第三届飞思卡尔智能汽车竞赛摄像头信号处理电路技术报告Word格式文档下载.docx
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缺点:
1)、信号同步处理困难;
2)、数据线太多,增加车体重量;
3)、数字摄像头方案占用的I/O数量太多;
4)、摄像头的处理周期较长(40ms),系统控制的纯延时较大;
1
1.1
1.2
1.3摄像头信号处理电路的目的
1.3
1.3.1对摄像头输出的同步信号进行分频处理,在降低分辨率、减少数据量;
1.3.2对摄像头数据进行硬件阈值分割,提取有效信息点;
1.3.3对同步信号进行累加计算,将有效点的坐标存入存储器中;
1.3.4提供给单片机一个方便的接口,用于控制摄像头及信号;
2核心器件参数
2
2.1S12单片机参数概况
freescaleMC9S12DG128B的16位单片机,
最高时钟频率:
24MHz,可简单超频到40MHz;
最快I/O口频率:
约500KHz;
I/O口:
约64个;
PWM:
8个,输出4路16位PWM;
定时器:
8个;
ADC:
16路10位模数转换(2个单独ADC);
2.2OV5017数字式摄像头(dm4088模块)概况
图像速度:
50帧/s---0.5帧/s(即:
20ms/帧----500ms/帧);
图像大小:
(最大)384*288,可开窗调节大小;
感光能力:
最小0.5勒克斯(光圈:
1.4,速度:
50帧/s);
一般配置为:
50帧/s不开窗、自动光圈(存在不抗反光的严重BUG);
3摄像头信号处理电路设计思想与方案
3.1设计思想
由上面的两个主要元件的性能和比赛的实际要求可知:
图像的分辨率越高、处理速度越快越有利于比赛。
摄像头最快速率为50帧/s,最大分辨率为384*288,为了方便单片机的处理使横纵坐标极值都在255以内(也就是8位以内,单片机I/O口在8位以内操作比较容易),故将分辨率压缩一半到192*144。
但是在50帧/s、192*144的情况下,摄像头每秒输出的信号量为50*192*144=1350Kbyte,由单片机的测试结果表明,单片机I/O口的极速读速率仅有500Kbyte/s(单片机时钟频率24MHz),即使单片机超频到40MHz使用,单片机I/O口的极速读速率也仅有833Kbyte/s,而且还不加上片内的坐标累计、阈值比较和图像分析,可见仅用单片机直接和摄像头相连然后直接处理图像是不能让人满意的。
但是根据比赛要求的特性我们知道,赛道及外围均为白色的底面,仅有中心引导线为黑色,也就是说摄像头的图像中只有黑色和白色,且白色底面宽度大于60cm,黑色引导线宽度为2.5cm。
不考虑图像的畸变,留一定余量,图像中的黑色部分不超过10%,如果我们能够将黑色部分交给单片机处理,则数据量会大幅减少到135Kbyte/s以下,这样单片机才有可能完成任务。
于是我们考虑在摄像头和单片机之间加入一些必要的硬件电路,让硬件帮单片机做一部分的任务,将黑色部分提取后再交给单片机,但是如果仅是将黑色点的灰度值传给单片机是没有用的,因为单片机实际上最需要的是黑色点的坐标,这样就需要在摄像头信号处理电路中就需要完成坐标累计、阈值分割两个任务,最后将黑色点的坐标存进缓存中,单片机再根据定义好的接口和时序读取缓存里的初步处理后的数据进行再精细的处理。
3.2设计方案与元件选择
1)像素、行、帧同步信号分频部分
因为分辨率我们选择的是192*144,及隔点记录和隔行记录,所以我们必须对行同步信号和像素同步信号进行分频处理。
因为在一帧的20ms内仅能完成信号的预处理然后放入缓存,且实验发现缓存不能一边读一边写,故在单片机读缓存中前一帧数据时不能处理并存储现有帧数据,故摄像头的图像处理为隔帧处理,帧同步信号也需要分频。
由学习和经验我们知道使用D触发器和一些必要的门电路可以实现。
(特别注意:
分频后的同步信号由于经过了一些逻辑器件后产生了时延,其实已经不同步了,这时需要将处理后的不同步的信号再同步,且去掉这中间产生的毛刺,这里面的电路比较复杂,后面会详细介绍)。
2)摄像头数据阈值比较部分
因为我们要提取黑色点,且关注的是黑色点的坐标,所以需要将摄像头的数据线输出的8位灰度值进行硬件比较后的出结果(黑色点或者白色点),并且将黑点信号引到写缓存端,控制缓存的写入。
由于是数字式摄像头所以我们使用8位数字比较器可以较容易解决该问题。
3)摄像头信号坐标计算部分
通过处理后的同步信号作为时钟和控制信号,利用数字累加器进行计数及可得到此时对应信号的横纵坐标值。
4)摄像头数据坐标存储部分
同步信号、阈值比较信号作为控制信号,控制坐标计算结果写入缓存。
因为一般存储器需要地址线的操作,为了简化电路,故选择自身能够进行地址管理的FIFO存储器。
5)与摄像头、单片机接口和人机交互部分
根据摄像头的输出信号的定义,和单片机资源的分配定义进行接口设计,人机交互部分方便及时观察摄像头信号处理电路的工作情况,并对其特性进行简单的调整。
加入必要的LED(显示)和拨码开关(调整分频比和阈值)。
3.3摄像头信号处理部分系统结构图
4各部分电路原理图与功能详解
4.1像素、行、帧同步信号分频电路
1)像素同步信号—PCLK
1)频率:
7MHz
2)像素同步信号与处理(分频)说明
PCLK:
Pixelclockoutput.Defaultedtobeacontinuousclock.Canbeprogrammedviatheinternalregistertobeonduringthevalidpixelwindowonly.Videodataatoutputbus(D0-D7)isupdatedwiththerisingedgeofPCLKandisguaranteedtobevalidatthefallingedgeofPCLK.
