王光興， 李洪祚， 黃 勇， 楊 帆

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022；2.吉林省博安消防設(shè)備有限公司，吉林長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。文中將MT9V034這種幀曝光圖像傳感器作為機(jī)器視覺(jué)的傳感器，通過(guò)DSP對(duì)采集的圖像進(jìn)行分析和處理，完成對(duì)背景光源的亮度和傳感器電子快門時(shí)間的控制，設(shè)計(jì)出一款背景光源亮度可調(diào)的工業(yè)化智能相機(jī)為貼片機(jī)服務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

主控芯片采用DSP28335，該芯片沒(méi)有獨(dú)立的圖像采集接口，不能與CMOS圖像傳感器無(wú)縫連接。在CMOS圖像傳感器和DSP直接加了一個(gè)FIFO芯片，此FIFO芯片內(nèi)存非常大，可以將一幀圖像完整地存在內(nèi)部。SRAM作為圖像存儲(chǔ)芯片，CPLD與CY7C68013A相連作為圖像的傳輸芯片，將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)USB總線傳至上位機(jī)。CY7V68013A是一款集成SIE收發(fā)器的USB協(xié)議芯片，內(nèi)置51內(nèi)核接口簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸速度快。DSP28335具有內(nèi)部PWM模塊，可以進(jìn)行光源的控制。通過(guò)不同的占空比，使光源的亮度可調(diào)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器選用MT9V034——一款36 W像素的幀曝光圖像傳感器。幀曝光圖像傳感器在曝光的時(shí)候采取整幀曝光，同一時(shí)間將整個(gè)傳感器暴露出來(lái)，在對(duì)運(yùn)行中的物體進(jìn)行采集的時(shí)候，不會(huì)發(fā)生形變。CMOS圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)包括：幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)、像素輸出時(shí)鐘、圖像數(shù)據(jù)。幀同步信號(hào)標(biāo)志著一幀圖像的開(kāi)始和結(jié)束；行同步信號(hào)標(biāo)志著一幀中一行圖像的開(kāi)始和結(jié)束；加上像素輸出時(shí)鐘的約束，即可以將圖像完美地表示出來(lái)。

2.2 CMOS圖像傳感器與AL422B的連接方式

AL422B是內(nèi)存為3 Mbits的雙口FIFO芯片，可以存放393 216＊8 bits數(shù)據(jù)。圖像傳感器設(shè)置為輸出尺寸640＊480＊8 bits＝307 200＊8 bits，可以清晰地看出在AL422B芯片內(nèi)部正好可以存上完整的一幀圖像。MT9V034寄存器配置引腳與DSP相連，使得DSP可以完成對(duì)MT9V034內(nèi)部寄存器的配置工作，配置總線采用IIC總線。MT9V034傳感器的幀同步信號(hào)（FRAME＿VALID）連接DSP并在DSP配置引腳的時(shí)候配置成下降沿中斷觸發(fā)模式，檢測(cè)幀頭幀尾功能。MT9V034的行有效信號(hào)（LINE＿VALID）與DSP一個(gè)普通IO與非后控制AL422B的寫使能。MT9V034的數(shù)據(jù)輸出引腳和時(shí)鐘引腳與AL422B相連，在DSP的控制下將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸L422B中，做圖像的緩存工作。

2.3 DSP與AL422B及SRAM的連接方法

DSP28335內(nèi)部存在一個(gè)DMA控制器，直接存儲(chǔ)訪問(wèn)（DMA）模塊是在不需要CPU仲裁的情況下提供的一種在外設(shè)和內(nèi)存之間傳遞數(shù)據(jù)的硬件辦法。DMA技術(shù)可以在后臺(tái)完成數(shù)據(jù)傳輸，減輕CPU的工作量，對(duì)于DSP28335這樣的沒(méi)有視頻接口的DSP芯片的圖像采集和圖像傳輸工作有很大的幫助。根據(jù)DSP內(nèi)部的DMA控制器的時(shí)序要求，需要將FIFO芯片AL422B連接在地址和數(shù)據(jù)總線上。AL422B在DSP地址總線上的編碼為0x200000。

