采用FPGA和CMOS數(shù)字傳感器實現(xiàn)圖像監(jiān)測系統(tǒng)的設計

作者：廖高華，朱杰斌，劉青

圖像監(jiān)測在許多領域有著廣泛的應用，目前已經(jīng)安裝上的圖像監(jiān)測系統(tǒng)大約60%沿用早期的攝像頭加電視和錄像帶，并采用有線模擬視頻傳輸技術構成。這種方案存在圖像質(zhì)量低、錄像帶不易保管、資源容易刪改、錄像機磁鼓壽命短、需專人看管換帶、數(shù)據(jù)的存儲量大、查詢?nèi)∽C檢索和圖像壓縮后期處理困難等難點。另一方面，有線模擬視頻監(jiān)測存在無線聯(lián)網(wǎng)、只能以點對點的方式監(jiān)視現(xiàn)場、布線工程量極大、對距離十分敏感、不能為遠程實時監(jiān)測和中心聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測提供可擴展性等技術性缺陷。本文提出一種采用FPGA和CMOS數(shù)字傳感器實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集、利用單片機進行圖像鑒別和壓縮、通過以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱D像監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了圖像信號數(shù)據(jù)采集，而且數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性高；不僅靈活性好、成本低，而且具有網(wǎng)絡化、智能化等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

整個圖象監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S架構，由本地服務器和多臺智能圖像采集前端組成分布式網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)。本地服務器和圖像采集前端在實現(xiàn)時使用的是自成局域網(wǎng)的方案，采用UDP傳輸協(xié)議和分時輪循管理模式?？蛻舳瞬杉瘮?shù)據(jù)，本地服務器處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。本地服務器之間通過廣域網(wǎng)連接，采用FTP傳輸協(xié)議。系統(tǒng)網(wǎng)絡連接如圖1所示。

嵌入式CPU對采集來的數(shù)據(jù)進行識別處理，并將有效的圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)卡控制器發(fā)送到本地服務器，本地服務器進行圖像處理或顯示，并向各個終端發(fā)送控制信息。同時，本地服務器還決定是否處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到廣域網(wǎng)上。

2 圖像采集傳輸系統(tǒng)

圖像采集傳輸系統(tǒng)前端采集圖像信號，并將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由CPU將這些圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上傳到服務器，以供服務器進行圖像處理或顯示等。同時，服務器也通過網(wǎng)絡同圖像采集前端發(fā)送控制信號、顯示信息，向終端查詢設備狀態(tài)、設備信息以及發(fā)布網(wǎng)絡的輔助協(xié)議數(shù)據(jù)包等。圖像采集傳輸系統(tǒng)包括圖像采集存儲模塊、輸入輸出模塊、電源設計模塊、通信模塊、紅外檢測和有效圖像識別模塊以及其它的附屬單元。

2．1 圖像采集存儲模塊

系統(tǒng)的圖像傳感器選擇的是CMOS型高分辨率、高速率彩色圖像傳感器OV7620。如果用CPU直接從CMOS芯片中采集數(shù)據(jù)，CPU的速度跟不上，存在著高速外設與低速CPU之間不匹配的問題，因此用FPGA實現(xiàn)圖像傳感器和CPU之間的速度匹配，如圖2所示。FPGA內(nèi)部可以分為內(nèi)存分配、產(chǎn)生SRAM的讀寫時序和地址、為網(wǎng)卡和CMOS提供主頻、鍵盤擴展、產(chǎn)生LCD的控制時序等幾部分以及其它附屬模塊。

FPGA根據(jù)CPU的讀寫信號和CMOS的輸出信號產(chǎn)生緩存的讀寫時序和地址信號。當一幀圖像采集完成時，F(xiàn)PGA向CPU發(fā)出一個申請信號，表示緩存里面有一幀數(shù)據(jù)可以進行讀取。如果CPU不應答，表示這幀數(shù)據(jù)可以丟棄。這時FPGA重新根據(jù)CMOS圖像傳感器的輸出信號向緩存輸送一幀數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。如果CPU給出應答信號，F(xiàn)PGA停止向緩存輸送數(shù)據(jù)，等待CPU發(fā)送讀信號。當CPU發(fā)出讀信號時，F(xiàn)PGA把CPU的讀信號轉(zhuǎn)化為內(nèi)存的讀信號。即FPGA首先根據(jù)CMOS的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為內(nèi)存的讀信號。

