基于Xscale嵌入式二维图像测量系统应用.docx
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基于Xscale嵌入式二维图像测量系统应用
嵌入式系统结课设计(论文)
基于Xscale嵌入式二维图像测量系统应用
摘要
为了在生产过程中实现对被测工件尺寸和其它参数精确、快速和可靠测量,设计了一种嵌入式二维图像测量系统;介绍了其硬件电路原理及实现、二维图像测量原理、图像处理算法和应用程序开发;对系统电路的重要单元模块进行了详细的分析和阐述;实验测试表明系统工作正常,测量精度可达0.07mm,适合塑钢门窗等PVC异型材检测的工业现场应用。
关键词:
PxA255处理器CCD
ABSTRACT
Forprecisearldreal—timemeasurementof、vorkpiec如sizeandotherparametersinmaJlufacturirlgprocess,anembedded2一Dimagemeasurersystemisdesigned.Thesystemhardwaredesign,2一Din诅gemeasuringtheory,imageprocesSirlgalgorithmandso“waredevdopmentareintroducedImportantfunctionu血tsofthesystemcircuitaredescribedandexpounded.ThetestresultindicatesthatthesystemworksnomlallyandtheprecisioncouldacheveO.07m札ItissuitableforapplicationinthemallufactureofPVC(polyvinylchloride)d00rsandwindows.
Keywords:
PXA255CCD
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1嵌入式系统1
1.2嵌入式系统的分类2
1.3嵌入式系统的应用领域4
2二维图像测量系统设计5
2.1系统结构5
2.2二维图像测量原理及算法5
2.3系统的硬件电路设计6
2.3系统软件设计9
结论11
参考文献12
1绪论
嵌入式智能仪器具有体积小、重量轻、便于使用和维护等优点,在社会生活和生产等领域中得到广泛应用。
近年来,随着建筑行业的快速发展,我国进入塑钢门窗等异型材生产大国。
传统的手工测量方法速度慢、精度差等弊端进一步显现,满足不了工业现场实时检测的需要。
而目前的PC式机器视觉测量系统虽然可以达到理想的精度和速度,以及复杂的系统功能,但体积大,结构复杂,可靠性差,不利于工业现场使用。
基于上述考虑,本文详细介绍了一种低功耗、功能强大、使用方便的嵌入式二维图像测量系统。
该系统采用可在400MHz频率下工作的PxA255高性能微处理器,并提供丰富的外设接口,如串口、网络接口、IIC总线接口、红外接口和USB接口等[1]。
具有在系统硬件电路不变的条件下,可方便地接外部设备进行系统功能扩展的优点。
可实现软件的快速、模块化开发,并将大大降低软件成本,缩短研发周期,提高系统的安全性[2]。
1.1嵌入式系统
这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面:
一是芯片技术的发展,使得单个芯片具有更强的处理能力,而且使集成多种接口已经成为可能,众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面.另一方面的原因就是应用的需要,由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高,使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出,成为近年来令人关注的焦点.
1.1.1嵌入式系统的特点
从上面的定义,我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征:
1.系统内核小.由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多.比如Enea公司的OSE分布式系统,内核只有5K,而Windows的内核?
简直没有可比性.
2.专用性强.嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植,即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改.同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念.
3.系统精简.嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全.
4.高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求.而且软件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性.
5.嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统.嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS(Real-TimeOperatingSystem)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量.
6.嵌入式系统开发需要开发工具和环境.由于其本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等.开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行.
1.2嵌入式系统的分类
根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类:
◆嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit,MPU)
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的.它的特征是具有32位
1系统结构与原理分上的处理器,具有较高的性能,当然其价格也相应较高.但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求.和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点.目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等.
其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器,属于中档的价位.
◆嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)
嵌入式微控制器的典型代表是单片机,从70年代末单片机出现到今天,虽然已经经过了20多年的历史,但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用.单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设.和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高.微控制器是目前嵌入式系统工业的主流.微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称微控制器.
◆嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)
DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度.在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用.
DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现.MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求,其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域.随着大规模集成电路技术发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片.其运算速度比MPU快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用.至80年代中期,随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础.到80年代后期,DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面.90年代后,DSP发展到了第五代产品,集成度更高,使用范围也更加广阔.
◆嵌入式片上系统(SystemOnChip)
SoC追求产品系统最大包容的集成器件,是目前嵌入式应用领域的热门话题之一.SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块.而且SOC具有极高的综合性,在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言,实现一个复杂的系统.用户不需要再像传统的系统设计一样,绘制庞大复杂的电路板,一点点的连接焊制,只需要使用精确的语言,综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准,然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂析
商进行生产.由于绝大部分系统构件都是在系统内部,整个系统就特别简洁,不仅减小了系统的体积和功耗,而且提高了系统的可靠性,提高了设计生产效率.
