基于FPGA的機器人視覺系統(tǒng)模塊的設(shè)計

一、概述

　　視覺技術(shù)是近幾十年來發(fā)展的一門新興技術(shù)。機器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗、目標(biāo)跟蹤、機器人導(dǎo)向等方面的工作，特別是在那些需要重復(fù)、迅速的從圖象中獲取精確信息的場合。盡管在目前硬件和軟件技術(shù)條件下，機器視覺功能還處于初級水平，但其潛在的應(yīng)用價值引起了世界各國的高度重視，發(fā)達(dá)國家如美國、日本、德國、法國等都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，近年來已經(jīng)在機器視覺的某些方面獲得了突破性的進(jìn)展，機器視覺在車輛安全技術(shù)、自動化技術(shù)等應(yīng)用中也越來越顯示出其重要價值。本文根據(jù)最新的CMOS圖像采集芯片設(shè)計了一種通用的視覺系統(tǒng)模塊，經(jīng)過編制不同的圖像處理、模式識別算法程序本模塊可以應(yīng)用到足球機器人，無人車輛等各種場合。

　　二、設(shè)計原理

　　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)包含5個主要芯片：圖像采集芯片OV7620，高速微處理器SH4，大規(guī)?？删幊剃嚵?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA，和串口通訊控制芯片MAX232。FPGA內(nèi)部編程設(shè)立兩個雙口RAM，產(chǎn)生圖像傳感器所需的點頻，行場同步等信號，以及控制雙口RAM的存儲時序。SH4負(fù)責(zé)對OV7620通過I2C進(jìn)行配置，讀取雙口RAM的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并通過串口實現(xiàn)圖像資料的上傳或控制步進(jìn)電機等其他設(shè)備。

　　三、圖像采集模塊

　　系統(tǒng)模塊以CMOS圖像傳感器OV7620為核心，還包括一個聚光鏡頭和其他一些輔助元器件比如27MHZ的晶振，電阻電容等。

　　COMS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了相同COMS技術(shù)，因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個完整的圖像系統(tǒng)(Camera on Chip)。本系統(tǒng)采用的是Ommnvision公司推出的一塊CMOS彩色圖像傳感器OV7620，分辨率為640x480。它能工作在逐行掃描方式下，也能工作在隔行掃描方式下。它不僅能輸出彩色圖像，也可用作黑白圖像傳感器。這塊芯片支持的圖像輸出格式有很多種：1)YCrCb4:2:2 16 bit/8 bit格式；2)ZV端口輸出格式；3)RGB原始數(shù)據(jù)16 bit/8 bit；4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有對比度、亮度、飽和度、白平衡及自動曝光、同步信號位置及極性輸出，幀速率和輸出格式等都可以通過I2C 總線進(jìn)行編程配置片內(nèi)寄存器控制。

　　聚光鏡頭選用桑來斯公司生產(chǎn)的DSL103鏡頭。此鏡頭體積小，適合嵌入式視覺傳感器的應(yīng)用場合。

　　四、FPGA接口模塊

　　FPGA采用Xilinx公司的xc2s100，這款芯片內(nèi)部集成了10000個邏輯門。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)書寫。為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，在xc2s100 內(nèi)部分配了2個雙口RAM緩沖區(qū)，其大小為127KB，每個雙口RAM存儲1行的圖像數(shù)據(jù)。兩組雙口RAM進(jìn)行奇偶行計數(shù)器進(jìn)行切換。當(dāng)一行存儲完畢后，立即向SH4傳生一個讀取該行數(shù)據(jù)的中斷的申請信號。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　這里主要問題在于FPGA內(nèi)部的雙口RAM讀寫操作共用同一數(shù)據(jù)總線和地址總線，當(dāng)同時進(jìn)行讀寫操作的時候就會產(chǎn)生時序問題導(dǎo)致寫入或讀出的數(shù)據(jù)錯誤。在這兩個過程中為了防止數(shù)據(jù)和地址總線沖突，在FPGA內(nèi)部設(shè)計了一個中央總線仲裁器。根據(jù)公共數(shù)據(jù)傳輸?shù)南群箜樞?，中央仲裁器先接受圖像傳感器的總線請求，當(dāng)圖像存儲到RAM之中后，中央仲裁器才響應(yīng)單片機系統(tǒng)的讀信號請求。

