基于S12單片機的循跡小車視覺系統(tǒng)設計與優(yōu)化

全國大學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，越來越多的參賽隊開始采用攝像頭作為道路辨識的主要傳感器，而如何使用單片機進行數(shù)字圖像信號采集，并識別賽道路徑是該系統(tǒng)的設計重點。目前圖像采集與處理技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，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)定使用的單片機平臺。本文利用CMOS圖像傳感器的可編程特性，設計了適用于中低速單片機的基于FIFO的數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)，用MC9S12DG128單片機進行實時圖像采集和控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、通用性強，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，其采用增強型16位HCS12 CPU，內(nèi)部總線時鐘最高可達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。同時它支持Freescale特有的背景調(diào)試模式（BDM），可以進行在系統(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)字信號的彩色／黑白圖像傳感器，圖像輸出最高速度可達60S/s，最大圖像分辨率為644×492，5V供電；它具有自動增益、自動曝光、自動白平衡、邊緣增強、伽瑪校正等控制功能；可以通過I 2 C總線進行設置；同時OV7620具有圖像開窗輸出的功能，即允許用戶可根據(jù)實際使用需要設置其內(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，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存儲器沒有地址線，按照先入先出的順序進行順序讀寫，因此是接口電路十分簡潔，讀寫速度快，允許讀寫動作同時進行。IDT7205是IDT公司生產(chǎn)的高速、低功耗異步FIFO，容量為8 192×9bit，存取時間最小只有12ns，有空、半滿、滿三個標志位，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，分別在信號下降沿鎖存、輸出數(shù)據(jù)，是FIFO寫滿標志位，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)設計

    由于所使用的MC9S12DG128單片機的頻率較低，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)，每個像素的信號保持時間不到75ns，若使用單片機直接采集圖像傳感器輸出的數(shù)字信號，則會受到其時鐘頻率的影響，難以將信號完整地采集進系統(tǒng)。

    因此本系統(tǒng)使用FIFO芯片IDT7205作為圖像傳感器與單片機之間的數(shù)據(jù)緩存，通過設計一定的邏輯電路，使圖像傳感器自動地將圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO，同時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 攝像頭同步信號分析

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

2.2 數(shù)字圖像信號的采集

    為了將圖像傳感器輸出的圖像信號自動地存入FIFO，只需要通過一個“與非門”就能產(chǎn)生符合FIFO要求的寫時鐘脈沖，如圖3所示。將幀同步信號VSYN引入單片機輸入口，復位后V_EN置0，“與非門”關(guān)閉，輸出1。當單片機檢測到VSYN上跳后，V_EN輸出1，打開“與非門”。當攝像頭輸出有效像素時，HREF為高，PCLK高電平時像素數(shù)據(jù)有效，三者“與非”后輸出為0，使信號產(chǎn)生一個下跳，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)時序如圖4所示。寫信號已符合腳的時序要求，經(jīng)實際使用，功能正常。

 當一幀圖像寫入FIFO后，單片機根據(jù)時序要求在FIFO的腳上產(chǎn)生相應脈沖，即可從FIFO中讀出圖像數(shù)據(jù)，按照一定格式存入內(nèi)存，進行后續(xù)處理。圖5為采集得到的黑線圖像。

3 單片機圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)化

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

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，通過設置其內(nèi)部相應寄存器，可以使CMOS只輸出特定區(qū)域內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。如設置CMOS使其只輸出畫面中用戶所關(guān)心部分的圖像信號，圖像數(shù)據(jù)量則可大大減少，同時也減輕了后期進行圖像處理的難度，提高了系統(tǒng)的性能。

    在要求圖像精度不高的情況下，為了進一步降低圖像數(shù)據(jù)量、減輕單片機負擔，可以采取隔行、隔像素采集的方法，即在PCLK和HREF信號上加入計數(shù)電路，每隔N行和M個像素采集一次，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具有兩套獨立的讀寫指針，可以同時進行讀和寫操作而互不干擾。當圖像輸出速度比單片機讀入速度快許多時，為了提高采集效率，可以讓圖像讀寫同時進行，即當新的一幀圖像開始寫入FIFO后，單片機就開始讀取圖像數(shù)據(jù)，讀寫同時進行，以減少單片機等待數(shù)據(jù)寫入FIFO完成的空閑時間。

3.3 優(yōu)化程序算法

    單片機并不適合完成復雜的圖像處理算法，如卷積等運算。因此在編寫圖像處理算法時應根據(jù)單片機特性，盡量避免使用浮點運算，要簡化算式，或者可以犧牲一定精度來換取時間。以圖像分割的大津算法(OTSU)為例，該算法遍歷0～255個灰度值，以找出一個最小的灰度u，使得到的g最小。

    OTSU原始算式：g=Wa×(u0-u)2+Wb×(u1-u)2

    OTSU改進算式：g=Wa×Wb×(u0-u1)2

    使用原始算式和改進的等效算式進行計算時，每次迭代中改進算式比原始算式少進行2個乘法運算，其速度約提高1/3。

    本文提出的基于FIFO和單片機的圖像處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)十分簡潔，成本低廉，可移植性強。雖然單片機并不十分適合于大數(shù)據(jù)量的圖像處理任務，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，并具有一定的實時性。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單片機運行于24MHz的總線時鐘并配合IDT7205、OV7620圖像傳感器實現(xiàn)了圖像采集、處理和小車控制，取得了良好的效果。