2．2 人機界面設計

鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，鍵的功能定義分為數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵為0～9，系統(tǒng)的功能鍵主要有CLR（清除鍵）、OK（確認鍵）、MENU（主菜單鍵）、上翻鍵、下翻鍵、查年系統(tǒng)IP地址鍵。液晶顯示器選用信利公司的產(chǎn)品，其分辨率為128×32點陣。人機界面接口如圖3所示。

圖3人機界面接口

2．3 紅外檢測和圖像識別模塊

紅外檢測和有效圖像識別模塊的作用是減輕網(wǎng)絡的負載，使在實際網(wǎng)絡中傳輸?shù)娜魏芜B續(xù)兩幀圖像數(shù)據(jù)不會重復。采用嵌入式CPU進行圖像的模式識別，判斷連續(xù)兩幀圖像是否有變化。其電路如圖4所示。

2．4 RS422通信模塊

為了使圖像采集前端和其它設備能夠進行網(wǎng)際互聯(lián)，系統(tǒng)掛接了一套全雙工總線式RS422串口通訊模式接口電路，滿足了傳輸速率不太高、傳輸距離遠的要求。在實際傳輸中系統(tǒng)選用的波特率為19200，多機通訊模式，一幀數(shù)據(jù)長度為11位。

3 嵌入式系統(tǒng)

以太網(wǎng)控制器DM9008F的數(shù)據(jù)總線是與系統(tǒng)CPU的數(shù)據(jù)總線直接相連的，通過紅外檢測的方式判斷圖像是否有效。為了提高圖像數(shù)據(jù)的導入速度，系統(tǒng)使用的圖像數(shù)據(jù)由高速緩存直接導入DM9008F的環(huán)行緩沖區(qū)。圖像數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU，CPU只產(chǎn)生UDP數(shù)據(jù)報的報文格式信息：報頭、目的地址、本機地址等。這種模式的優(yōu)點是節(jié)省了CPU的時間，同時使數(shù)據(jù)流向顯得簡單明了。如果通過算法判斷圖像是否有效，CPU必須實時計算當前幀的圖像并判斷其是否和前幾幀圖像的變化程度一致，這時CPU應產(chǎn)生UDP數(shù)據(jù)報的所有數(shù)據(jù)。這樣雖然提高了判斷圖像是否有變化的準確率，但浪費了CPU的時間。采用FPGA來產(chǎn)生地址總線的低五位是為了選擇網(wǎng)卡內(nèi)部的工作寄存器。其框圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括單片機應用軟件、服務器管理軟件以及它們之間的通訊協(xié)議。單片機軟件采用C51和匯編語言聯(lián)合編寫的方式，由主程序、鍵盤掃描程序、配置CMOS參數(shù)子程序、網(wǎng)卡讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)包處理模塊、數(shù)據(jù)包發(fā)送模塊等組成。單片機主程序流程圖如圖6所示。單片機的嵌入式軟件主要包括網(wǎng)卡控制器TCP/IP軟件的實現(xiàn)、鍵盤識別、液晶驅(qū)動的編寫、對圖像的讀寫和計算處理、配置CMOS參數(shù)、RS422串行通訊軟件的編寫以及與服務器之間協(xié)議的實現(xiàn)等部分。

服務器軟件主要讀取圖像數(shù)據(jù)和下發(fā)掃描指令及控制信息。為了調(diào)試方便，服務器管理軟件采用Delphi編寫。Delphi 4.0以上的版本都支持兩種組件，即ClientSocket和ServerSocket，這是對Winsocket進行細分的結果。它們分別作為客戶端和服務器端的組件。通過這兩種組件之間的通信。再加上輔助的應用程序代碼，就可以實現(xiàn)通信。

智能化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化圖像監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)是國內(nèi)外發(fā)展的趨勢。實驗證明：該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)等大容量信息的網(wǎng)絡傳統(tǒng)遞。而且也完成了上位機對終端的控制、信息獲取及圖像采集前端對上位機的數(shù)據(jù)上傳、信息回復等一套完整靈活的雙向通訊協(xié)議的實現(xiàn)。在圖像采集的設計中，利用FPGA技術較好地解決了高速外設與低速CPU之間不匹配的問題，使圖像采集可以在8位嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)。圖像采集傳輸系統(tǒng)采用了一種高速數(shù)據(jù)傳輸方式——以太網(wǎng)，使系統(tǒng)的傳輸速率高且穩(wěn)定可靠。紅外檢測和有效圖像識別模式優(yōu)先圖像，減輕了網(wǎng)絡傳輸?shù)呢摵桑拐紫到y(tǒng)傳輸效率更高。

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