以ARM9和Linux為核心的嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

視覺系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，主要集中于藥品檢測分裝、印刷色彩檢測、集成電路生產(chǎn)、精密電子產(chǎn)品裝配、智能機器人識別導(dǎo)航等領(lǐng)域。隨著Internet 的普及，現(xiàn)代社會已進入后PC 時代，嵌入式技術(shù)越來越與人們的生活緊密結(jié)合。

嵌入式視覺系統(tǒng)可通過USB 總線等將圖像的獲取、圖像處理、顯示設(shè)備集成于一體，成本相對較低，體積小巧，可以方便地安裝在載體身上，故研究嵌入式的視覺系統(tǒng)具有一定的實際意義。

2 嵌入式視覺系統(tǒng)總體方案設(shè)計

嵌入式視覺系統(tǒng)由嵌入式硬件平臺、操作系統(tǒng)、圖像采集和圖像顯示四大部分組成，原理框圖如下圖1 所示。

圖1 視覺系統(tǒng)原理框圖

S3C2410X 芯片是韓國三星電子公司推出的一款基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器。該芯片集成了支持 TFT 的 LCD 控制器 、3 個通道的UART 等控制器和豐富的外部接口，MPLL 產(chǎn)生主時鐘，能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz,此工作頻率能夠使處理器輕松運行WinCE、Linux 等操作系統(tǒng)以及進行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。該芯片可以滿足低成本、高速度、低功耗的設(shè)計需求，非常適合作為嵌入式視覺系統(tǒng)的硬件平臺。

Linux 操作系統(tǒng)同目前廣泛應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)如pSOS、VxWorks、winCE 相比，具有可移植性好、網(wǎng)絡(luò)功能強、有優(yōu)秀的GNU 編譯工具支持等優(yōu)點，更重要的是Linux 的開放源代碼和免費的優(yōu)點使得系統(tǒng)成本顯著降低，因此選用Linux 操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺。

3 嵌入式視覺系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 圖像采集

選購攝像頭，優(yōu)先考慮Linux 內(nèi)核公開支持的攝像頭芯片。由于目前Linux 操作系統(tǒng)使用的內(nèi)核版本僅自帶了ov511 芯片的攝像頭驅(qū)動，因此，系統(tǒng)的圖像采集模塊由CMOS 圖像傳感器OV7620 和后端處理芯片OV511+組成。本系統(tǒng)在IIC 總線模式下通過設(shè)置OV7620 的功能寄存器，使OV7620 工作于連續(xù)掃描方式，RGB 原始數(shù)據(jù)16 位輸出方式。OV7620 有4 個同步信號：VSYNC（垂直同步信號）、FODD（奇數(shù)場同步信號）、HSYNC（水平同步信號）和PCLK（像素同步信號）[3].當(dāng)采用連續(xù)掃描方式時，只使用VSYNC 和HSYNC、PCLK 三個同步信號。通過設(shè)定內(nèi)部寄存器，控制輸出幀率在0.5 幀/s~30 幀/s 之間變化，窗口輸出設(shè)置為：640×480,經(jīng)過設(shè)定后的OV7620 輸出時序如圖2 所示：

圖2 OV7620 輸出時序圖

3.2 圖像傳輸

圖像采集幀率與數(shù)據(jù)傳輸接口的數(shù)據(jù)傳輸速率之間的匹配是圖像采集的一個重要問題。如果圖像傳感器的采集頻率大于接口的最大可傳輸數(shù)據(jù)率，會引起緩沖區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)堵塞，造成數(shù)據(jù)混亂，出現(xiàn)無規(guī)律的亂碼。因此，為了保證圖像數(shù)據(jù)傳輸時的完整性和可靠性，接口數(shù)據(jù)的傳輸速率應(yīng)滿足圖像傳感器的采集速率。下面是對本采集系統(tǒng)的傳輸匹配計算。

已知：OV7620 的最大主時鐘頻率27MHz,最大數(shù)據(jù)率13.5MB/S.以O(shè)V7620 默認(rèn)輸出為例：輸出格式VGA,分辨率640×480,幀率15 幀/秒，輸出數(shù)據(jù)格式為16 位彩色數(shù)據(jù)。

一幀圖像的數(shù)據(jù)量： （640 × 480 × 16）/8=614400B=0.586MB.

