基于單片機(jī)和VNC1L-1A芯片實(shí)現(xiàn)圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：劉威，李莉，陳海燕，王法秀，王瑩

圖像采集技術(shù)隨著科技的不斷進(jìn)步在全球的應(yīng)用已越來越廣泛，如軍用工業(yè)、醫(yī)療、電子等各領(lǐng)域。在國內(nèi)，各行各業(yè)對采用圖像采集技術(shù)的工業(yè)自動化、智能化需求也廣泛出現(xiàn)，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，比如，制藥行業(yè)的藥品檢測分裝、印刷業(yè)的印刷色彩檢測、PCB板的表面質(zhì)量檢測、LCD屏的質(zhì)量檢測等。所以，以圖像采集功能為核心，開發(fā)一款適合工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用且功能齊全、操作方便的圖像采集系統(tǒng)會給用戶帶來很大的實(shí)惠。

目前圖像采集方面已有很多且很完善的方案，本文設(shè)計(jì)選擇了利用FPGA進(jìn)行圖像采集的方案，設(shè)計(jì)了一套圖像采集系統(tǒng)。與普通應(yīng)用于工業(yè)方面的圖像采集系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)添加了存儲功能，并對傳統(tǒng)的控制操作的方式進(jìn)行了改進(jìn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如下：圖像通過VGA接口用顯示器顯示，顯示速率可達(dá)25 f／s；系統(tǒng)可以將在顯示器上看到的當(dāng)前圖像以位圖的格式存儲到優(yōu)盤或其他USB設(shè)備中，并可以對存儲的圖像進(jìn)行回顯；用遙控器代替了按鍵的控制方式，可以在幾米范圍內(nèi)用遙控器調(diào)節(jié)曝光、增益、十字線、存圖和讀圖等所有功能，操作靈活方便。系統(tǒng)用美光公司的130萬像素MT9T001作為圖像傳感器；Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208來完成圖像采集和顯示功能的控制，在實(shí)時瀏覽圖像時，它從MT9T001中采集出Bayer陣列的黑白圖像數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)用插值算法轉(zhuǎn)換成24位RGB數(shù)據(jù)，由于采集圖像的速度為40 MHz，而VGA顯示的速度只有25 MHz，所以FPGA將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)放到SDRAM中緩存一下再送給驅(qū)動VGA顯示的ADV7125芯片；ADV7125為ADI公司的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，將數(shù)字真彩色圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以用VGA接口傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬視頻信號；用Atmel公司的ATmega 8L芯片來完成遙控器的解碼、讀寫USB設(shè)備的控制以及位圖格式的創(chuàng)建等；用集成了文件系統(tǒng)的FTDI的VNC1L-1A芯片作為與USB設(shè)備通信的接口芯片，單片機(jī)加一片接口芯片完成USB的Host功能，省去了對文件系統(tǒng)的處理，節(jié)約了軟件的開發(fā)時間。將這款帶存儲功能和遙控控制方式的圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域，做成產(chǎn)品，作為工業(yè)眾多工業(yè)相機(jī)中的一種。圖1是其總體設(shè)計(jì)框圖。

2 存儲模塊設(shè)計(jì)

目前存儲數(shù)據(jù)的方式有很多種，如硬盤、FLASH、光盤等，其中容易攜帶且使用方便的應(yīng)是移動硬盤、優(yōu)盤、SD卡，這幾種方式都可以通過USB口來傳輸數(shù)據(jù)（SD卡或CF等可借助相應(yīng)的讀卡器再通過USB口傳輸數(shù)據(jù)），可見USB總線的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，USB總線的即插即用、速度快、可以自供電等優(yōu)點(diǎn)也的確是其他設(shè)備所不能比的。所以系統(tǒng)的存儲部分設(shè)計(jì)成USB設(shè)備，USB設(shè)備分為USB主（Host）設(shè)備和USB從（Device）設(shè)備，USB從設(shè)備只能被動地由主設(shè)備寫入或讀出數(shù)據(jù)，不符合本系統(tǒng)的要求。所以選擇了USBHost設(shè)備，只要將優(yōu)盤等USB從設(shè)備插到系統(tǒng)的USB口上，就可以將當(dāng)前要存儲的圖片存儲到U盤等存儲設(shè)備中。

