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1、现代计算机总第三一：期v0引言-_ _ j I-C j同速图像采集和传输系统设计陈增辉。林伟，刘滔(广东工业大学，广州5 1 0 0 0 6)摘要：针对机器视觉算法中数据量大、高速传输、复杂运算及网络化的实际需要。设计以o v 9 6 5 0 为图像采集传感器，F P G A 实现图像预处理功能，S 3 C 2 4 1 0 为核心处理器。并应用网络技术进行图像传输，实现高速数据采集和传输的图像采集系统，扩展图像采集系统的应用领城，具有实际的使用价值。关键词：机器视觉；F P G A；R M；数据采集机器视觉自起步发展到现在已有十几年的发展历史应该说机器视觉作为一种应用系统，其功能特点是随着工业
2、自动化的发展而逐渐完善和发展的。当前嵌入式系统和网络化是机器视觉系统发展的两个趋势：(1)嵌入式系统使得数据采集、自动控制和图像检测集成更加紧密，另外基于嵌入式系统的机器视觉系统具有极低的功耗。(2)网络化是嵌入式系统的发展趋势，其在工业自动化领域的应用也越来越广泛机器视觉于网络通信等先进技术的结合正在改变工业自动化生产的面貌。随着工业和计算机技术的发展只采用单片机或者D S P 进行控制的传统图像采集系统已经不能满足现代化生产和科学研究对图像采集系统日益提高的要求。本文介绍一种由F P G A 和A R M 相结合的高速图像采集传输系统的设计方案。1系统硬件设计本设计是基于传感器的产品质量检
3、测系统中数据采集模块。设计结合机器视觉的这两大发展趋势开发以三星公司S 3 C 2 4 1 0 为核心的嵌入式系统并应用以太网技术进行图像传输。系统框图如图l 所示。1 1 图像传感器本系统采用O V 9 6 5 0 作为图像采集传感器。0 V 9 6 5 0 是O m n iV i 8 i o n 公司的彩色C M O S 图像传感器，可支持S X V G A、V G A、Q V G A、Q Q V G A、C I F、Q C I F、Q Q C I F 模式和s c C B 接口，并具有自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动带通滤波、自动黑级校准等功能。0 V 9 6 5 0 的最大
4、帧速率在V G A 格式时为3 0f 酗，在S X V G A 格式时为1 5 昂8。图像传感嚣F P G A 模块A 础主控制模块(S 3 c 2 4 1 0 芯片)图1 设计框图存储模块I接u 模块I通信模块|1 2F P G A 模块A l t e m 公司的E P l K l 0 0 系列是性价比较高的可编程逻辑器件，它具有l O 万等效系统门，核电压为2 5 V。端口电压兼容5 V、3 3 V。工作频率可达2 5 0 M H z。可满足多电压高频率工作要求。这一部分主要负责图像传感器的控制、图像数据缓存、外围时序调整。F P G A 接收视频的行、场同步及亮度信号并在F P G A
5、中进行图像的预处理可以在H，G A 中进行二值化、S o b e l 边缘分割、中值滤波，将处理后的亮度信号送人A R M 模块。由于I S【J 5 9 8 8 5 产生的行同步信号每两行分离出一个为了正确的采集。F P G A 须在每两个行同步的中间加入一个行同步信号。送往A R M 模块。1 3A R M 模块A R M 模块的主要作用是从n G A 中接收图像原始数据然后进行必要的处理再存储在存储模块收槁日期：2 0 0 9 1 0 2 8 修稿日期：2 0 0 9 1 l 一1 S作者简介：陈增辉(1 9 8 3 一)，男。广东梅州人，硕士研究生，研究方向为智能工程和嵌入式系统1 7
6、8 万方数据上或者通过通信模块把图像数据传输到P C 机上进行处理。F P G A 接收完一帧图像后向A R M 发出中断请求。A R M 收到请求后通过F P G A 将H，G A 中S R A M 里的数据读人。图像数据发送完毕后，F P G A 发出发送完毕信号A R M 对接收到的数据进行必要的处理后，将数据存储在存储模块上或者通过通信模块把图像数据传输到P C 机上进行处理。本设计使用三星公司的S 3 C 2 4 1 0 芯片它是基于A R M 公司的A R M 9 2 0 r r 处理器核采用O 1 8 哪制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 K B 指令C a
7、 c h e和1 6 K B 数据C a c h e、M M U、支持T 下I 的L c D 控制器、N A N D 闪存控制器、3 路U A R T、4 路D M A、4 路带i)W M 的T i m e r、I，o 口、R，r c、8 路1 0 位A D C、T o u e hr e 曲接口、C B U S 接口、S B U S 接口、2 个U S B主机、1 个U S B 设备、S D 主机和M M C 接口和2 路S P I。s 3 C 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 M H z。1 4 存储器模块和接口模块(1)S D R A M 存储器S D R A M 采用两片H
