采用圖像傳感器的CPLD視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

采用圖像傳感器的CPLD視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

搭建一種低成本的嵌入式視覺系統(tǒng)，系統(tǒng)由CMOS圖像傳感器、CPLD、ARM7微處理器以及SRAM構(gòu)成。其中，CPLD識(shí)別時(shí)序，解決了圖像采集系統(tǒng)存在的嚴(yán)格時(shí)序同步和雙CPU共享一片SRAM的總線競(jìng)爭(zhēng)問題；用Verilog語言編寫Mealy狀態(tài)機(jī)控制圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM，多路數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)總線切換，避免了總線沖突。圖像處理算法注重效率，基于ARM實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)最終工作速率為25幀/s。

關(guān)鍵詞 OV6620 視覺系統(tǒng) CMOS EPM7128 SLPC2214

　　目前，關(guān)于視覺系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，也有開發(fā)出的系統(tǒng)可供參考。但這些系統(tǒng)大多是基于PC機(jī)的，由于算法和硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而使其在小型嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。上述系統(tǒng)將圖像數(shù)據(jù)采集后，視覺處理算法是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。隨著嵌入式微處理器技術(shù)的進(jìn)步，32位ARM處理器系統(tǒng)擁有很高的運(yùn)算速度和很強(qiáng)的信號(hào)處理能力，可以作為視覺系統(tǒng)的處理器，代替PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的視覺處理算法。下面介紹一種基于ARM和CPLD的嵌入式視覺系統(tǒng)，希望能分享嵌入式視覺開發(fā)過程中的一些經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)方案與原理

　　在嵌入式視覺的設(shè)計(jì)中，目前主流的有以下2種方案：

方案1圖像傳感器+微處理器（ARM或DSP）+SRAM
方案2圖像傳感器+CPLD/FPGA+微處理器+SRAM

　　方案1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低。在圖像采集時(shí)，圖像傳感器輸出的同步時(shí)序信號(hào)的識(shí)別需要借助ARM的中斷，而中斷處理時(shí)，微處理器需要完成程序跳轉(zhuǎn)、保存上下文等工作[1]，降低了圖像采集的速度，適合對(duì)采集速度要求不高、功耗低的場(chǎng)合。

　　方案2借助CPLD來識(shí)別圖像傳感器的同步時(shí)序信號(hào)，不必經(jīng)過微處理器的中斷，因而系統(tǒng)的采集速度提高，但CPLD的介入會(huì)使系統(tǒng)的功耗提高。

　　為了綜合以上2種方案的優(yōu)勢(shì)，在硬件上采用“ARM+CPLD+圖像傳感器+SRAM”。該方案充分利用了CPLD的可編程性，通過軟件編程來兼有方案1的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下方面：

　　① 功耗的高低可以控制。對(duì)于功耗有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，通過CPLD的可編程性將時(shí)序部分的接口與ARM的中斷端口相連，僅僅是組合邏輯的總線相連，可以降低CPLD的功耗從而達(dá)到方案1的效果；對(duì)于采集速度要求高而功耗要求不高的情況，可以充分發(fā)揮CPLD的優(yōu)勢(shì)，利用組合與時(shí)序邏輯來實(shí)現(xiàn)圖像傳感器輸出同步信號(hào)的識(shí)別，并將圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中。
　　② 器件的選擇可以多樣。在硬件設(shè)計(jì)上，所有總線均與CPLD相連；在軟件設(shè)計(jì)上，不同的模塊單獨(dú)按功能封裝。這樣以CPLD為中心，系統(tǒng)的其他器件均可更換而無需對(duì)CPLD部分程序進(jìn)行改動(dòng)，有利于系統(tǒng)的功能升級(jí)。

　　作為本系統(tǒng)的一種應(yīng)用，開發(fā)了視覺跟蹤的程序，可以在目標(biāo)和背景顏色對(duì)比強(qiáng)烈的情況下對(duì)物體進(jìn)行跟蹤。通過對(duì)CMOS攝像頭采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據(jù)物體的顏色計(jì)算出被追蹤物體的質(zhì)心坐標(biāo)。下面分別描述系統(tǒng)各部分的功能。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件組成及連接