一秒鐘的最大數(shù)據(jù)量：0.586×15=8.79MB/S.

因為圖像采集中圖像數(shù)據(jù)不是連接不斷的采集，幀與幀之間有場消隱時間，行與行之間也有行消隱時間，所以13.5MB/S> 8.79MB/S.基于這個采集速率，要實現(xiàn)VGA 圖像15 幀/秒的圖像采集，嵌入式主機與USB 接口速度應(yīng)與圖像傳感器的采集速度相匹配，至少不能小于9MB/S 的速度，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸通道中堵塞，致使數(shù)據(jù)出現(xiàn)混亂。系統(tǒng)采用USB1.0 作為傳輸接口，系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)為9MB/S,USB 傳輸速率大于9MB/S,故采集頻率與傳輸頻率匹配。

3.3 圖像顯示

液晶顯示器LCD 以省電和顯示大量信息等優(yōu)點而成為現(xiàn)代儀器儀表用戶界面的主要發(fā)展方向。本視覺系統(tǒng)采用三菱公司的8.4'彩色TFT-LCD 作為圖像顯示模塊， 液晶屏大小為640 × 480 , 型號：AA084VC03.

系統(tǒng)需要兩種電源供電，分別是5V 和12V.5V電源用于核心板供電，USB 圖像采集模塊由核心板供電，12V 電源給液晶屏供電，這些電壓由單獨的電源模塊提供。整個視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖3 所示。

圖3 視覺系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

4 嵌入式視覺系統(tǒng)軟件設(shè)計

視覺系統(tǒng)軟件組成主要包括操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序，圖像采集和圖像顯示程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理，進程調(diào)度等，為用戶使用開發(fā)板和外部設(shè)備提供最基本的接口程序，管理著開發(fā)板上的資源。

移植Linux2.6.14 內(nèi)核作為嵌入式視覺系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。設(shè)備驅(qū)動程序包括USB 攝像頭驅(qū)動和LCD 液晶屏驅(qū)動，通過在Linux 系統(tǒng)中配置和加載完成。

4.1 圖像采集程序

確定USB 攝像頭被正常驅(qū)動后，下一步就是使用Video4Linux 提供的API 函數(shù)集來編寫圖像采集程序。

具體圖像數(shù)據(jù)的捕獲過程為：打開攝像頭設(shè)備文件、查詢和確認(rèn)設(shè)備性能、設(shè)置圖像的寬和高、設(shè)置色深、建立內(nèi)存映射、讀取圖像數(shù)據(jù)、關(guān)閉設(shè)備。在上述過程中主要考慮如何讀取圖像數(shù)據(jù)，V4L 在內(nèi)核include/linux/videodev.h 文件中定義了一些重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進行圖像采集時，通過對這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作來獲得圖像數(shù)據(jù)。首先需要將顯示設(shè)備的地址映射到系統(tǒng)地址上來，調(diào)用函數(shù)mmap（）。該函數(shù)返回地址就是存放圖像數(shù)據(jù)的地址， 每一幀圖像都偏移固定的長度， 而攝像頭取得圖像會包含若干幀，這樣通過周而復(fù)始的進行就可以將圖像數(shù)據(jù)采集下來。具體過程和涉及到的函數(shù)如下：

打開設(shè)備文件： int device = open （/dev/v4l/video0,O_RDWR）；

內(nèi)存映射：char* memoryMap = （char*）mmap （0,memoryBuffer.size, PROT_READ PROT_WRITE,MAP_SHARED, device, 0）；

圖像數(shù)據(jù)： memoryMap + memory Buffer.offsets[bufferIndex]

4.2 圖像顯示程序

本系統(tǒng)采用直接將數(shù)據(jù)寫入FrameBuffer 中來顯示圖像。FrameBuffer 設(shè)備是運行在Linux 控制臺上的一個優(yōu)秀的圖形接口，幾乎支持所有硬件，提供了統(tǒng)一的API 接口，很好地實現(xiàn)了硬件無關(guān)性。FrameBuffer的設(shè)備節(jié)點是/dev/fb* , 在編譯內(nèi)核時選中FrameBuffer.LCD 顯示程序流程圖如圖4 所示：

