陳向春，侯智斌，張峰

（解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031）

引 言

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于圖像采集速度、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間的限制，要完整存儲(chǔ)30fps、640×480像素大小的一幅圖像是相當(dāng)困難的［1］。本文運(yùn)用較高性能的16位飛思卡爾單片機(jī)在超高頻的情況下直接采集圖像，也只能采集到每行320個(gè)像素，丟失圖像，無(wú)法獲得一幅完整的圖像。本文通過(guò)在圖像采集過(guò)程中增加FIFO芯片AL422B較好地解決了這一問(wèn)題，相對(duì)于采用昂貴的DSP而言，降低了圖像采集系統(tǒng)的成本。

1 單目點(diǎn)光源測(cè)距原理

野外作業(yè)時(shí)，需要在運(yùn)動(dòng)中知道前方標(biāo)桿和觀察點(diǎn)之間的距離。本文將標(biāo)桿制成等間距紅外點(diǎn)光源標(biāo)桿，滿(mǎn)足了基于單幀靜態(tài)圖像的小孔成像原理測(cè)距模型要求，減少了圖像處理量，提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性、全天候性。H為各點(diǎn)光源標(biāo)桿的實(shí)際距離；n為點(diǎn)光源個(gè)數(shù)，它可以通過(guò)圖像處理獲得；f為攝像頭焦距；標(biāo)尺實(shí)際像素物理距離h由攝像頭標(biāo)定取得。遠(yuǎn)距離測(cè)距原理示意圖如圖1所示，整條點(diǎn)光源標(biāo)桿都在攝像頭視野范圍內(nèi)。近距離測(cè)距原理示意圖如圖2所示，點(diǎn)光源標(biāo)桿只有部分在攝像頭范圍內(nèi)。通過(guò)圖1，可求出前方標(biāo)桿與觀察點(diǎn)的距離D。攝像機(jī)的成像幾何關(guān)系也可用小孔成像原理來(lái)近似表示：

圖1 遠(yuǎn)距離測(cè)距原理示意圖

2 圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 近距離測(cè)距原理示意圖

根據(jù)單目視覺(jué)測(cè)距的要求，需要通過(guò)一黑白攝像頭實(shí)時(shí)采集前車(chē)的點(diǎn)光源標(biāo)桿，通過(guò)標(biāo)尺上點(diǎn)光源所在的像素距離推算出前車(chē)距離。為了能完整地讀取圖像，本文增加了FIFO芯片，圖像采集原理示意圖如圖3所示。由單片機(jī)監(jiān)測(cè)攝像頭的行／場(chǎng)信號(hào)，控制FIFO讀取相應(yīng)的圖像；讀完所有行后，關(guān)閉FIFO讀取圖像功能，開(kāi)始由單片機(jī)從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，根據(jù)圖像處理的復(fù)雜程度，決定圖像處理和圖像采集的時(shí)間比。由于FIFO是先入先出，其讀取數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)只需通過(guò)中斷使能行／場(chǎng)信號(hào)，絕大部分時(shí)間單片機(jī)可以用來(lái)進(jìn)行圖像處理。本文采取的是采集一幀圖像后，單片機(jī)利用兩幀圖像的空閑時(shí)間和下一幀F(xiàn)IFO采集時(shí)間，共約3幀時(shí)間進(jìn)行圖像處理和控制，其結(jié)果是圖像由原來(lái)的30fps，變成10fps。盡管幀率慢了，但經(jīng)過(guò)分析得知，在100km／h情況下，滯后距離2.8m，可以滿(mǎn)足要求。

圖3 圖像采集原理示意圖

2.1 飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12DG128

2.2 攝像頭芯片OV7670

OV7670是OmniVision公司推出的Camerachiptm圖像傳感器，體積小，工作電壓低。VGA圖像最高達(dá)到30 fps。其主要特性為［3］：

◆感光陣列（共有656×488個(gè)像素，在YUV的模式中有效像素為640×480個(gè)）；

◆高靈敏度適合低照度應(yīng)用，對(duì)紅外光線敏感；

◆標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，兼容I2C總線接口；

◆RawRGB、RGB（GRB4：2：2，RGB565／555／444）、YUV（4：2：2）和 YCbCr（4：2：2）輸出格式；

◆支持VGA、CIF和從CIF到40×30的各種尺寸。

本文采用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12DG128作為主控芯片，該芯片是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增強(qiáng)型、汽車(chē)級(jí)的16位微控制器，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz，集成了8KB的RAM、128 KB的Flash、2KB的EEPROM，集成度高，資源也相當(dāng)豐富［2］。

2.3 FIFO芯片AL422B

AL422B是AverLogic公司推出的一個(gè)存儲(chǔ)容量為393 216字節(jié)×8位的FIFO存儲(chǔ)芯片。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成，AL422B內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 AL422B內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖

AL422B主要特點(diǎn)是［4］：

◆AL422B的存儲(chǔ)體為3Mb（393 216字節(jié)×8位）；

◆可以存儲(chǔ)VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV等制式一幀圖形的信息；

◆獨(dú)立的讀寫(xiě)操作，可以接受不同的I／O速率；

◆高速異步串行存取；

◆讀寫(xiě)周期為20ns；

◆存取時(shí)間為15ns；

◆內(nèi)部DRAM自刷新。

3 圖像采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

要想在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的靜態(tài)存儲(chǔ)，必須解決存儲(chǔ)速度和存儲(chǔ)容量?jī)纱髥?wèn)題。對(duì)于速度問(wèn)題，需要對(duì)OV7670的數(shù)據(jù)輸出時(shí)序進(jìn)行分析，使其滿(mǎn)足要求。VGA時(shí)序圖如圖5所示。其中PCLK為像素時(shí)鐘，頻率與主頻一致，即27MHz，上升沿時(shí)數(shù)據(jù)輸出有效；VSYNC為場(chǎng)信號(hào)；