8、Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 每片3 2 M 字节，总的S D R A M 为3 2 M B。H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 数据宽度1 6 B i t，内部分为4 个B a I l I【。每B 蚰k 为4 M 字节。H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 第2 0 和2 l 脚B A l：0 1 连接S 3 C 2 4 1 0 的L A 2 5：2 4。(2)n 鹊h 存储器n 鹊h 采用K 9 F 1 2 0 8。它是三星公司的N 矾d n 鹊h芯片，而S 3 C 2 4 1 0 内部具有N a l l d 控制器，所以K 9 F 1 2 0 8 直接和S 3 C
9、 2 4 1 0 连接并可以从N a n d n 鹊h引导。(3)接口模块接口主要是用于A R M 处理器和外部设备进行信息传输的，包括碰2 3 2 接口、U S B 接口和J T A G 接口。1 S 通信模块以太网芯片采用D M 9 0 0 0 A E 这是一个比较精巧的电路性能也很不错。D M 9 0 0 0 A E 是1 6 B i t 总线宽度接在S 3 C 2 4 1 0 的B a I I l【2 上，D M 9 0 0 0 A E 的第3 2 脚C M D 用来指示当前数据总线是I n d e x 端口还是D a t a端口设计将l 根地址线A l 接到此脚，以此区分读写的是命令
10、地址还是数据。D M 9 0 0 0 A E 的I n d e x 端口的地址是0】【1 0 0 00 0 1 0 0，D a t a 端口的地址是o x l 0 0 00 0 0 2。驱动程序中只以两个物理地址访问D M 9 0 0 0 A E。网卡使用中断E I N I 2。2F P G A 实现图像预处理算法以F P G A 实现3 3S o b e l 边缘检测为例介绍F P G A 实现图像预处理的方法。1 7 9首先应从视频信号中提取出3 3 大小的图像框。须使用三个兀F 0，其大小与一行像素大小相同将三个F I F o 串行连接在一起。用视频信号的前三行充满三个F I F O 之
11、后每来一个像素在写入n F O 的同时。从每个F 1 F 0 中读出一个像素的亮度值。分别放入三个移位寄存器。在三个像素点之后就得到一个3 3的矩形框。随着视频信号的不断流入。矩形框将遍历整个图像区域。之后，就可以对提取出来的像素点，进行各种算法的处理。以下是用V e r i l o g 语言描述的3 3S o b e l 算子：州lo：o】f e m P l，t e m p 2，渤n p 3，e m p 4；W i r e【7：O】b e l l，b e l 2，b e l 3，的b e l 4；w i 他【7：0】d a t a o 姑嘲i g nt e m p l=t e m“I l+t
12、 e m p 2】+t e m p【3】；蛐咖t e m p 2=t e m 咿】+t e m p【8】+t e 呷【9】；船s i g nt e m p 3=t e m d l】+t e m p H】+t e m p【7】；嘲i g nt e m p 4=t e m“3 1+t e m p【6】+t e m p【9】；瑚i g n8 0 b e l l=(t e m p l t e m p 2)?(t e m p l t e m p 2)：O；哪i 伊b e l 2=忙皿p 3 t e m p 4)?(t e m p 3 t e m p 4)：O；啪和s o b e l 3=(舳b e l
13、l 8 d2 5 5)?8 d 2 5 5：目D b e l l；躐i 印8 0 b e l 4=(肋b e l 2 8 d2 5 5)?8 d 2 5 5：s o b e l 2；鼬s i 印d g t a o u t【7：O】=“b e l 3 b e l 4)?b e l 3 p：o】：s o b e 7：o D；其中考虑到了数据计算的溢出或结果为负值的情况，边缘检测效果良好。3结语本文介绍了一种由H，G A 和A R M 相结合的图像数据采集和传输系统的基本设计方案。系统是按基于视觉传感器的产品质量检测系统的要求进行设计的适用于视觉系统发展的两大趋势(嵌入式系统与网络技术)，能够达到嵌
14、入式的实时性和灵活性的要求。实现低成本、低消耗、灵活性强、实时性好的图像采集传输系统该系统可以应用于许多工业生产上的视觉监控和检测。参考文献【1】徐志军，徐光辉C P I 皿I F P G A 的开发与应用北京：电子工业出版社2 0 0 2【2】周立功A R M 微控制器基础与实践【M】北京：北京航空航天大学出版社2 0 0 5f 3】周润景基于Q I|a 咖sH 的F 代；c 肿数字系统设计实例嗍北京：电子工业出版社，2 0 c r 7【4】肖金球，刘传洋，仲嘉霖基于F P G A 的高速实时数据采集系统【J】电路与系统学报，2 0 0 5，1 0(6)(下转第1 8 2 页；现代计算机总第
15、三一：期v 万方数据上提出了一种基于h l a 的网络游戏脚本系统的设计该脚本系统充分利用L n a 脚本灵活和可拓展性等特点。进行了游戏内容和游戏引擎的分离，具有较好的运行效果。图3 玩家与怪物P K参考文f l】于造波脚本技术在游戏引擎中的应用叨电脑知识与技术，2 0 0 8。2 3(7)：1 6 7 一1 6 9【2】张文瑞游戏开发的脚本机制及其应用忉科技情报开发与经济，2 0 0 9，1 9(9)：1 2 2 一1 2 4【3】魏江平L n a 脚本语言在游戏引擎中的应用分析田微型电脑应用，2 0 0 8，2 4(4)：2 2 2 3呷e m B a I i m s c h y，R 0
