L的E2PROM中，這樣在下次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將E2PROM保存的各參數(shù)值一一讀出;

復(fù)位初始參數(shù)值功能 如果用戶不小心將某一參數(shù)值調(diào)亂了，可以按下此鍵來恢復(fù)系統(tǒng)最原始的參數(shù)值。

4 結(jié) 語

本文所述的圖像采集系統(tǒng)中存儲(chǔ)方案的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)量稍大又不是很復(fù)雜的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒作用，而且將遙控器技術(shù)作為系統(tǒng)控制操作的方式，讓人耳目一新，此圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，操作方便且實(shí)惠新穎。

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