基于DSP幀曝光圖像采集系統(tǒng)

王光興， 李洪祚， 黃 勇， 楊 帆

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

0 引 言

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，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；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。文中將MT9V034這種幀曝光圖像傳感器作為機器視覺的傳感器，通過DSP對采集的圖像進行分析和處理，完成對背景光源的亮度和傳感器電子快門時間的控制，設(shè)計出一款背景光源亮度可調(diào)的工業(yè)化智能相機為貼片機服務(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，該芯片沒有獨立的圖像采集接口，不能與CMOS圖像傳感器無縫連接。在CMOS圖像傳感器和DSP直接加了一個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USB總線傳至上位機。CY7V68013A是一款集成SIE收發(fā)器的USB協(xié)議芯片，內(nèi)置51內(nèi)核接口簡單，數(shù)據(jù)傳輸速度快。DSP28335具有內(nèi)部PWM模塊，可以進行光源的控制。通過不同的占空比，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候采取整幀曝光，同一時間將整個傳感器暴露出來，在對運行中的物體進行采集的時候，不會發(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、行同步信號、像素輸出時鐘、圖像數(shù)據(jù)。幀同步信號標志著一幀圖像的開始和結(jié)束；行同步信號標志著一幀中一行圖像的開始和結(jié)束；加上像素輸出時鐘的約束，即可以將圖像完美地表示出來。

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（FRAME＿VALID）連接DSP并在DSP配置引腳的時候配置成下降沿中斷觸發(fā)模式，檢測幀頭幀尾功能。MT9V034的行有效信號（LINE＿VALID）與DSP一個普通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DMA控制器，直接存儲訪問（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)可以在后臺完成數(shù)據(jù)傳輸，減輕CPU的工作量，對于DSP28335這樣的沒有視頻接口的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。

高速可讀寫存儲器SRAM作為圖像的存儲芯片，型號為IS61LV51216，DSP的外設(shè)接口可以與此SRAM芯片無縫連接，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51內(nèi)核，通過對內(nèi)部固件程序的編寫，可以使CY7C68013A工作在SLAVE＿FIFO模式，使用非常簡單，Cpress公司提供基本的固件程序模塊，僅需要簡單修改即可。在與上位機連接時，Cpress公司同時提供了可以正常使用的驅(qū)動程序，大大簡化了DSP與上位機通過USB總線連接的方法［1］。

DSP的數(shù)據(jù)總線同時與CY7C68013A和CPLD相連，地址總線XA8～XA11與CPLD相連，進行部分地址的編碼。當CY7C68013A的FIFO中存到2 KB數(shù)據(jù)時，CY7C68013A將此數(shù)據(jù)包打包發(fā)往上位機。CY7C68013A的FIFO狀態(tài)引腳與CPLD相連，并可以通過總線傳到DSP內(nèi)部，完成對FIFO狀態(tài)的監(jiān)控。當DSP檢測到FIFO為非滿時，啟動下一次傳輸，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［2］。

2.5 DSP與光源驅(qū)動芯片LM3410的連接方法

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

圖2 LM3410光源驅(qū)動芯片外圍電路

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的軟件分為4個部分，USB芯片固件程序、DSP程序、CPLD程序和上位機程序。USB芯片的固件程序使USB芯片CY7C68013A運行在SLAVE＿FIFO模式，USB芯片負責(zé)完成上位機和DSP芯片的數(shù)據(jù)交流工作；DSP程序是整個系統(tǒng)的核心，負責(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程序負責(zé)將DSP系統(tǒng)的地址擴展以便DSP連接USB芯片；上位機程序使用Lab View軟件，負責(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

通過對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FIFO內(nèi)數(shù)據(jù)到達2 KB時，由內(nèi)置的51內(nèi)核將圖像數(shù)據(jù)打包通過USB總線發(fā)送到上位機。下面為3個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作為整個系統(tǒng)的核心模塊，啟動后DSP一直等待上位機發(fā)來的指令。如果上位機發(fā)送來的指令是快速模式的話，DSP會直接采集圖像然后傳給上位機。如果為慢速模式時，DSP會依據(jù)具體指令對光源亮度和電子快門時間進行設(shè)定，再進行圖像采集、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，利用下降沿檢測中斷檢測圖像傳感器的幀同步信號，DSP連接在與非門的引腳輸出高電平。在CMOS傳感器行同步信號的限制下，圖像數(shù)據(jù)流入FIFO芯片中。當再次檢測到下降沿時，標志著圖像數(shù)據(jù)的幀尾標志，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圖像處理子函數(shù)組成［5］，還可以根據(jù)個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)，在進行圖像處理時可以作為圖像數(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。由于圖像數(shù)據(jù)量特別大且CY7C68013A片內(nèi)的FIFO尺寸問題，所以圖像傳輸時需要經(jīng)過很多次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)部具有一個強大的PWM模塊，可以完成很多功能，這里僅用到它的很簡單的功能，發(fā)送一個占空比可調(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，通過設(shè)置不同的值來調(diào)整方波的占空比。

3.3 上位機與DSP系統(tǒng)的連接

NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是美國國家儀器公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口［6］。在Lab View上使用NI-VISA進行USB通信時，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，通信時需要進行配置。通過查詢USB設(shè)備的PID和VID的數(shù)值，建立驅(qū)動程序。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USB設(shè)備。

3.4 Lab View上位機程序

上位機通過USB總線與DSP系統(tǒng)連接在一起，通過發(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，在圖像采集時可以進行背景光源的控制，電子快門的控制以及進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行圖像采集，然后立即將圖像數(shù)據(jù)上傳到上位機，其它位的數(shù)值均被忽略；

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

LEDVALUE：當LED為1時，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SHUTTER為0時，自動控制圖像傳感器的電子快門時間；為1時，根據(jù)S＿VALUE的值，手動設(shè)置電子快門時間；

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

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

P＿TYPE：圖像處理類型；

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

硬件連接圖及實驗平臺如圖4所示。

圖4 實物圖

4 結(jié) 語

系統(tǒng)通過總線隔離和地址譯碼，只使用簡單的雙口FIFO芯片AL422B接入DSP，僅占用DSP少量軟件開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，縮短了開發(fā)周期，對系統(tǒng)總線的占用卻并沒有增加。利用CY7C68013A大大簡化了DSP與上位機通過USB總線連接的方法；利用LM3410可使工作時外圍電路非常簡單并完成對背景光源的控制，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。與其它DSP系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有處理速度快、接口簡單、成本低、能實時顯示的特點，適用于視覺導(dǎo)航、視頻實時處理等要求高速處理圖像以及有實時演示要求的場合。

［1］ 王文杰.USB2＿0加密接口芯片的設(shè)計及其FPGA驗證［D］：［碩士學(xué)位論文］.長沙：中南大學(xué)，2008.

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

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