从软件方面划分,主要可以依据操作系统的类型.目前嵌入式系统的软件主要有两大类:
实时系统和分时系统.其中实时系统又分为两类:
硬实时系统和软实时系统.
实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的,可以严格的按时序执行功能.其最大的特征就是程序的执行具有确定性.在实时系统中,如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务,会导致系统的全面失败,则系统被称为硬实时系统.而在软实时系统中,虽然响应时间同样重要,但是超时却不会导致致命错误.一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片,而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理.比如WindowsCE就是一个多任务分时系统,而Ucos-II则是典型的实时操作系统.
当然,除了上述分类之外,还有许多其他分类方法,比如从应用方面分为工业应用和消费电子等,在这里就不一一累述了.
1.3嵌入式系统的应用领域
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:
1.工业控制:
基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中,网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统.就传统的工业控制产品而言,低端型采用的往往是8位单片机.但是随着技术的发展,32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心,在未来几年内必将获得长足的发展.
2.交通管理:
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用,内嵌GPS模块,GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用.目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元,就可以随时随地找到你的位置.
3.信息家电:
这将称为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间.即使你不在家里,也可以通过电话线、网络进行远程控制.在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地.
4.家庭智能管理系统:
水、电、煤气表的远程自动抄表,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查,并实现更高,更准确和更安全的性能.目前在服务领域,如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势.
5.POS网络及电子商务:
公共交通无接触智能卡(ContactlessSmartcard,CSC)发行系统,公共电话卡
发行系统,自动售货机,各种智能ATM终端将全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下.
6.环境工程与自然:
水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测.在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测.
7.机器人:
嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用.
2二维图像测量系统设计
2.1系统结构
该二维图像测量系统主要由被测工件、光学成像系统、CCD图像传感器、信号处理电路、PxA255微处理器和LCD显示器组成,CCD图像传感器把带有边缘位置信息和尺寸信息的光学信号变为数字信号,经图像处理电路送入PXA255微处理器处理。
处理结果及图像通过LCD液晶显示屏本地显示或通过网络和串口等发送给客户端。
系统总体结构如图1所示。
图1系统结构框图
2.2二维图像测量原理及算法
图像处理的数据是数字信号,得出的边缘位置信息是以像素为单位来表示的,如果要得到工件的实际尺寸,必须建立数字图像素与实际尺寸的对应关系,本方案首先采用一个具有精确尺寸的标定块对系统进行标定,得出数学图像素与实际尺寸的对应关系。
在图像中找出被测工件中的壁厚和弧度等被测对象。
进而得出被测工件的实际尺寸,图像处理流程如图2所示。
图2图像处理流程图
2.3系统的硬件电路设计
本系统采用标准6层PCB电路板结构。
系统主要硬件资源有PXA255处理器,64MBSDRAM,64MBF1ash,LCD,CPLD以及网络等。
硬件电路系统如图3所示。
图3硬件电路系统框图
PXA255处理器是Intel公司生产的一种低功耗、高性能的基于XScale微构架的嵌入式处理器。
XScale微架构处理器采用V5TE内核,具有如下特点:
采用7级超级流水线;支持多媒体处理技术,整合了特定DsP协处理器CPO;中断控制器和总线控制器;32K数据缓存和32K指令缓存;存储器管理单元MMU;动态电源管理等。
PxA255为32位存储器总线;主频400MHz;典型功耗400mw。
外部可接SDRAM、Flash和PcMcIA等设备。
片上还有很多外设接口,包括3个UART异步串行接口,1个USB从口,1个IIC总线接口,一个LCD接口等(具体可见PxA255手册)。