圖4 圖像顯示程序流程圖

應(yīng)用程序編寫完之后，用交叉編譯環(huán)境對這個文件進行編譯，沒有錯誤后可生成cam 可執(zhí)行文件。然后把cam 拷貝到根目錄下的bin 文件夾，在主機windows 系統(tǒng)超級終端下輸入命令：

#ln -s /dev/v4l/video0 /dev/video0

# cam 640 480 16 video0

就可以在屏幕上看到采集的圖像了。設(shè)計的嵌入式視覺系統(tǒng)樣機如圖5 所示。

圖5 嵌入式視覺系統(tǒng)樣機。

5 視覺系統(tǒng)性能測試

S3C2410 控制板的I/O 口資源有限，因此，對圖像采集的控制信號線采用普通I/O 口，而不是用中斷I/O 口與其攝像頭模塊相連，因此只能用軟件實時檢測I/O 的電平狀態(tài)，決定何時采集開始，何時讀數(shù)據(jù)，何時結(jié)束。為了采集到圖像數(shù)據(jù)并能分辨出來，必須能夠跟蹤控制信號的變化狀態(tài)。

由于I/O 口的電平的變化頻率遠低于攝像頭控制信號的變化頻率，如果不對攝像頭模塊進行降頻處理，這將導(dǎo)致I/O 口無法跟蹤控制信號變化，即將無法判斷幀、行、點何時開始與結(jié)束等狀態(tài)信息。當(dāng)攝像頭的最高頻率（點象素頻率最高）降到1MHZ 左右，系統(tǒng)就能跟蹤并完整的采集到圖像信息，進一步處理之后完好的顯示出來。圖6 是示波器對幀、行、點信號及Y0 信號的波形圖。

圖6 信號波形圖。

從上圖可以看出，系統(tǒng)的控制信號非常完整和穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)毛刺、變形等情況，給檢測讀取帶來了好處。Y0 的波形圖有些段是低電平，出現(xiàn)的位置不一樣，是因為攝像頭移動時，環(huán)境光發(fā)生了變化，引起整個Y 數(shù)據(jù)變化。

表1 采集到的實驗數(shù)據(jù)（示波器采用x10 檔）。

把示波器調(diào)整到x10 檔，在不同情況下，多次采集YSYN 信號、HREF 信號、PCLK 信號的峰-峰值、平均值、周期、頻率等數(shù)據(jù)，從Y0~Y7 中選擇Y0信號進行觀察。從數(shù)據(jù)中可以看出各信號的峰-峰值變化幅度不大，尤其是信號的頻率比較穩(wěn)定。Y0 數(shù)據(jù)信號很規(guī)整，那么其他數(shù)據(jù)信號如Y1~Y7 也是如此。

多次實驗數(shù)據(jù)如下表1 所示。

測試硬件性能穩(wěn)定之后，在Linux 系統(tǒng)下把圖像采集、圖像顯示和保存圖像命令寫成一個腳本，放在文件系統(tǒng)etc/init.d 目錄下。重新把文件系統(tǒng)下載到開發(fā)板里，當(dāng)開機啟動后，系統(tǒng)會自動執(zhí)行圖像采集、顯示和保存。

6 結(jié)論

本文主要基于S3C2410 開發(fā)板和Linux 操作系統(tǒng)設(shè)計了嵌入式視覺系統(tǒng)。該視覺系統(tǒng)不僅可以較好地實現(xiàn)圖像采集和顯示，還可實現(xiàn)圖像存儲、網(wǎng)絡(luò)獲取圖像等功能，并且可以在該基礎(chǔ)上研究圖像處理等算法。與基于PC 組合的視覺系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)簡單，體積和重量減小，功耗低，可移植性強、功能擴展方便，成本顯著降低，所以對這種嵌入式視覺系統(tǒng)研究具有相當(dāng)重要的實用價值。