【文章內(nèi)容簡介】 本功能模塊，完成系統(tǒng)的整體方案設計。 基于圖像處理的相關方案 圖像處理相關理論 自然界一般的圖像都是模擬圖像，處理器不能直接處理模擬信號，圖像采集是處理器借助各種圖像傳感器獲取數(shù)字的場景圖像的過程，因此需要圖像傳感器將模擬圖像通過采樣和量化的過程數(shù)字化。 (1)彩色模型。 常見的面向硬件設備的彩色模型有 RGB 模型、 YUV 模型；根據(jù)三基色理論，任何顏色都可以用三基色即紅 (R)、綠 (G)、藍 (B)按照不同的強度匹配。 常見的 RGB 格式有 RGB88 RGB55RGB565。 YUV 色彩模型來源于 RGB 模型，其特點是將亮度與色度分開，便于應用到圖像處理中 [6]。 RGB 與 YUV 相互轉(zhuǎn)化的公式如下： 圖 21 RGB 與 YUV 格式的相互轉(zhuǎn)化公式 本系統(tǒng)首先采用 RGB565 格式通過攝像頭來采集數(shù)據(jù)，即用 5 位表示紅色、 6 位表示綠色、5 位表示藍色，共 16 位，占 2 個字節(jié)或 32 位系統(tǒng)中的半字。隨后通過 RGB 與 YUV 相互轉(zhuǎn)化的公式將其轉(zhuǎn)化為 YUV422 的格式，共 8 位，占 1 個字節(jié)，這樣既有利于通過串口傳輸?shù)缴衔粰C，也有利于在單片機中對圖像進行檢測，使得整個過程快捷方便，精度高。 (2)像素。 模擬的圖像經(jīng)過數(shù)字圖像傳感器采樣后，把空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)化為離散的采樣點，即像素。若干個像素按照逐行逐列的排列，來表示該位置畫面的色彩及亮度情況。若采樣結(jié)果每行像素為 M個，每列像素為 N 個，則組成了一個像素的陣列，整幅圖像的大小為 M*N 個像素。如本系統(tǒng)中使東南大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 2 章 總體設計 . 4 . 用的圖像傳感器采集的圖像大小為 320*240[7]。 圖像采集 圖像輸入設備主要包括鏡頭、傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、處理器等 4 個部分。 數(shù)字圖像傳感器分為兩種，一種是電荷耦合器件（ CCD）作為光電轉(zhuǎn)換器，另一種是互補型金屬氧化物半導體（ CMOS）作為光電轉(zhuǎn)換器。 CMOS 技術早期常用于數(shù)據(jù)存儲技術，其制造成本和功耗都低于 CCD。隨著半導體技術的發(fā)展， CMOS 技術逐漸應用于視頻產(chǎn)品中，并且成像通透性、色彩還原性也逐漸媲美 CCD 傳感器。對比兩種圖像傳感器， 本 系統(tǒng)選擇性價比較高的 CMOS 圖像傳感器，節(jié)省了資源與圖像預處理的復雜性，模塊配有可調(diào)焦鏡頭以滿足數(shù)碼管圖像檢測的要求。 圖像 處理 圖像經(jīng)過采樣和量化后，一幅圖像可以用數(shù)字化表達， 通過處理器對數(shù)字信號的進一步處理，提取出所需要的信息。在 本 系統(tǒng)中，圖像處理主要包括平滑濾波，閾值分割，局部提取等。 控制方案設計 在控制方案設計中，處理器的選擇和圖像處理解決方案的確定是工作重點，正確的配置核心處理器和控制方案對圖像采集、圖像處理的性能起著重要作用。 處理器的選型 各種處理器在計算機技術的基礎上有著自身的優(yōu)勢，其軟件硬件便于剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等參數(shù)有嚴格要求的系統(tǒng)。比如以 X86 為代表的嵌入式處理器，以 51 系列單片機為代表的微控制器，以 Texas Instrument 公司的 TMS320 為代表的 DSP 處理器，以及 ARM處理器。 其中，單片機是將一個小型的計算機系統(tǒng)集成到一個芯片中，以處理器為核心，內(nèi)部集成了 ROM、 RAM、總線、定時器、通信接口等功能，大大降低了功耗和成本，提高了系統(tǒng)的可靠性 。由于本系統(tǒng)只需要簡單地圖像采集與處理，單片機可以滿足低速的運行， 非常適合本系統(tǒng)。 圖像處理解決方案 （ 1） DSP 方案。 DSP 適合數(shù)字信號處理的一些復雜算法實現(xiàn)，其采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)分開，有很強的數(shù)據(jù)處理能力，但其控制能力薄弱，一般 DSP 專門用于信號處理，還需要配合另外 控制器做控制，如配合 FPGA 聯(lián)合工作，彌補了 DSP 在并行數(shù)據(jù)處理和總線控制方面的劣勢， DSP 負責完成信號處理、算法實現(xiàn)、數(shù)學運算等功能，能實現(xiàn)實時采集與處理圖像；但此高性能也意味著高成本，并且 DSP 與 FPGA 編程和算法實現(xiàn)比較復雜，難以實現(xiàn)。 （ 2）單片機方案。單片機系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)處理能力有限和功能相對簡單，主要適用于測控系統(tǒng)，能低成本地完成工控要求，并不適用于數(shù)據(jù)量較大的圖像處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)在控制部分將采用單片東南大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 2 章 總體設計 . 5 . 機系統(tǒng)完成圖像檢測系統(tǒng)控制。 