分析嵌入式單片機系統在圖像采集中的運用

郝惠惠,張君君

(1.鄭州理工職業學院，河南鄭州，451150；2.鄭州工業應用技術學院，河南鄭州，451150)

1 圖像采集與處理技術的發展概況

所謂的圖像采集與處理，主要是指人們通過一定的儀器以及觀測手段，對客觀事物的圖像信息進行獲取，運用相應的技術進行處理，使圖像的處理結果能夠幫助人們更好的了解客觀世界。圖像采集與處理技術依舊屬于新興技術領域，在數字技術與微機技術迅猛發展的背景下，給數字圖像處理提供了先進的技術手段。圖像采集與處理技術的應用領域越來越廣泛，主要包括：工業視覺中的工業檢測、探傷、測量以及自動生產流水線方面。空間探測與遙感的地形地質資源調查、預測自然災害、處理氣象衛星云圖等。生物醫學中的細胞分類、染色體分類、CT技術等方面。通信領域的圖像壓縮與傳輸以及圖像的序列處理。辦公自動化中的漢字印刷識別、票據識別等。在傳統的圖像采集與處理系統中，大多以PC機作為處理主機，這種系統結構比較復雜、易受干擾，另外，系統的集成度與保密性也很低。隨著科學技術的快速發展，嵌入式微處理器的圖像采集與處理系統成功研發，這種系統能夠實現實時圖像采集、圖像處理一體化，結構更加緊湊，有效降低成本，提高處理速度，并且安裝方便、配置靈活，具有很大的市場應用前景。

2 數字圖像處理的基本特點

（1）一般情況下，數字圖像處理的信息大多為二維信息，并且信息量很大，例如一幅高分辨率彩色512×512的圖像就要求768kbit的數據量，所以數字圖像處理對計算機的計算速度以及存儲容量的要求比較高。（2）數字圖像處理所占用的頻帶要比語言信息寬的多，在成像、傳輸、存儲、處理等多個環節的技術難度都比較大，成本較高，所以對頻帶壓縮技術提出了更高的要求。（3）在數字圖像中，各個像素的相關性很大，并不獨立，在圖像畫面上會有很多像素有比較接近的灰度，相關系數會達到0.9以上，一般情況下，相鄰兩幀之間的相關性比幀內相關性要大一些，所以，數字圖像處理具有很強的信息壓縮潛力。（4）由于二維圖像畫面不能反映三維景物信息，所以，針對三維景物一定要作合適的假設與測量，通過知識來引導了解三維景物。（5）數字圖像處理之后會給人進行觀察與評價，由于人的視覺系統比較復雜，在不同環境條件、視覺性能、情緒愛好下，會對已經處理的圖像做出不同的評價。

3 嵌入式單片機系統

嵌入式系統在社會各個行業的發展中都能夠創造出極大價值，實質上，嵌入式系統以軟件與硬件為主，其中硬件為平臺的典型，能夠細化到處理器、硬件設備等構件。在我國計算機系統運用中，嵌入式系統是一種比較常見的形式，嵌入式系統大多通過系統移植技術，將微處理器“嵌入”到實際應用系統中來確保系統智能化運行。單片機是一種典型的嵌入式微控制器，嵌入式單片機系統已經在多個領域得到廣泛應用，與普通計算機系統相比，嵌入式單片機系統在系統構成中最重要的部件是單片機系統，在對設備的操作與管理過程中發揮著重要作用。隨著單片機功能的不斷提升，促進了嵌入式單片機系統的發展，嵌入式單片機系統是多種技術有效結合在一起的產物。嵌入式單片機系統的硬件結構比較復雜，主要包括CPU、SDRAM、Flash以及以太網接口等，另外，嵌入式單片機系統的硬件結構還具有充足的資源裝載和運行用戶的應用程序，總體來看，嵌入式單片機具有體積小、低能耗、速度快的優點，同時還可以裝載與運行嵌入式Linux操作系統。