HREF為水平參考信號(hào)，當(dāng)像素在窗口有效時(shí)為高電平，否則為低電平；HSYNC為行信號(hào)；D［7：0］為8位數(shù)據(jù)輸出。

圖5 VGA時(shí)序圖

AL422B寫(xiě)操作時(shí)序圖如圖6所示［4］，WCK 為AL422B的寫(xiě)入時(shí)鐘，周期最大為1000ns，最小為20ns（對(duì)應(yīng)主頻50MHz）；其上升沿時(shí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入，隨著該時(shí)鐘輸入其內(nèi)部，寫(xiě)指針自動(dòng)增加?？梢?jiàn)，AL422B的速度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。具體操作時(shí)，由單片機(jī)的I／O口控制AL422B的寫(xiě)使能／WE，使其為低電平，使能寫(xiě)功能，數(shù)據(jù)端DI7～0在WCK上升沿時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入。寫(xiě)完一副圖像后，由單片機(jī)的I／O口控制寫(xiě)復(fù)位／WRST，使其為低電平，使能復(fù)位，數(shù)據(jù)寫(xiě)入地址指針將回到0地址位。

圖6 AL422B寫(xiě)操作時(shí)序圖

AL422B讀操作時(shí)序圖如圖7所示。RCK為AL422B的讀出時(shí)鐘，周期最大為1000ns，最小為20ns，當(dāng)／RE和／OE有效時(shí)，在其上升沿?cái)?shù)據(jù)有效，隨著該時(shí)鐘輸入，其內(nèi)部的讀指針自動(dòng)增加。當(dāng)單片機(jī)的主頻為25MHz時(shí)，還不能直接給OV7670的系統(tǒng)時(shí)鐘XCLK提供時(shí)鐘，我們采用外部晶振提供27MHz的同頻信號(hào)給OV7670。

圖7 AL422B讀操作時(shí)序圖

圖像采集電路原理圖如圖8所示。OV7670的像素時(shí)鐘PCLK直接和AL422B的數(shù)據(jù)讀入時(shí)鐘WCK相連，具體操作時(shí)，由單片機(jī)的I／O口控制AL422B的讀使能／RE和輸出數(shù)據(jù)使能／OE，使它們?yōu)榈碗娖?；使能?shù)據(jù)讀出功能，數(shù)據(jù)端DO7～0在RCK上升沿時(shí)將數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)。讀完一副圖像后，由單片機(jī)的I／O口控制寫(xiě)復(fù)位／RRST，使其為低電平，使能復(fù)位，數(shù)據(jù)讀出地址指針將回到0地址位。

3.2 程序設(shè)計(jì)

圖8 圖像采集電路原理圖

程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到場(chǎng)信號(hào)更新后，開(kāi)始監(jiān)測(cè)行信號(hào)到達(dá)，之后使能／WE，開(kāi)始順序讀取圖像。讀完一幀圖像后關(guān)閉／WE，單片機(jī)使能／RE，開(kāi)始讀取首行圖像中的640個(gè)像素。本文采取邊讀邊處理的方式，較好地解決了一幀圖像多達(dá)3MB的問(wèn)題。點(diǎn)光源標(biāo)桿發(fā)出的紅外光線在圖像上呈現(xiàn)出若干個(gè)光暈區(qū)域，找到光暈中心就可以找到點(diǎn)光源的圖像坐標(biāo)，為此在讀取的同時(shí)將各像素點(diǎn)與閾值進(jìn)行比較，小于閾值的為疑似點(diǎn)光源并記錄對(duì)應(yīng)坐標(biāo)；當(dāng)讀取完一行像素時(shí)，得到的將是一組疑似點(diǎn)光源坐標(biāo)的像素位置，將其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求平均，得出點(diǎn)光源在該行的坐標(biāo)，最多12個(gè)字節(jié)（正面標(biāo)桿6個(gè)，某側(cè)標(biāo)桿6個(gè)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整行640個(gè)字節(jié)。

圖9 程序設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)讀取完一幀像素時(shí)，得到最多12×480個(gè)字節(jié)，單片機(jī)64KB的容量完全可以存儲(chǔ)，最后將行求平均，得出最終的點(diǎn)光源坐標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)證，所需總時(shí)間在2.15幀圖像內(nèi)完成。

結(jié) 語(yǔ)

文中討論了基于FIFO芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)光源圖像采集系統(tǒng)，描述了單目點(diǎn)光源測(cè)距原理、圖像采集系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，著重介紹了FIFO芯片在圖像采集中的橋梁作用。通過(guò)系統(tǒng)樣機(jī)檢驗(yàn)，能夠滿(mǎn)足要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

［1］邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［2］Freescale Semiconductor.MC9S12DG128Device User Guide［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.freescale.com.cn.

［3］OmniVision Technologies.OV7670／OV7171CMOS VGA 圖像傳感器［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.ovt.com／technologies／.

［4］Aver Logic.AL422DataSheet［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.averlogic.com／.