USB Host設(shè)備的典型例子是PC機(jī)，這種Host功能是在操作系統(tǒng)下完成的，所以現(xiàn)在市面上可以移植操作系統(tǒng)的微控制器芯片大多都集成了USB Host功能，像三星和飛利浦的ARM芯片、君正公司開發(fā)的MIPS核芯片JZ4740等。這種采用帶操作系統(tǒng)的方案對有一定經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員來說開發(fā)起來比較容易，但對生手來說需要一定的熟悉過程。只為了實(shí)現(xiàn)USB Host功能就選擇用操作系統(tǒng)的方式完成整個系統(tǒng)的控制是沒有必要的，這樣做不僅浪費(fèi)資源，而且會增加底層驅(qū)動的開發(fā)時間。所以本設(shè)計(jì)選擇了比較簡單的方式，只用一片單片機(jī)和一個USB接口芯片來完成USB Host功能。這樣只要會用單片機(jī)的開發(fā)人員都可以做USBHost設(shè)備。市場上USB從設(shè)備的接口芯片有飛利浦的PDIUSBDl2和ISPl581等，但USB Host接口芯片則比較少。經(jīng)試驗(yàn)，最終確定VNClL-1A這款芯片作為USB Host控制器。

2．1 USB Host控制器

VNClL-1A芯片在FTDI公司Vinculum系列中第一個嵌入了USB主控制器，不僅能處理USB Host接口和數(shù)據(jù)，還內(nèi)置了MCU和FLASH，而且也封裝了USB Device類。它集成了12～48 MHz的時鐘倍頻器，支持上電復(fù)位功能，嵌入了64 KB FLASH ROM，4 KB SRAM，擁有FTDI提供的標(biāo)準(zhǔn)的USB固件庫，支持USB 2．O的全速（12 Mb／s）和低速（1．5 Mb／s）速率。28個GPIO可以做通用I／O和命令監(jiān)測接口，具有2對USB總線接口，可以用串口或者磁盤方式對其燒寫程序。當(dāng)芯片作為主設(shè)備要與優(yōu)盤等從設(shè)備通信時，它可以處理FAT文件系統(tǒng)，支持FATl2，F(xiàn)ATl6，F(xiàn)AT32格式，文件命名方式為傳統(tǒng)的8．3格式，即文件名不超過8個字符，擴(kuò)展名為3個字符，如文件名可以為text．txt。在執(zhí)行具體的操作時只需要向VNClL發(fā)送一個簡單的命令就能完成像新建文件夾、新建文件、讀文件、寫文件、打開關(guān)閉文件等功能。比如要在優(yōu)盤中創(chuàng)建一個hello．-txt文件，可以用字符方式向VNClL逐一寫入“OPW+空格+hello．txt+回車”的字符，就可以在優(yōu)盤中看見一個hello．txt的文件，或者用十六進(jìn)制代碼的方式發(fā)送“09 20 file OD”，其中file為hello．txt各字符的相應(yīng)ASCII碼值。廠家在網(wǎng)站上提供了免費(fèi)的目標(biāo)代碼，用戶可以根據(jù)不同的需求下載不同的目標(biāo)代碼，在本設(shè)計(jì)中，選擇用一個USB口作USBHost功能的VDAPFUL_V3_65．ROM目標(biāo)代碼，并設(shè)計(jì)成串口方式將目標(biāo)代碼燒錄到芯片中。所以用戶不用關(guān)心VNClL內(nèi)部程序是怎么執(zhí)行的，只關(guān)心需要它完成USB主設(shè)備還是從設(shè)備還是其他功能，去找相應(yīng)的目標(biāo)代碼就可以了，燒錄完程序的VNCIL芯片就相當(dāng)于一顆接口芯片，只要接口連接正確，時序操作正確需要的功能就會正常運(yùn)行。VNC-lL擁有專門的UART，SPI和并口引腳，所以對它進(jìn)行控制時可以選用三種接口中的任意一種，如果想看一下操作命令的返回值，可以用串口方式連接到PC機(jī)上，在PC機(jī)上用串口調(diào)試助手向VNClL發(fā)送相應(yīng)的命令后，會看到對應(yīng)的返回值情況。

2．2 存儲過程的實(shí)現(xiàn)

位圖圖像在計(jì)算機(jī)中使用很廣泛，例如在Windows中，記事本、寫字板中的文字就是用位圖圖像表示出來的。許多以其他格式存儲的圖像，就是在位圖圖像的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化處理后得到的，例如JPEG圖像等。在數(shù)字圖像處理中，許多算法就是針對24位真彩色位圖或灰度位圖設(shè)計(jì)的。因此，將采集的圖像以位圖的格式存儲便于后期對圖像的處理。位圖的存儲格式分為24位真彩色格式和灰度位圖格式，24位真彩色格式比灰度位圖格式大2／3，因?yàn)榛叶葓D像是用一個字節(jié)表示一個像素，而24位真彩色位圖是用三個字節(jié)表示一個像素，所以本設(shè)計(jì)用灰度位圖格式存儲圖像。

