光纖熔接圖像分時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 燕， 楊林國， 姚艷春

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 合肥 230011）

光纖通信技術(shù)是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要通信技術(shù)。由于光纖具有高速率、帶寬寬、損耗低、體積小、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信中的應(yīng)用越來越廣泛，但光纖具有不同的結(jié)構(gòu)、形狀和幾何參數(shù)，其連接技術(shù)難度很大。在實(shí)際光纖熔接中，由于環(huán)境、光纖種類的不同等多種原因，造成光纖熔接機(jī)的圖像不清晰，放電電弧不均勻，熔接損耗過大，因此為降低熔接損耗，對(duì)熔接機(jī)的圖像采集顯示系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有很重要的意義。

目前大多數(shù)的光纖熔接圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是采用CCD攝像頭或CMOS攝像頭和不支持?jǐn)z像頭接口的ARM7處理器以及FPGA，主要是用FPGA來采集和顯示光纖熔接圖像的數(shù)據(jù)。本文采用支持?jǐn)z像頭接口的ARM9處理器來采集和顯示光纖熔接圖像的數(shù)據(jù)，用FPGA連接兩路C MOS攝像頭進(jìn)行控制，交替輸出兩路攝像頭的數(shù)據(jù)，然后由ARM9通過攝像頭接口分時(shí)采集光纖熔接圖像的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD上并行顯示。

1 系統(tǒng)的功能和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的功能

本系統(tǒng)采用的是ARM+FPGA架構(gòu)，是獨(dú)立可運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)[1]，它能夠?qū)崿F(xiàn)光纖熔接圖像的采集、處理與顯示功能。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：本系統(tǒng)具有體積小、數(shù)字化處理成本低、功耗低、接口方便、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)要完成的功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)，從硬件結(jié)構(gòu)上，將本系統(tǒng)劃分為圖像采集模塊、圖像處理模塊、圖像顯示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，核心芯片為ARM和FPGA，其余外部設(shè)備與芯片包括SDRAM存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器、TFT-LCD顯示屏、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、CMOS圖像傳感器等[2,3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)劃分

光纖熔接圖像采集顯示系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：光纖熔接圖像采集部分、光纖熔接圖像處理部分、光纖熔接圖像顯示模塊。在本系統(tǒng)中，圖像輸入模塊由ARM的CAMIF完成，前端兩路圖像傳感器由FPGA控制；圖像處理模塊由ARM來完成；圖像輸出模塊有兩種輸出模式，一種是LCD，輸出由ARM的LCD控制器來完成，另一種是VGA輸出，由FPGA來完成。系統(tǒng)劃分框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)劃分框圖

該系統(tǒng)劃分的優(yōu)點(diǎn)：

▲結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大。ARM有豐富的接口和強(qiáng)大的控制能力；FPGA具有高速并行處理及高集成度的特點(diǎn)。

▲靈活，易升級(jí)。通過ARM編程可以對(duì)圖像處理算法進(jìn)行靈活控制，可以方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)外設(shè)，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能；FPGA的可重配置性可以方便系統(tǒng)硬件處理模塊的更新和升級(jí)。

▲降低開發(fā)復(fù)雜度。ARM與FPGA的工作任務(wù)劃分，實(shí)際上是軟硬件的劃分，

▲容易完成軟件和硬件的共同開發(fā)。

▲研發(fā)周期短。ARM芯片選用S3C2440A，該芯片支持CAMIF（攝像頭接口），利用CAMIF直接就可采集圖像數(shù)據(jù)。不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的圖像采集電路，縮短了研發(fā)周期，提高了研發(fā)效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是光纖熔接圖像采集顯示系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要是基于ARM+FPGA，由FPGA子系統(tǒng)和ARM子系統(tǒng)兩部分組成。

2.1 ARM子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ARM子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：FLASH電路設(shè)計(jì)、SDRAM電路設(shè)計(jì)、RS232串口電路設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)。如圖3所示。

圖3 ARM子系統(tǒng)硬件電路

FLASH主要是用來存儲(chǔ)ARM的程序，SDRAM主要是用來存儲(chǔ)ARM采集的圖像數(shù)據(jù)，串口主要是用來與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)口主要是用來與外部進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2 FPGA子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

FPGA子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：CMOS攝像頭電路設(shè)計(jì)、DAC電路設(shè)計(jì)。如圖4所示。

圖4 FPGA子系統(tǒng)硬件電路

CMOS電路主要是兩個(gè)CMOS攝像頭連接在FPGA上，同時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)傳輸給FPGA、DAC電路，將ARM輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)用于VGA顯示。