很多接口可通过设置内部寄存器来复用为GPl0端口或中断源。
另外,PxA255还提供一个JTAG调试接口,可以方便的实现电路板硬件调试和系统软件调试[3]。
这里由于PxA255处理器内核工作电压为1.3V,外设为3.3V。
所以外部器件全部选择可在3.3V电压下工作的低功耗器件来保证系统的低功耗和器件间的电平兼容。
2.3.1复位电路
复位对于一个系统非常重要,系统中各个单元要进入正常工作状态,需要可靠的复位。
嵌入式系统的复位电路应具有上电复位和手动复位功能,并且应当具有很好的抗噪声干扰性能。
在本设计中,通过采用MAxIM公司的微处理器专用复位芯片MAx823TEUK可以很好的满足系统要求。
MAx823TEUK在3.3V电压下工作,具有系统上电复位及手动复位的功能。
当VCC达到3.08V的阈值200ms后,nRESET引脚由高电平变为低电平,引起系统复位;当按S1复位按键时,同样在200ms后引起系统复位。
其工作电流仅为6肛A,可以很好地满足设计中低功耗的要求。
电阻R,。
起到上拉的作用,防止电路中的干扰引起系统的误复位。
图4复位电路图
2.3.2电源电路
电源设计是本系统的重点也是难点之一。
很多系统不稳定的因素或故障都是由于电源方面的设计而造成的。
电源由5V电压输入,经两级电压调整得到系统各部分所需电压。
一级降压采用Linear公司的LTl086一CM3P3低压差线性电压源(LDO)调整输出3.3V电压,为整个系统供电。
电容C56,C59滤掉电源的工频噪声,C54提高LTl086的稳定性和瞬时响应。
电阻R;。
调试系统电源时使用。
二级降压采用Linear公司的LTC3404高效率、大功率开关电源把3.3V电压调整为1.24V电压输出,为PXA255微处理器内核供电。
这里不能简单的采用LD0从3.3V电源处获得1.2V电压,那样的效率只有1.2/3.3—36%,而采用LTC3404开关电源,则效率可以达到91%。
这里的LTC3404输出电压计算公式如下:
VCC—CORE—o.8×(1+R138/R137)一1.24V。
但开关电源的开关频率会给系统带来干扰,纹波也比较难控制,这里采用电容C69,C94和C95;等器件改善系统性能,最后得到稳定的1.24V电压。
图5电源电路
2.3.3网络接口电路
该部分电路在系统中实现重要功能。
通过网络接口,系统读取CCD图像传感器采集的被测工件图像,并与其它客户端实现数据共享。
采用CirrusLogic公司生产的CS8900A芯片,内部集成了在片RAM、10BASE—T收发滤波器,并且提供8位和16位两种接口。
CS8900A所需的复位信号与MAx823TEUK产生的复位信号逻辑相反,这里利用一片CPLDXCR95144来产生非门功能使其反相输出,实现CS8900A的复位。
CS8900A采用16位10读写模式,基地址为300h,地址线除了SA1,SA2,SA3外部接地。
AEN、nIOW和nIOR引脚分别接到PXA225的相应管脚new、nOE和nCS2上。
偏置电阻R为4.99千欧姆,误差1%的精密电阻,用于为芯片内部模拟电路提供偏压。
U12是脉冲变压器,在CS8900的前端对网络信号进行脉冲波形变换。
J9为10M标准以太网接口RJ45插槽。
2.3.4存储器及其它外围电路
系统内存采用64M字节SDRAM。
由2片16位的三星K4S561632c芯片(每片32MB)组成32位接口。
这里SDRAM通过设置CPU内部的MDCNFG(SDRAM配置寄存器)等寄存器来实现SDRAM工作频率和总线位数等参数的设置。
最后可实现在100MHz频率下对SDRAM进行32位读写。
系统采用64M字节NORFlash。
由4片16位的IntelE28F128芯片(每片16MB)组成32位接口。
系统采用Xilinx的xCR95144CPLD来实现系统硬件的逻辑控制。
最后由一块800×600分辨率的LCD提供用户图形接口。
2.3.5系统工作原理
系统上电后首先由MAX823TEUK复位芯片来产生复位信号,使CPU、网络芯片等设备复位。
CPU根据BOOT_SEL[0,1,2]引脚的电平状态来决定CPU所接的外部FLASH的工作方式。
之后CPU指针跳转到0XOO地址来执行第一条指令,这里0X00地址位于FLASH中。
接着进一步执行FLASH中的U—BOOT程序完成对系统硬件,如SDRAM、串口等设备的初始化。
2.3系统软件设计
本系统采用Linux操作系统,利用U—B00T实现系统的引导。
采用KDevelop集成开发环境来开发应用程序。
系统工作时首先读入CCD图像传感器拍摄到的1024×768分辨率的PVC朔钢门窗断面图像,通过网络把图像传给本系统,经过对图像取边缘,计算后得出被测对象具体结果。
之后送LCD显示或通过网络、串口等通讯端口实现与其它设备的数据通讯。
实现上述功能的程序如图6所示。
图6系统程序框图
结论
本检测系统可实现对朔钢门窗壁厚和弧度等参数的精确、可靠测量,在测量截面积尺寸为120mm×120mm的工件时,精度可达到0.07mm,完全满足设计要求。
在系统硬件电路和操作系统不变的情况下,该系统只需要改变应用程序和算法就可以用于印章识别,车牌识别等相关的非接触测量领域,具有广阔的应用前景[4]。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2004.
[4]张宏林.visualc++数字图像模式识别技术及工程实践[M].北京:
人民邮电出版社,2003.
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