高速可讀寫存儲(chǔ)器SRAM作為圖像的存儲(chǔ)芯片，型號(hào)為IS61LV51216，DSP的外設(shè)接口可以與此SRAM芯片無(wú)縫連接，地址分配為0x100000～0x17FFFF。

2.4 DSP與CY7C68013A的連接方法

USB芯片使用 Cpress公司的CY7C68013A，此USB芯片內(nèi)部含有一個(gè)51內(nèi)核，通過(guò)對(duì)內(nèi)部固件程序的編寫，可以使CY7C68013A工作在SLAVE＿FIFO模式，使用非常簡(jiǎn)單，Cpress公司提供基本的固件程序模塊，僅需要簡(jiǎn)單修改即可。在與上位機(jī)連接時(shí)，Cpress公司同時(shí)提供了可以正常使用的驅(qū)動(dòng)程序，大大簡(jiǎn)化了DSP與上位機(jī)通過(guò)USB總線連接的方法［1］。

DSP的數(shù)據(jù)總線同時(shí)與CY7C68013A和CPLD相連，地址總線XA8～XA11與CPLD相連，進(jìn)行部分地址的編碼。當(dāng)CY7C68013A的FIFO中存到2 KB數(shù)據(jù)時(shí)，CY7C68013A將此數(shù)據(jù)包打包發(fā)往上位機(jī)。CY7C68013A的FIFO狀態(tài)引腳與CPLD相連，并可以通過(guò)總線傳到DSP內(nèi)部，完成對(duì)FIFO狀態(tài)的監(jiān)控。當(dāng)DSP檢測(cè)到FIFO為非滿時(shí)，啟動(dòng)下一次傳輸，繼續(xù)向FIFO中寫入數(shù)據(jù)。由于USB發(fā)送數(shù)據(jù)比DSP向FIFO中發(fā)送數(shù)據(jù)快，所以，這樣既可以加快傳輸速度又避免了出錯(cuò)［2］。

2.5 DSP與光源驅(qū)動(dòng)芯片LM3410的連接方法

LM3410為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)芯片，最大輸出電流為2.8 A。工作時(shí)外圍電路非常簡(jiǎn)單，而且芯片具有反饋引腳，在芯片內(nèi)部可以完成自動(dòng)控制功能。LM3410芯片和其外圍電路構(gòu)成一個(gè)升壓斬波電路。在DIMM引腳處接占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，就可以完成對(duì)背景光源的控制。LM3410光源驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路如圖2所示。

圖2 LM3410光源驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為4個(gè)部分，USB芯片固件程序、DSP程序、CPLD程序和上位機(jī)程序。USB芯片的固件程序使USB芯片CY7C68013A運(yùn)行在SLAVE＿FIFO模式，USB芯片負(fù)責(zé)完成上位機(jī)和DSP芯片的數(shù)據(jù)交流工作；DSP程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集圖像、處理圖像、傳輸圖像以及背景光源的控制等工作；CPLD程序負(fù)責(zé)將DSP系統(tǒng)的地址擴(kuò)展以便DSP連接USB芯片；上位機(jī)程序使用Lab View軟件，負(fù)責(zé)向DSP芯片發(fā)送指令以及顯示圖像數(shù)據(jù)［3］。

3.1 USB芯片固件程序

通過(guò)對(duì)USB芯片CY7C68013A固件程序的編寫，使此芯片工作在異步SLAVE＿FIFO模式。當(dāng)FIFO內(nèi)數(shù)據(jù)到達(dá)2 KB時(shí)，由內(nèi)置的51內(nèi)核將圖像數(shù)據(jù)打包通過(guò)USB總線發(fā)送到上位機(jī)。下面為3個(gè)比較重要的寄存器配置，這3條程序位置在void TD＿Init（void）函數(shù)中。

