采用圖像傳感器的CPLD視覺系統(tǒng)設(shè)計方法

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，圖像傳感器輸出的同步時序信號的識別需要借助ARM的中斷，而中斷處理時，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，適合對采集速度要求不高、功耗低的場合。

方案2借助CPLD來識別圖像傳感器的同步時序信號，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的介入會使系統(tǒng)的功耗提高。

為了綜合以上2種方案的優(yōu)勢，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，具體體現(xiàn)在以下方面：

① 功耗的高低可以控制。對于功耗有嚴(yán)格要求的場合，通過CPLD的可編程性將時序部分的接口與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，利用組合與時序邏輯來實(shí)現(xiàn)圖像傳感器輸出同步信號的識別，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)計上，所有總線均與CPLD相連;在軟件設(shè)計上，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CPLD部分程序進(jìn)行改動，有利于系統(tǒng)的功能升級。

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)和背景顏色對比強(qiáng)烈的情況下對物體進(jìn)行跟蹤。通過對CMOS攝像頭采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，根據(jù)物體的顏色計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集成在一個板卡上，有獨(dú)立的17 MHz晶振。輸出3個圖像同步的時序信號：像素時鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時，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)計上，有2個問題需要解決：

① 圖像采集的嚴(yán)格時序同步;

② 雙CPU共享SRAM的總線仲裁。

解決第一個問題的關(guān)鍵在于如何實(shí)時、準(zhǔn)確地讀取OV6620的時序輸出信號，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)時序信號的識別以及圖像數(shù)據(jù)的寫入。CPLD在硬件上可以識別信號的邊沿，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，即在同一時刻有且僅有一個控制器(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，在對功耗有嚴(yán)格要求的場合中，只需要在CPLD中，將OV6620的同步時序信號所對應(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]。而對于采集速度要求較高的場合，CPLD部分的程序源代碼見本刊網(wǎng)站

圖2 OV6620輸出時序圖

在Verilog語言中，對上升沿的檢測是通過always語句來實(shí)現(xiàn)的。例如檢測時鐘信號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，可以計算出更多關(guān)于跟蹤物體的信息：

① 計算區(qū)域面積。計算每條線段的長度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 計算質(zhì)心橫坐標(biāo)。

③ 計算質(zhì)心縱坐標(biāo)。

④ 識別物體的形狀。根據(jù)得到的每行跟蹤點(diǎn)的長度，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。特別是在檢測平面上線條時，可以識別是否有分支，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建議：

① 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，一個好的建議是用static標(biāo)識函數(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)個數(shù)≤4時，通過R0~R3傳遞;參數(shù)個數(shù)>4時，通過壓棧方式傳遞(需要額外的指令和慢速的存儲器操作)。通常限制參數(shù)的個數(shù)，使它為4或更少。如果不可避免，則把常用的前4個參數(shù)放在R0~R3中。

③ 在for(), while() do…while()的循環(huán)中，用“減到0”代替“加到某個值”。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,除法通常用一個運(yùn)行庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行需要很多個周期。一些除法操作在編譯時作為特例來處理，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。如果這個值的模不是2的n次冪，則將花費(fèi)大量的時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;

⑤ 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。

⑥ 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)計上，圖像采集和圖像處理分離，更利于系統(tǒng)功能的升級。而視覺處理算法更注重處理的效率和實(shí)時性，同時根據(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)用于移動機(jī)器人等領(lǐng)域。