　　系統(tǒng)的硬件主要有4部分：CMOS圖像傳感器OV6620、可編程器件CPLD、512 KB的SRAM和32位微處理器LPC2214。

　　OV6620是美國(guó)OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應(yīng)用在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中，本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的輸入都是通過OV6620采集進(jìn)來的；可編程器件CPLD采用Altera公司的EPM7128S，用Verilog硬件編程語言在QuartusII下編寫程序；作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖，SRAM選用的是IS61LV5128，其隨機(jī)訪問的特性為圖像處理程序提供了便利；而LPC2214在PLL（鎖相環(huán)）的支持下最高可以運(yùn)行在60 MHz的頻率下，為圖像的快速處理提供了硬件支持。

　　OV6620集成在一個(gè)板卡上，有獨(dú)立的17 MHz晶振。輸出3個(gè)圖像同步的時(shí)序信號(hào)：像素時(shí)鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時(shí)，還可以通過8位或16位的數(shù)據(jù)總線輸出RGB或YCrCb格式的圖像數(shù)據(jù)。

　　在硬件設(shè)計(jì)上，有2個(gè)問題需要解決：

　　① 圖像采集的嚴(yán)格時(shí)序同步；
　?、?雙CPU共享SRAM的總線仲裁。

　　解決第一個(gè)問題的關(guān)鍵在于如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地讀取OV6620的時(shí)序輸出信號(hào)，據(jù)此將圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中。這里采用的解決方案是用CPLD來實(shí)現(xiàn)時(shí)序信號(hào)的識(shí)別以及圖像數(shù)據(jù)的寫入。CPLD在硬件上可以識(shí)別信號(hào)的邊沿，速度更快，通過Verilog語言編寫Mealy狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的SRAM寫入，更加穩(wěn)定。

　　對(duì)于雙CPU共享SRAM，可以通過合理的連接方式來解決。考慮到CPLD的可編程性，將OV6620的數(shù)據(jù)總線，LPC2214的地址、數(shù)據(jù)總線以及SRAM的總線都連接到CPLD上。通過編程來控制總線之間的連接，只要在軟件上保證總線的互斥性，即在同一時(shí)刻有且僅有一個(gè)控制器（CPLD或者LPC2214）來操作SRAM的總線，就可以有效地避免總線沖突。這樣，硬件上的仲裁就可以通過軟件來保證，該過程可以通過在CPLD中編寫多路數(shù)據(jù)選擇器來實(shí)現(xiàn)。

　　各器件之間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　由圖1可見，微處理器的總線接在CPLD上，在對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合中，只需要在CPLD中，將OV6620的同步時(shí)序信號(hào)所對(duì)應(yīng)的引腳與LPC2214連接在CPLD上的中斷引腳相連，系統(tǒng)就可以轉(zhuǎn)換成方案1的形式。對(duì)CPLD而言，引腳相連的僅僅是組合邏輯，降低了功耗。方案1的具體工作過程可見參考文獻(xiàn)[1]。而對(duì)于采集速度要求較高的場(chǎng)合，CPLD部分的程序源代碼見本刊網(wǎng)站
圖2 OV6620輸出時(shí)序圖

　　在Verilog語言中，對(duì)上升沿的檢測(cè)是通過always語句來實(shí)現(xiàn)的。例如檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)cam_pclk的上升沿：
圖3 行處理得到的線形圖