3.2 DSP程序部分

DSP作為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，啟動(dòng)后DSP一直等待上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令。如果上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令是快速模式的話，DSP會(huì)直接采集圖像然后傳給上位機(jī)。如果為慢速模式時(shí)，DSP會(huì)依據(jù)具體指令對(duì)光源亮度和電子快門時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，再進(jìn)行圖像采集、圖像處理和圖像傳輸?shù)裙ぷ鳌３绦蛘w流程如圖3所示。

圖3 整體軟件流程

3.2.1 圖像采集程序

圖像傳感器的配置使用IIC總線，DSP通過(guò)IIC總線完成圖像傳感器的配置工作［4］。圖像采集部分按數(shù)據(jù)流向分為兩個(gè)階段：第一階段圖像數(shù)據(jù)流由CMOS圖像傳感器到FIFO芯片；第二階段圖像數(shù)據(jù)流由FIFO芯片到SRAM中。

第一階段，利用下降沿檢測(cè)中斷檢測(cè)圖像傳感器的幀同步信號(hào)，DSP連接在與非門的引腳輸出高電平。在CMOS傳感器行同步信號(hào)的限制下，圖像數(shù)據(jù)流入FIFO芯片中。當(dāng)再次檢測(cè)到下降沿時(shí)，標(biāo)志著圖像數(shù)據(jù)的幀尾標(biāo)志，關(guān)閉流向FIFO的數(shù)據(jù)通道，到此第一階段完成。第二階段，利用DMA控制器將FIFO芯片地址（0x200000）的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊RAM芯片地址（0x100000）中，完成圖像數(shù)據(jù)流向SRAM中。至此完成圖像數(shù)據(jù)采集工作，圖像數(shù)據(jù)由圖像傳感器到達(dá)SRAM中。

3.2.2 圖像傳輸和圖像處理程序

圖像處理部分由很多個(gè)圖像處理子函數(shù)組成［5］，還可以根據(jù)個(gè)人需要再次添加圖像處理函數(shù)，在SRAM中可以存3幀圖像數(shù)據(jù)，在進(jìn)行圖像處理時(shí)可以作為圖像數(shù)據(jù)的緩存。

圖像傳輸部分同樣是由DMA模塊控制的，由DMA控制器將存在SRAM中的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到CY7C68013A芯片內(nèi)部的FIFO中，再由CY7C68013A芯片打包發(fā)送到上位機(jī)。由于圖像數(shù)據(jù)量特別大且CY7C68013A片內(nèi)的FIFO尺寸問(wèn)題，所以圖像傳輸時(shí)需要經(jīng)過(guò)很多次DMA傳輸。其傳輸子函數(shù)如下：

3.2.3 DSP發(fā)送的占空比可調(diào)的PWM

DSP28335內(nèi)部具有一個(gè)強(qiáng)大的PWM模塊，可以完成很多功能，這里僅用到它的很簡(jiǎn)單的功能，發(fā)送一個(gè)占空比可調(diào)的方波。EPwm5Regs.TBPRD寄存器設(shè)置方波的周期，EPwm5Regs.CMPA.half.CMPA寄存器設(shè)置方波的占空比，通過(guò)設(shè)置不同的值來(lái)調(diào)整方波的占空比。

3.3 上位機(jī)與DSP系統(tǒng)的連接

NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的一種用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口［6］。在Lab View上使用NI-VISA進(jìn)行USB通信時(shí)，使用USB RAW設(shè)備，USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USB TMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備，通信時(shí)需要進(jìn)行配置。通過(guò)查詢USB設(shè)備的PID和VID的數(shù)值，建立驅(qū)動(dòng)程序。之后即可以很方便使用PID和VID的值，在Lab View程序中調(diào)用這個(gè)USB設(shè)備。