系統(tǒng)可行性分析 隨著計算機技術和半導體存儲技術的快速發(fā)展， 數(shù)字圖像處理技術在各個應用領域獲得了廣闊的發(fā)展空間。與人眼視覺相比，基于數(shù)字圖像處理技術和機器視覺技術的圖像采集處理系統(tǒng)能有效克服人眼的主觀性、局限性和模糊性。因此，將數(shù)字圖像處理技術用于數(shù)碼管的檢測具有一定的可行性。數(shù)字圖像處理包括圖像采集與圖像處理兩大部分：圖像采集包括圖像傳感器對圖像的數(shù)字化、彩色模型的選取等；圖像處理包括 平滑濾波，閾值分割，局部提取等 。系統(tǒng)通過 CMOS 圖像傳感器采集圖像，將數(shù)據(jù)存儲到 FIFO 中，然后通過圖像處理的方式將圖像閾值分割，從而得到圖像的各部分 亮度 信息，經(jīng)過一定的圖像處理 算法進行 局部提取 就能得出數(shù)碼管局部信息，通過檢測算法就能得出數(shù)碼管局部亮度值。因此，基于圖像處理技術的數(shù)碼管檢測系統(tǒng)具有較強的實用性和可行性 [8]。 系統(tǒng)方案設計 針對數(shù)碼管檢測系統(tǒng)的控制需求，電表數(shù)碼管的數(shù)值變化速度不快，所以對檢測系統(tǒng)的實時性要求不高，為追求最高性價比，本系統(tǒng)采用單片機控制方案：由單片機負責圖像傳感器的總線控制，將采集到的數(shù)字信號存儲到 FIFO 中，由單片機負責圖像處理和顯示模塊。由于單片機處理器數(shù)據(jù)處理能力有限，同時負擔圖像采集、存儲和圖像處理，實時性難以保障，圖像會存在延時的現(xiàn)象。針對 數(shù)碼管檢測對實時性要求不高的特點，系統(tǒng)采用靜態(tài)圖像采集、靜態(tài)圖像處理的控制方案，在確定外界因素后，停止采集圖像信號，完成類似數(shù)碼照相機的“拍照”功能，將此圖像的數(shù)據(jù)存于FIFO 中，由處理器對其進行一系列圖像處理與亮度計算，最終得出亮度值并且能顯示和傳輸，從而達到數(shù)碼管 檢測的需求 [9]。 裝置的組成及工作原理 圖像處理系統(tǒng)按功能劃分為 單片機、 控制器、圖像采集、數(shù)據(jù)緩存、實時顯示和上位機通信六個部分。 東南大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 2 章 總體設計 . 6 . 單 片 機 處 理 器圖 像處 理器數(shù) 據(jù) 緩 存上 位 機顯 示 控 制 圖 22 系統(tǒng)裝置的組成 本系統(tǒng)基于單片機通過軟件編程設置 OV7670 攝像頭內(nèi)部參數(shù)采集圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在 AL422B 芯片中 ；隨后單片機一方面將存儲在 AL422 內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來，經(jīng)過算法處理和串口通信將數(shù)據(jù)顯示在 PC 上，一方面在單片機內(nèi)進行圖像算法處理，得出數(shù)碼管顯示的數(shù)字結(jié)果并且顯示在 LCD1602 上。 系統(tǒng)的設計要點 課題的關鍵問題和難點在于： （ 1）圖像讀取和存貯 （ 2）圖像顯示 （ 3）圖像處理實驗 東南大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 . 7 . 第 3章 系統(tǒng)硬件設計 本章主要介紹系統(tǒng)的硬件電路設計，針對系統(tǒng)的設計方案確定了元件的選型和各個功能模塊的電路 ，并且針對本系統(tǒng)的特點及性能要 求對硬件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，完成了系統(tǒng)各主要電路的連線設計及調(diào)試。 系統(tǒng)元件選型 根據(jù)第二章方案設計中確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制方案，經(jīng)過實驗測試和數(shù)據(jù)分析，確定處理器、圖像傳感器、數(shù)據(jù)緩存等核心原件的型號，分析其性能參數(shù)。 處理器 MSP430F149 單片機 MSP430F149 芯片是美國 TI 公司推出的超低功耗微處理器，有 60KB+256 字節(jié) FLASH，2KBRAM，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶 3 個捕獲／比較寄存器和 PWM 輸出的 16 位定時器、帶 7 個捕獲／比較寄存器和 PWM 輸出的 16 位定時器、 2 個具有中斷功能 的 8 位并行端口、4 個 8 位并行端口、模擬比較器、 12 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器、 2 個串行通信接口等模塊 [10]。 MSP430F149芯片具有如下特點： （ 1)功耗低：電壓 2． 2V、時鐘頻率 1MHz 時，活動模式為 200μ A；關閉模式時僅為 0． 1A，且具有 5 種節(jié)能工作方式。 （ 2)高效 16 位 RISCCPU， 27 條指令， 8MHz 時鐘頻率時，指令周期時間為 125ns，絕大多數(shù)指令在一個時鐘周期完成； 32kHz 時鐘頻率時， 16 位 MSP430 單片機的執(zhí)行速度高于典型的 8 位單片機 20MHz 時鐘頻率時的執(zhí)行速度。 （ 3)低電壓供電、寬工作電壓范圍： 1． 8～ 3． 