基于S12單片機(jī)的循跡小車視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)在國內(nèi)順利舉行兩年。隨著智能車速度的提高，越來越多的參賽隊(duì)開始采用攝像頭作為道路辨識(shí)的主要傳感器，而如何使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像信號(hào)采集，并識(shí)別賽道路徑是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。目前圖像采集與處理技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但多數(shù)基于圖像的控制系統(tǒng)都采用了DSP等高速處理器，并不適合智能車競賽所規(guī)定使用的單片機(jī)平臺(tái)。本文利用CMOS圖像傳感器的可編程特性，設(shè)計(jì)了適用于中低速單片機(jī)的基于FIFO的數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)，用MC9S12DG128單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集和控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、通用性強(qiáng)，可方便地移植到各種類型的處理器。

1 主要芯片

    MC9S12DG128是Freescale公司出品的16位單片機(jī)，其采用增強(qiáng)型16位HCS12 CPU，內(nèi)部總線時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8KB RAM、128KB Flash、2KB EEPROM、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、SCI、IIC、SPI串行通訊模塊、PWM模塊以及多路CAN總線模塊等。同時(shí)它支持Freescale特有的背景調(diào)試模式（BDM），可以進(jìn)行在系統(tǒng)調(diào)試，使開發(fā)效率大大提高。

    OV7620[1]是美國OmniVision公司出品的彩色/黑白CMOS圖像傳感器。這是一種自帶圖像敏感陣列和A/D轉(zhuǎn)換元件、能直接提供8/16位CCIR601、CCIR656等格式視頻數(shù)字信號(hào)的彩色／黑白圖像傳感器，圖像輸出最高速度可達(dá)60S/s，最大圖像分辨率為644×492，5V供電；它具有自動(dòng)增益、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、邊緣增強(qiáng)、伽瑪校正等控制功能；可以通過I 2 C總線進(jìn)行設(shè)置；同時(shí)OV7620具有圖像開窗輸出的功能，即允許用戶可根據(jù)實(shí)際使用需要設(shè)置其內(nèi)部寄存器，使其只輸出完整圖像中的任意一矩形區(qū)域內(nèi)的信號(hào)，其范圍從4×2到644×492。這種功能從硬件上屏蔽了圖像中不需要的部分，只保留用戶需要的部分圖像，大大減少了圖像的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的效率。

    FIFO存儲(chǔ)器沒有地址線，按照先入先出的順序進(jìn)行順序讀寫，因此是接口電路十分簡潔，讀寫速度快，允許讀寫動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。IDT7205是IDT公司生產(chǎn)的高速、低功耗異步FIFO，容量為8 192×9bit，存取時(shí)間最小只有12ns，有空、半滿、滿三個(gè)標(biāo)志位，最大功耗660mW，工作電壓+5V；D0～D8為數(shù)據(jù)輸入總線，Q0～Q8為數(shù)據(jù)輸出總線，為讀寫控制端，分別在信號(hào)下降沿鎖存、輸出數(shù)據(jù)，是FIFO寫滿標(biāo)志位，此外，IDT公司還提供256B～64KB不同容量的FIFO可供選擇。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    由于所使用的MC9S12DG128單片機(jī)的頻率較低，最高只有25MHz，而攝像頭的圖像輸出速率一般至少有13.5MHz(以30萬像素為例)，每個(gè)像素的信號(hào)保持時(shí)間不到75ns，若使用單片機(jī)直接采集圖像傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，則會(huì)受到其時(shí)鐘頻率的影響，難以將信號(hào)完整地采集進(jìn)系統(tǒng)。

    因此本系統(tǒng)使用FIFO芯片IDT7205作為圖像傳感器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)緩存，通過設(shè)計(jì)一定的邏輯電路，使圖像傳感器自動(dòng)地將圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO，同時(shí)MCU開始從FIFO讀出數(shù)據(jù)。圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 攝像頭同步信號(hào)分析

    OV7620的同步信號(hào)時(shí)序如下：垂直同步信號(hào)VSYN為兩個(gè)正脈沖之間掃描一幀的定時(shí)，即完整的一幀圖像在兩個(gè)正脈沖之間；水平同步信號(hào)HREF掃描該幀圖像中各行像素的定時(shí)，即高電平時(shí)為掃描一行像素的有效時(shí)間；像素同步信號(hào)PCLK為讀取有效像素值提供同步信號(hào)，高電平時(shí)輸出有效圖像數(shù)據(jù)，若當(dāng)前圖像窗口大小為320×240，則在VSYN兩個(gè)正脈沖之間有240個(gè)HREF的正脈沖，即240行；在每個(gè)HREF正脈沖期間有320個(gè)PCLK正脈沖，即每行320個(gè)像素。這就是VSYN、HREF、PCLK三個(gè)同步信號(hào)之間的關(guān)系[2]。OV7620同步信號(hào)時(shí)序如圖2所示。