圖1 圖像采集與處理系統構架

圖2 MAX7000系列芯片邏輯時序仿真

4 圖像采集系統硬件結構

圖像采集系統硬件結構主要由圖像傳感器、邏輯時序結構、圖像幀存儲器、嵌入式單片機組成，每一個硬件結構都具有十分重要的作用，其中圖像傳感器在圖像采集系統中發揮著核心作用，其次，嵌入式單片機的作用也不容小覷，嵌入式單片機可以通過12C總線對功能寄存器進行設置，有效對圖像數據的輸出格式、位數、速度等進行控制。嵌入式單片機能夠提高圖像采集效率，節約圖像采集成本，圖像傳感器中的芯片輸出頻率較高，并且圖像輸出速度也比較快，首先通過CPLD將傳感器輸出的圖像存儲到圖像幀儲存器中，然后通過嵌入式單片機系統對圖像數據進行讀取與分析。讀出圖像之后，邏輯時序譯碼器會產生讀信號，由地址發生器結合儲存器的片選、寫信號、速度等來產生同步的地址信號，實現圖像幀儲存器數據總線的讀寫雙向操作目的。

5 基于ARM嵌入式微處理器的圖像采集與處理系統方案制定

完整的圖像處理系統不僅要具備圖像采集功能，而且要求對圖像能夠實時分析與處理，本文分析的嵌入式單片機在圖像采集系統中的應用，以ARM嵌入式微處理器為核心單元，以CPLD作為時序控制單元來構建實驗平臺，系統采用CCD圖像傳感器為圖像輸入設備，A/D轉換芯片、CPLD以及存儲器作為前端采集系統，通過接口將所采集到的圖像傳輸到ARM嵌入式系統中，該系統可以對所采集的圖像特征進行分析并處理，處理結構通過顯示器顯示出來，另外可以直接執行器件發出控制指令，進行相應的操作。系統構架如圖1所示：其中虛線箭頭為控制信號。

由于A/D轉換的數據傳輸頻率與SDRAM的讀寫頻率不相匹配，所以需要添加一FIFO緩存器作為接口，實現數據的緩沖，避免產生數據丟失或頻率差異，該系統的工作流程為：ARM向CPLD發出信號采集指令，由CPLD向CCD驅動芯片發出驅動編碼控制信號，CCD傳感器所采集到的圖像模擬信號通過A/D轉換芯片的數字化處理寫入到FIFO緩存，當FIFO半滿時會提示CPLD讀取FIFO數據并且寫入到SDRAM中，寫滿一幀圖像之后，CPLD內部進行數據切換，使ARM能夠讀取SDRAM中的圖像數據，最后由ARM微處理器對圖像數據進行處理。

該系統的設計目標為：在獲得圖像傳感器收集到的圖像信息之后，經過數字化處理之后，在存儲介質中進行存儲，每次采集的圖像都會進行相應處理，該系統通過高性能微處理器對圖像的結果進行控制，做出判斷之后，最終輸出結果。

6 嵌入式單片機系統的圖像采集時序仿真

對于圖像采集與處理系統來講，能夠正常工作的前提是可以高效準確的獲得所需圖像信息，本次以Altera公司MAX7000系列的epm128s100芯片為例，進行嵌入式單片機系統的圖像采集時序仿真實驗，該芯片可預測性強、速度快，能夠滿足高速圖像采集的需求。仿真結果如圖2所示。

Mcu_clk為單片機系統總線時鐘信號，rst為地址發生器清零信號，mcu_cs為單片機系統片選信號，mcu_read為單片機系統讀信號，mcu_write為單片機系統寫信號，cpld_cs為CPLD片選信號，sram_adr為地址發生器產生的地址信號，sram_cs為圖像幀存儲器片選信號，sram_read為圖像幀存儲器讀信號，sram_write為圖像幀存儲器寫信號，sram_data為圖像幀存儲器圖像輸出數據，mcu_data為嵌入式單片機系統的圖像數據。單片機系統對幀存儲器的數據進行讀取時，與CPLD相連的地址信號、片選信號和讀信號均有效，sram_adr加1，并將地址信號傳送到圖像幀存儲器中，會將圖像幀存儲器的片選信號與讀信號置為有效，這樣一來就會將圖像數據從圖像真存儲器中讀入到單片機系統中。

7 結束語

嵌入式單片機系統逐漸實現了自動化操作，使系統的運行更加準確，促進圖像采集工作的效率提升，為我國社會發展建設做出重要貢獻。為了使嵌入式單片機系統在圖像采集中更好的發揮作用，還需相關研究人員加強對嵌入式單片機系統在圖像采集與處理中的運用進行分析。