6V； （ 4)靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘； （ 5)低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信 [11]； （ 6)具有串行在線編程能力； （ 7)強大的中斷功能； （ 8)喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需 6μ s； （ 9)ESD 保護，抗干擾力強； （ 10)運行環(huán)境溫度范圍為 40～ +85℃，適合于工業(yè)環(huán)境 [12]。 東南大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 . 8 . MSP430 系列單片機的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實現(xiàn)的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時通過專用的編程器 [13]，可以選擇匯編或 C 語言編程， IAR 公司為 MSP430 系列的單片機開發(fā)了專用的 C430 語言，可以通過 WORKBENCH 和 CSPY 直接編譯調(diào)試，使用靈活簡單 [14]。 STC12LE5A60S2 單片機 STC12C5A60S2 系列單片機是 STC 生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 1T 的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051， 但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810專用復位電路 ， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S，即 25 萬次 /秒 )， 針對電機控制，強干擾場合。 [15] （ 1）增強 型 8051CPU， 1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 （ 2）工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： (5V 單片機）。 STC12LE5A60S2 系列工作電壓： (3V 單片機）。 （ 3）工作頻率范圍： 0～ 35MHz，相當于普通 8051 的 0～ 420MHz。 （ 4）用戶應用程序空間 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié)。 （ 5）片上集成 1280 字節(jié) RAM[16]。 （ 6）通用 I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏每個 I/O 口驅(qū)動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 120mA。 （ 7） ISP (在系統(tǒng)可編程） / IAP (在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（ )直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 （ 8）看門狗。 （ 9） 內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K 電阻到地）。 圖像 傳感器模塊 OV7670 圖像傳感器是實現(xiàn)機器視覺的核心元件，在第二章通過分析基于嵌入式圖像采集系統(tǒng)的功能需求和性價比，對比 CMOS 和 CCD 圖像傳感器，經(jīng)過分析測試，系統(tǒng)最終選用 OmmiVision 公司的 OV7670 CMOS 圖像傳感器，該傳感器體積小、功耗低，可控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。其具備以下特點： （ 1）具有標準的 SCCB 接口，兼容 I2C 接口，可通過總線設置傳感器模塊的功能，適合嵌入式系統(tǒng)應用； （ 2）可設置多種圖像輸出格式，如 RawRGB、 RGB56 RGB555， YUV 等格式； （ 3）支持 VGA、 CIF 等多種尺寸圖像的輸出； 東南大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 . 9 . （ 4）具有自動曝光、自動白平衡、自動黑電平校準等圖像自動影響控制功能和飽和度、色相、伽馬、銳度等圖像質(zhì)量控制功能； （ 5）具有消除噪聲、壞點補償、鏡頭失光補償、圖像縮放和邊緣增強等自動調(diào)節(jié)功能； （ 6）最大視場角為 25176。，光學尺寸 1/6，最大幀率 30fpsVGA，封裝尺寸 2785um*4325um。 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線寬度為 16 位，即采用兩個字節(jié)表示一個像素點，為方便圖像數(shù)據(jù)存儲和處理，系統(tǒng)可采用比較常用的 RGB565 圖像格式輸出，并且 OV7670 具有自動影響控制和圖像質(zhì)量控制功能，能簡化處理器對圖像的預處理過程，有效提高系統(tǒng)整體性能。因而，從功能特點及其性能參數(shù)分析， OV7670 圖像傳感器符合系統(tǒng)的要求。 系統(tǒng)選用市場上較為常用的已封裝的 OV7670 模塊，省去了此小封裝元件的 PCB 設計與焊接的過程，傳感器被焊接在小塊 PCB 板上，所有端口被引出為標準間距的接口便于與系統(tǒng)其它外設