2.2 數(shù)字圖像信號(hào)的采集

    為了將圖像傳感器輸出的圖像信號(hào)自動(dòng)地存入FIFO，只需要通過一個(gè)“與非門”就能產(chǎn)生符合FIFO要求的寫時(shí)鐘脈沖，如圖3所示。將幀同步信號(hào)VSYN引入單片機(jī)輸入口，復(fù)位后V_EN置0，“與非門”關(guān)閉，輸出1。當(dāng)單片機(jī)檢測到VSYN上跳后，V_EN輸出1，打開“與非門”。當(dāng)攝像頭輸出有效像素時(shí)，HREF為高，PCLK高電平時(shí)像素?cái)?shù)據(jù)有效，三者“與非”后輸出為0，使信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)下跳，觸發(fā)FIFO鎖存OV7620輸出的圖像數(shù)據(jù)。

經(jīng)過圖3電路處理后的系統(tǒng)時(shí)序如圖4所示。寫信號(hào)已符合腳的時(shí)序要求，經(jīng)實(shí)際使用，功能正常。

 當(dāng)一幀圖像寫入FIFO后，單片機(jī)根據(jù)時(shí)序要求在FIFO的腳上產(chǎn)生相應(yīng)脈沖，即可從FIFO中讀出圖像數(shù)據(jù)，按照一定格式存入內(nèi)存，進(jìn)行后續(xù)處理。圖5為采集得到的黑線圖像。

3 單片機(jī)圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)化

    雖然單片機(jī)通過一定的硬件結(jié)構(gòu)等可以實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)的采集，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，其進(jìn)行大數(shù)據(jù)量運(yùn)算的能力有限，進(jìn)行圖像處理速度較慢。通過以下方法進(jìn)行優(yōu)化，可以使單片機(jī)進(jìn)行一些簡單的圖像處理和實(shí)時(shí)控制任務(wù)。

3.1 減小圖像數(shù)據(jù)量

    CMOS圖像傳感器具有圖像開窗輸出（Windowing）的功能，通過設(shè)置其內(nèi)部相應(yīng)寄存器，可以使CMOS只輸出特定區(qū)域內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。如設(shè)置CMOS使其只輸出畫面中用戶所關(guān)心部分的圖像信號(hào)，圖像數(shù)據(jù)量則可大大減少，同時(shí)也減輕了后期進(jìn)行圖像處理的難度，提高了系統(tǒng)的性能。

    在要求圖像精度不高的情況下，為了進(jìn)一步降低圖像數(shù)據(jù)量、減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，可以采取隔行、隔像素采集的方法，即在PCLK和HREF信號(hào)上加入計(jì)數(shù)電路，每隔N行和M個(gè)像素采集一次，這樣在保證圖像可用的情況下數(shù)據(jù)量可減小為原來的1/(N×M)。

3.2 FIFO異步讀寫圖像數(shù)據(jù)

    IDT7205具有兩套獨(dú)立的讀寫指針，可以同時(shí)進(jìn)行讀和寫操作而互不干擾。當(dāng)圖像輸出速度比單片機(jī)讀入速度快許多時(shí)，為了提高采集效率，可以讓圖像讀寫同時(shí)進(jìn)行，即當(dāng)新的一幀圖像開始寫入FIFO后，單片機(jī)就開始讀取圖像數(shù)據(jù)，讀寫同時(shí)進(jìn)行，以減少單片機(jī)等待數(shù)據(jù)寫入FIFO完成的空閑時(shí)間。

3.3 優(yōu)化程序算法

    單片機(jī)并不適合完成復(fù)雜的圖像處理算法，如卷積等運(yùn)算。因此在編寫圖像處理算法時(shí)應(yīng)根據(jù)單片機(jī)特性，盡量避免使用浮點(diǎn)運(yùn)算，要簡化算式，或者可以犧牲一定精度來換取時(shí)間。以圖像分割的大津算法(OTSU)為例，該算法遍歷0～255個(gè)灰度值，以找出一個(gè)最小的灰度u，使得到的g最小。

    OTSU原始算式：g=Wa×(u0-u)2+Wb×(u1-u)2

    OTSU改進(jìn)算式：g=Wa×Wb×(u0-u1)2

    使用原始算式和改進(jìn)的等效算式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，每次迭代中改進(jìn)算式比原始算式少進(jìn)行2個(gè)乘法運(yùn)算，其速度約提高1/3。

    本文提出的基于FIFO和單片機(jī)的圖像處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)十分簡潔，成本低廉，可移植性強(qiáng)。雖然單片機(jī)并不十分適合于大數(shù)據(jù)量的圖像處理任務(wù)，但通過優(yōu)化和精度與性能的折中，可以完成一些簡單的基于圖像的處理任務(wù)，并具有一定的實(shí)時(shí)性。本文介紹的采集系統(tǒng)被用在基于CMOS的智能循跡小車上，使用一片MC9S12DG128單片機(jī)運(yùn)行于24MHz的總線時(shí)鐘并配合IDT7205、OV7620圖像傳感器實(shí)現(xiàn)了圖像采集、處理和小車控制，取得了良好的效果。