2.3 ARM與FPGA互聯(lián)電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中需要使用FPGA來輔助ARM進(jìn)行工作，如兩路攝像頭切換、VGA顯示等，這就需要ARM和FPGA之間進(jìn)行連接通信。本設(shè)計(jì)采用外部總線方式連接S3C2440A、XC2S300E，將FPGA映射成系統(tǒng)的一段存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問。S3C2440A與XC2S300E的連接方式如圖5所示。本設(shè)計(jì)中我們把ARM芯片的數(shù)據(jù)線總線部分DATA[0:23]、地址線總線部分ADDR[3:8]、讀信號(hào)nOE、寫信號(hào)nWE、片選信號(hào)nGCS5連接到FPGA上相對(duì)應(yīng)的輸入/輸出管腳。

圖5 ARM與FPGA互聯(lián)電路圖

本設(shè)計(jì)中FPGA連接到BANK5上，只使用6根地址線，尋址空間是0x28000000-0x28000040。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于光纖圖像的采集和界面顯示需要同步處理和顯示，且不讓圖像采集中的COMS攝像頭數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)亂，所以使用了多線程對(duì)程序進(jìn)行控制，主線程負(fù)責(zé)界面顯示和控制操作，主要完成界面的初始化及讀取系統(tǒng)配置文件和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序；次線程專門用來采集圖像，采集完后觸發(fā)一個(gè)信號(hào)來激活主線程中界面顯示功能，而次線程則繼續(xù)循環(huán)采集圖像，以此循環(huán)直至程序退出。具體的流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)硬件測(cè)試

本文選用Samsung公司的S3C2440A作為主處理器，選用Xilinx公司的Spartan-IIE系列的XC2S300E芯片作為從處理器，然后對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行測(cè)試[4]。

系統(tǒng)上電后，測(cè)試FLASH電路和SDRAM電路主要管腳的狀態(tài)均正常，然后把Linux系統(tǒng)移植到S3C2440A中，系統(tǒng)文件燒寫到FLASH中，設(shè)置啟動(dòng)程序從FLASH啟動(dòng)，然后系統(tǒng)可以正常啟動(dòng)。通過數(shù)據(jù)線和地址線，向SDRAM中寫數(shù)據(jù)，然后再讀數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)與寫入一致，說明SDRAM正常工作。使用串口線將系統(tǒng)板和PC機(jī)相連起來。啟動(dòng)ARM系統(tǒng)在PC機(jī)中打開超級(jí)終端，與系統(tǒng)板建立連接，測(cè)試結(jié)果通過串口可以建立連接。用網(wǎng)線連接系統(tǒng)板和PC機(jī)，給系統(tǒng)板分配一個(gè)地址為192.168.1.6。使用FlashFXP軟件測(cè)試網(wǎng)絡(luò)接口是否連通，在PC機(jī)上運(yùn)行FlashFXP軟件，連接IP地址192.168.1.6，測(cè)試結(jié)果顯示通過網(wǎng)絡(luò)接口能夠連接系統(tǒng)板。

4.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試

軟件的測(cè)試是基于硬件平臺(tái)的。系統(tǒng)上電后，啟動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行驅(qū)動(dòng)軟件，兩路CMOS攝像頭采集光纖圖像并通過LCD顯示屏顯示兩路光纖的圖像，再用VGA顯示連接掛在FPGA上的VGA接口，也可以正常顯示兩路光纖的圖像。LCD顯示的分辨率為640*480，測(cè)試LCD刷新頻率為12Hz，移動(dòng)光纖時(shí)，該系統(tǒng)可以清晰地采集到運(yùn)動(dòng)中的光纖圖像，為進(jìn)行光纖圖像處理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.3 結(jié)果和分析

圖7 光纖熔接前的圖像

系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地采集清晰的光纖圖像，以下是采集到熔接前和熔接后的光纖圖像。圖7是光纖熔接前的圖像，圖8是光纖熔接后的圖像。試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

圖8 光纖熔接后的圖像

5 結(jié)束語

本文根據(jù)光纖熔接機(jī)中最核心的一個(gè)系統(tǒng)——光纖熔接圖像采集顯示系統(tǒng)，提出了一個(gè)新的光纖熔接圖像采集顯示技術(shù)。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和復(fù)用性。與目前市場上的光纖熔接機(jī)相比，該系統(tǒng)可以提高光纖熔接機(jī)的圖像采集速度和光纖熔接速度。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了FPGA芯片與ARM芯片各自的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

[1]徐英慧.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)-基于S3C2410與Linux[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：312—314.

[2]孫浩.基于ARM和FPGA的嵌入式高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].電子科技,2009,22(2)：5—7.

[3]蔡弘.基于ARM+FPGA高速信號(hào)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京:北京交通大學(xué)，2007：1—45.