　　這里給出雙口RAM的構(gòu)造及讀寫控制程序：

Entity dual_port_ram is
　　Generic(d_width:integer:=2;
　　Mem_depth:integer:=8);
　　Port(clk:in STD_LOGIC;
　　CS:in STD_LOGIC;
　　We: in STD_LOGIC;
　　Indata: in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
　　Outdata:out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
　　Raddr,waddr:in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
　　End dual_port_ram ;
　　Architecture data of dual_port_ram is
　　Type mem_type is array(3 downto 0) of
　　STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
　　Signal mem:mem_type;
　　Begin
　　Process(clk,we,waddr)
　　Begin
　　If(rising_edge(clk))then
　　If(we='1')then
　　Mem(conv_integer(waddr))=indata;
　　End if;
　　End process;
　　Process(raddr,clk)
　　Begin
　　If(rising_edge(clk))then
　　If(CS='0')then
　　Outdata=mem(conv_integer(raddr));
　　End if;
　　End if;
　　End process;
　　End data;

　　在MAX Plux II中的波形仿真圖如圖3所示：

　　五、單片機模塊

　　本系統(tǒng)采用SH4芯片作為處理器：SH4單片機是日立公司推出的一款低功耗、高性能，RISC(精簡指令集計算機)結(jié)構(gòu)的全32位單片機。其處理速度可高達(dá)60M IPS一100MIPS，能在2.25v電壓下工作，功耗僅400MW片內(nèi)集成有32位乘法器、4路5KB CACHE、存取器管理單元MMU和其它一些通用接口及時鐘電路等。日立公司為SH4系列單片機提供了c及c++語言集成編譯工具HIM(Hitachi IntegrationManag)。利用它可以將日立C、C++格式的源程序編譯鏈接為匯編程序或目標(biāo)機器碼.

　　圖像傳感器芯片OV7620具有靈活的可編程功能，可通過I2C總線對其進(jìn)行編程來設(shè)置各功能寄存器。由于單片機沒有內(nèi)部硬件I2C總線接口，所以只有采用軟件模擬的方法實現(xiàn)I2C總線接口功能。取作為SH4的兩個I/O引腳作為I2C總線的SCL和SDA總線器件接口，示例程序如下：

　　unsigned char rdiic (unsigned char addr);讀取數(shù)據(jù)
　　void iic_init();初始化
　　void iic_start();起始信號
　　void iic_stop ();結(jié)束信號
　　void delay4u();延時

　　舉例

iic_init();/*初始化總線寄存器*/
　　rstcamera ();/*復(fù)位OV7620內(nèi)部寄存器*/
　　wriic (0x11,0x15); /*設(shè)置OV7620內(nèi)部寄存器0x11 的值為0x15*/
　　delay4ux6();
　　wriic (0x28,0x60); /*設(shè)置OV7620內(nèi)部寄存器0x28 的值為0x60 */
　　delay4ux6();

　　本模塊采用了人類可以識別的ASCII串口通訊協(xié)議從而可以通過上位機方便的和人進(jìn)行交互通信。當(dāng)連接到一臺計算機上，本模塊可通過串口上傳整幅原始圖像數(shù)據(jù)，用來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試或更高級得圖像處理。

　　六、結(jié)束語

　　本文采用大規(guī)模集成電路芯片組成了一個簡潔，低價的圖像采集處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)經(jīng)過編制不同的圖像處理算法程序可以應(yīng)用在足球機器人，農(nóng)產(chǎn)品檢查機器人等不同場合。但其也有些不足，比如SH4處理器，運算速度不夠快，只能運行一些相對簡單的算法，不支持以太網(wǎng)接口等。下一步工作計劃采用雙CPU結(jié)構(gòu)，其中DSP專職處理圖像數(shù)據(jù)，ARM負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，以及對機器人行為的控制等。這樣就可將機器人的“眼睛”通過以太網(wǎng)連接成一個復(fù)雜的協(xié)同處理的視覺系統(tǒng)，以適應(yīng)更為復(fù)雜的場景的需要。

　　參考文獻(xiàn)

1、OV7620 single-chip CMOS CIF color digital camera Data Sheet. OmmVision,2001
　　2、王紅軍。機器視覺－現(xiàn)代工業(yè)的眼睛。機電一體化。1999.3
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　　4、李振玉。圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)。 北京：中國鐵道出版社，2001