3.4 Lab View上位機(jī)程序

上位機(jī)通過(guò)USB總線與DSP系統(tǒng)連接在一起，通過(guò)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)指令，完成多種功能［7］。

USB指令格式（共66 bits）見(jiàn)表1。

表2 PDO1通信參數(shù)設(shè)置

傳輸?shù)暮竺婢哂蠧RC16的32位數(shù)據(jù)校驗(yàn)區(qū)，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

MODE：0為慢速圖像采集模式，在圖像采集時(shí)可以進(jìn)行背景光源的控制，電子快門的控制以及進(jìn)行一些圖像處理功能；1為高速圖像采集模式，DSP接到此命令以后僅進(jìn)行圖像采集，然后立即將圖像數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，其它位的數(shù)值均被忽略；

LED：LED的值為0時(shí)，背景光源采集自動(dòng)控制，首先進(jìn)行一次圖像采集，然后對(duì)此圖像進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果調(diào)整光源亮度；LED的值為1時(shí)，LEDVALUE的值有效，根據(jù)此值調(diào)整光源亮度；

LEDVALUE：當(dāng)LED為1時(shí)，有效。其值為PWM的占空比，即亮度程度。范圍在10～90之內(nèi)，代表10%～90%；

SHUTTER：當(dāng)SHUTTER為0時(shí)，自動(dòng)控制圖像傳感器的電子快門時(shí)間；為1時(shí)，根據(jù)S＿VALUE的值，手動(dòng)設(shè)置電子快門時(shí)間；

S＿VALUE：圖像傳感器的電子快門時(shí)間；范圍在10～32 765之內(nèi)；

PROCESS：為1時(shí)，圖像采集以后進(jìn)行圖像處理，進(jìn)行何種圖像處理功能由P＿TYPE確定；為0時(shí)，不進(jìn)行任何圖像處理；

P＿TYPE：圖像處理類型；

SEND：為1時(shí)，圖像通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線發(fā)送到上位機(jī)；為0時(shí)，不發(fā)送。

硬件連接圖及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 實(shí)物圖

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)總線隔離和地址譯碼，只使用簡(jiǎn)單的雙口FIFO芯片AL422B接入DSP，僅占用DSP少量軟件開(kāi)銷和總線資源就完成圖像數(shù)據(jù)的采集。與采用視頻接口芯片、外圍FIFO和CPLD／FPGA等方案相比［8］，很大程度上降低了系統(tǒng)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期，對(duì)系統(tǒng)總線的占用卻并沒(méi)有增加。利用CY7C68013A大大簡(jiǎn)化了DSP與上位機(jī)通過(guò)USB總線連接的方法；利用LM3410可使工作時(shí)外圍電路非常簡(jiǎn)單并完成對(duì)背景光源的控制，減少系統(tǒng)中斷次數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能，能夠?qū)D像處理的結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。與其它DSP系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有處理速度快、接口簡(jiǎn)單、成本低、能實(shí)時(shí)顯示的特點(diǎn)，適用于視覺(jué)導(dǎo)航、視頻實(shí)時(shí)處理等要求高速處理圖像以及有實(shí)時(shí)演示要求的場(chǎng)合。

［1］ 王文杰.USB2＿0加密接口芯片的設(shè)計(jì)及其FPGA驗(yàn)證［D］：［碩士學(xué)位論文］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

［2］ 趙彥全.基于FX2的數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)與USB2＿0高速傳輸探討［D］：［碩士學(xué)位論文］.北京：中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，2006.

［3］ 段雷.基于DSP＋FPGA的圖像處理電路板硬件設(shè)計(jì)［D］：［碩士學(xué)位論文］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［4］ 何維.一種高速數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］ 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004：59-98.

［6］ 余志榮，楊莉.基于NI-VISA與Lab VIEW的USB接口應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（1）：66-69.

［7］ 楊樂(lè)平，李海濤，趙勇，等.Lab VIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：37-44.

［8］ 閆豐.一種基于FPGA的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，24（4）：50-52.