16、 b e n o P r o g E 咖n l i I I gh l【舡a【h I】J o h nw i l e yS o 鹏I n c：2 0 0 5【5】h I a 技术主页h 仕p：，删w 1 u a o 唱D e S i g nO fO n n eG a m eS c r i p tS y S t e mB a s e dO nL u aUG u a n g s o n g，C H E NR o n g z h e n g(D 印a r t m e n to fI 山咖如o nE n 舀n e e r i n g，G u 踯g d o I l gI 鹏t i t u t eo f T
17、e x m e k h I o g y，E 明h 彻5 2 8 0 4 1)A b s t 限c t：0 I l I i n eg a m em a i n l yu 8t h e r i p t8 y s t e mt 0c o n 旬瞄t 量l eg a m ec o n t e n ta n d。g a m el o g i c 晦i I l gL I ms c r i p ti no l l l i n eg a m e，n o to n l yc 蚰弛d u c et h ed i m c u l t yo fg 砌ed e v e l o p m e m，址a l s oc 蚰b
18、r i n gi 咖p l a yn e x i b i l i t ya n dm b u s 协e 鹪o ft h et 王I i r d l r t y T i p t A n a l y z 岫r i p t8 y 8 t e m，sw o r l【i n gp r i I I c i p l ea n do p e 硎p r o c 嘲，b r i I l 铲f o r w a r d 肌o I l l i n eg a m e暑c r i _ p t8 y s 协m 眦h i t e c t u 弛k 嘲站o nL u a 锄dg i v 觚明【p e r i I n e n tt
19、 ot e 札t h ea l l i t e 咖弛K I 帅r d s：L m；O r l l i n e；s c d p ts y 8 t e m；A r c h i t e c t u 陀(上接第1 7 9 页)D e S i g nO fHi g h S p e e dI m a g eG a t h e r i n ga n dIr a n S ml S S I O nS V S t e mo Po，、C H E NZ e n g _ h u i，I J I NW e i，U UT a 0(G 岫n 霉d o l l gu n i v e 坤蚵o f h n o l o g y，G
20、l 瑚咖5 1 0 0 0 6)A b s t 限c t：F 凹t l I ea c t u a ln d s0 fl a r g ev o l u m 髓o fd m a，l l i g h 呻p e e d 仃a I l 8 I n i 8 s i，c o m p l 眈o p e 枷明锄d 炯帅r I【0 r i e n t e di nm e 矗e l do fm a c h i n ev i 8 i o n，d e s i 掣璩ag y s t e mw h i c hi 8i m a g eg a t h-舐I I g n 舯rb y0 V 9 6 5 0，i 咖咿p m 吨咖e
21、n t 矗m c t i o nb yn，G A 出ec o 陀p r o c e 鹪o ri 8s 3 C 2 4 1 0，粕di 删I g e 呦s l n i 鲳i o nb yt l I en e t w o r kt e c h n o I 嘟1 1 l e8 y 8 t e mI e a l i 粥h i 曲一g p e e di 咖唔eg a d l e r i I l g 曲dt r a 瑚n l i 鹪i o n 1 1 l i 8d e s i 印e 印蚰d st l I ed o I I l a i no fi 咖唔e 驴血I 铲i n g 印p l i c a t i
22、蚰m l di st I l e r e f b 0 f 掣a tp 眦t i c a lv a l 心狮心：M a c h i 舵V i 8 i 帆；f P G A；A R M；I 删l g eG a 上h e r i 赠1 8 2曩氍mn丌蕾再如仉苎西帚II一一一一伽明-万方数据高速图像采集和传输系统设计高速图像采集和传输系统设计作者：陈增辉，林伟，刘滔，CHEN Zeng-hui，LIN Wei，LIU Tao作者单位：广东工业大学,广州,510006刊名：现代计算机（专业版）英文刊名：MODERN COMPUTER年，卷(期)：2009(12)参考文献(4条)参考文献(4条)1.肖金球;刘传洋;仲嘉霖 基于FPGA的高速实时数据采集系统期刊论文-电路与系统学报 2005(06)2.周润景 基于Quartus H的FPGA/CPLD数字系统设计实例 20073.周立功 ARM微控制器基础与实践 20054.徐志军;徐光辉 CPLD/FPGA的开发与应用 2002 本文链接：http:/