當(dāng)要存儲一幀圖像時，ATmega8L向VNClL發(fā)送新建文件命令，在存儲設(shè)備中就會新建一個．BMP文件，然后ATmega8L再將位圖的14 B的文件頭、40 B的信息頭、1 024 B的顏色索引表寫入．BMP文件的開始部分，寫完后ATmega8L給FPGA一個ready信號，F(xiàn)PGA收到此信號后直接將圖像數(shù)據(jù)通過VNC1L送到存儲設(shè)備的．BMP文件中；FPGA送完一幀圖像數(shù)據(jù)后再給ATmega8L一個結(jié)束信號，之后ATmega8L執(zhí)行關(guān)閉當(dāng)前文件命令，至此一個BMP圖存儲結(jié)束。本設(shè)計(jì)希望此系統(tǒng)采集的所有圖像在存儲設(shè)備中用單獨(dú)的文件夾存儲，這樣每次在新插入存儲設(shè)備時ATmega8L要先向VNC1L發(fā)送一個查詢命令，查詢當(dāng)前根目錄中是否已存在本系統(tǒng)專用的文件夾，如果沒有則新建此文件夾，有則在此文件夾中查詢是否已經(jīng)有．BMP文件，如果沒有則新建，并且文件名以數(shù)字編號O開始命名，如果有則要查詢當(dāng)前哪個文件名的編號最大，然后以最大編號數(shù)加一的方式作為要新建文件的文件名。當(dāng)要從存儲設(shè)備中讀取一幅圖像時，ATmega8L同樣要執(zhí)行查詢文件夾和文件是否存在的命令，如果都存在則從文件名編號最大的那張圖片開始讀取。讀取過程與寫過程類似，只是用的命令不同，而且讀的時候要等VNC1L將位圖的1078B的文件信息讀完后才能將圖像數(shù)據(jù)傳給FPGA。VNC1L與FPGA和ATmega8L用并口的方式進(jìn)行通信，只需8條數(shù)據(jù)線和4根信號線即可完成數(shù)據(jù)傳輸，接口連接如圖2所示。

3 遙控功能設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)的電子產(chǎn)品采用的控制方式都是開關(guān)式按鍵或觸摸的方式，如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等，工業(yè)用的設(shè)備也是如此。本文所述的控制方式采用了無線的遙控方式，這種遙控方式在電視機(jī)領(lǐng)域已應(yīng)用多年，技術(shù)已經(jīng)很成熟，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。由于選用的遙控器適用于36～40 kHz載波頻率的紅外接收器，所以設(shè)計(jì)中選用了36 kHz紅外接收器，ATmega 8L接收紅外接收器的信號，從中解析出遙控器上各個按鍵的碼值，并會轉(zhuǎn)去執(zhí)行遙控器上相應(yīng)按鍵上的功能。遙控器上設(shè)計(jì)了21個按鍵，代表了此系統(tǒng)擁有的所有功能，分別為：

圖像存儲功能 按下存儲鍵就可以將當(dāng)前看到的畫面存儲到存儲設(shè)備中；

圖像預(yù)覽即讀圖功能 將存儲在存儲設(shè)備中的圖片重新讀出，在顯示器上顯示，預(yù)覽圖片時可以在當(dāng)前圖片的基礎(chǔ)上，上翻或下翻即可循環(huán)瀏覽已存儲的所有圖片；

紅、綠、藍(lán)增益及曝光值的調(diào)節(jié)功能 可以對這4個參數(shù)進(jìn)行增大和減小的控制；

雙十字線的控制和調(diào)節(jié)功能 當(dāng)想要十字線功能時只要按一下十字線按鍵就會在當(dāng)前實(shí)時顯示的畫面上看到兩條十字交叉的線，十字線的位置可以根據(jù)用戶的需要任意移動，當(dāng)需要雙十字線時需要兩個控制十字線的按鍵都按下，使用雙十字線可以圈定整幅畫面上重點(diǎn)觀察的范圍；

圖像凍結(jié)功能 當(dāng)凍結(jié)鍵按下時顯示器上的整個畫面凍結(jié)，此時不能進(jìn)行存圖、讀圖或其他任何操作；

當(dāng)前參數(shù)值保存功能 此鍵按下后會對當(dāng)前的增益、曝光、十字線位置等參數(shù)的當(dāng)前值存儲到ATmega8L的E2PROM中，這樣在下次啟動系統(tǒng)時，系統(tǒng)會將E2PROM保存的各參數(shù)值一一讀出；

復(fù)位初始參數(shù)值功能 如果用戶不小心將某一參數(shù)值調(diào)亂了，可以按下此鍵來恢復(fù)系統(tǒng)最原始的參數(shù)值。

4 結(jié)語

本文所述的圖像采集系統(tǒng)中存儲方案的選擇和設(shè)計(jì)對于數(shù)據(jù)量稍大又不是很復(fù)雜的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒作用，而且將遙控器技術(shù)作為系統(tǒng)控制操作的方式，讓人耳目一新，此圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，操作方便且實(shí)惠新穎。

責(zé)任編輯：gt