　　根據(jù)得到的結(jié)果，可以計(jì)算出更多關(guān)于跟蹤物體的信息：

① 計(jì)算區(qū)域面積。計(jì)算每條線段的長(zhǎng)度l(n)，然后將l(n)進(jìn)行累積疊加，即可獲得跟蹤區(qū)域面積值S。

② 計(jì)算質(zhì)心橫坐標(biāo)。

③ 計(jì)算質(zhì)心縱坐標(biāo)。

④ 識(shí)別物體的形狀。根據(jù)得到的每行跟蹤點(diǎn)的長(zhǎng)度，以及同一行中有幾段符合要求的連續(xù)跟蹤點(diǎn)，可以得知物體從攝像頭角度看到的形狀。特別是在檢測(cè)平面上線條時(shí)，可以識(shí)別是否有分支，這一點(diǎn)是幀處理模式無法做到的。

　　需要指出的是，行處理模式雖然會(huì)得到關(guān)于跟蹤目標(biāo)的更多信息，但是每行處理的方式增大了處理器的負(fù)擔(dān)，處理速度也沒有幀處理快。

4 提高系統(tǒng)的工作速率

　　目前，系統(tǒng)工作在幀處理模式下的工作速率是25幀/s，作為系統(tǒng)功能的驗(yàn)證，這里采用的算法是顏色跟蹤。如果僅做純粹的圖像采集，而不做圖像處理，那么系統(tǒng)可以達(dá)到OV6620的最高工作速率，即60幀/s。而在圖像處理方面，不同的圖像處理程序效率對(duì)系統(tǒng)的工作頻率有較大的影響。下面給出在通用ARM處理器下提高程序效率的幾個(gè)建議：

　?、?內(nèi)嵌(inline)可通過刪除子函數(shù)調(diào)用的開銷來提高性能。如果函數(shù)在別的模塊中不被調(diào)用，一個(gè)好的建議是用static標(biāo)識(shí)函數(shù)；否則，編譯器將在內(nèi)嵌譯碼里把該函數(shù)編譯成非內(nèi)嵌的。
　　② 在ARM系統(tǒng)中，函數(shù)調(diào)用過程中參數(shù)個(gè)數(shù)≤4時(shí)，通過R0~R3傳遞；參數(shù)個(gè)數(shù)>4時(shí)，通過壓棧方式傳遞(需要額外的指令和慢速的存儲(chǔ)器操作)。通常限制參數(shù)的個(gè)數(shù)，使它為4或更少。如果不可避免，則把常用的前4個(gè)參數(shù)放在R0~R3中。
　?、?在for(), while() do…while()的循環(huán)中，用“減到0”代替“加到某個(gè)值”。比如:

　　for (loop = 1; loop = total; loop++) //ADD和CMP
　　替換為：for (loop = total; loop != 0; loop--) //SUBS

　　第1種方式比較需要2條指令A(yù)DD和CMP，而第2種方式只需一條指令SUBS。

　　④ ARM核不含除法硬件,除法通常用一個(gè)運(yùn)行庫(kù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行需要很多個(gè)周期。一些除法操作在編譯時(shí)作為特例來處理，例如除以2的操作用左移代替余數(shù)的操作符“%”，通常使用模算法。如果這個(gè)值的模不是2的n次冪，則將花費(fèi)大量的時(shí)間和代碼空間避免這種情況的發(fā)生。具體辦法是使用if()作狀態(tài)檢查。

　　比如，count的范圍是0~59：
　　count = (count+1) % 60;
　　用下面語句代替：
　　if (++count >= 60)
　　count = 0;

　?、?避免使用大的局部結(jié)構(gòu)體或數(shù)組，可以考慮用malloc/free代替。
　?、?避免使用遞歸。

結(jié)語

　　本文介紹了一種基于ARM和CPLD的嵌入式視覺系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)顏色跟蹤。在硬件設(shè)計(jì)上，圖像采集和圖像處理分離，更利于系統(tǒng)功能的升級(jí)。而視覺處理算法更注重處理的效率和實(shí)時(shí)性，同時(shí)根據(jù)不同的需要有兩種模式可供選擇。最后給出了提高程序效率的一些建議和方法。與基于PC機(jī)的視覺系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)功耗低、體積小，適合應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人等領(lǐng)域。