像素同步信号一直存在,摄像头数据总线上的数据是在像素同步信号的上升沿更新,下降沿锁存,如果是普通的二分频则会造成锁存信号的下降沿和下一个周期的上升沿靠的太近,这样可能会造成读出的摄像头输出数据混乱,由于像素同步信号的特殊性,所以对其不能是简单的二分频,而是要在二分频的同时保持其上升沿的下降沿的位置不变,也就是说处理后的信号在正频宽上保持与原始一个周期的正频宽相同。
3)原始信号与需要得到信号的仿真波形
4)
电路原理图
5)电路测试波形
原始像素同步信号(7MHz)处理后的像素同步信号(3.5MHz)
6)主要使用的元件:
74HC125:
四缓冲器/驱动器(三态输出)
74HC74:
双上升沿D触发器
74HC04:
六反相器
74HC11:
三3输入正与门
2)行同步信号—HREF
15.6KHz
2)行同步信号与处理(分频)说明
HREF:
Horizontaltimingreferenceoutput.Assertedhighduringeveryvalidlineforthedurationofthevalidwindowwidth.Thewindowsizingfunctionaffectsthenumberofvalidlinesinaframeaswellasthenumberofvalidpixelsinaline.HREFandstatus
(1),areidenticalvalidpixeltiminginformation.
行同步信号为高时为有效,每一行末尾行同步信号置低,就是行消隐区,行同步信号在每一帧的末尾行同步信号也为低(时间较长,后面附图说明),因为每行的分辨率对图像质量和处理的影响较大,而每列的分辨率对图像质量和处理的影响不大,故在后面的处理中可能会进一步降低列的分辨率,为了留出这个可调的功能,故对行同步信号不是进行单纯的二分频,而是进行可调分频比的分频,因为行数最多才288,行数虽然不特别重要但是至少也得有30行以上,故分频比在16以下,用74HC161加上必要的逻辑电路和拨码开关即可达到要求。
3)原始信号与需要得到信号的仿真波形(以二分频为例)
原始行同步信号(15.6KHz)处理后的行同步信号(7.8KHz)
每帧结束后的行同步信号消隐区
6)主要使用的元件
74HC20:
双4输入正与非门
74HC161:
4位计算器
拨码开关:
4位
0805电阻:
10KΩ
3)帧同步信号—VSYNC
50Hz
2)帧同步信号与处理(分频)说明
VSYNC:
Verticaltimingreferenceoutput.Itishighonceperframeforthedurationoftheverticalsyncperiod.VSYNCandstatus
(2)areidenticalverticalsynctiminginformation.
帧同步信号为低有效,在一帧结束的消隐区时置高。
由于我们采用的是一帧时间预处理和存储,一帧时间读取和精细处理,所以得对帧同步信号进行二分频。
由学习和经验我们知道用D触发器和一些必要的逻辑电路可以实现信号二分频,但是由于帧同步信号的频率较低(最快50Hz,与像素同步信号7MHz和行同步信号15.6KHz相比较低),而帧同步信号引出时又和像素同步信号挨得很近,在排线较长(2m左右)时,帧同步信号会受到像素同步信号和行同步信号的干扰,使单纯用D触发器分频的信号非常的混乱,所以在进行二分频之前需要对受干扰的帧同步信号进行整形。
整形方案我们选择用反相器构建阈值可调的施密特反相器,滤除杂波。
帧同步信号整形电路原理图
帧同步信号二分频电路原理图
整形后的帧同步信号(50Hz)二分频后的帧同步信号(25Hz)
三3输入正与门
电阻:
进口精密可调电阻:
5.1KΩ
4.2摄像头数据阈值比较部分
1)摄像头数据阈值比较原理说明
因为摄像头输出为8位数字信号,故选择数字比较器。
因为我们只关心某像素是否是设置中认为的黑点,而并不关心其灰度值(黑的程度),所以我们只需要数字比较器的逻辑比较结果(某像素是黑点或者某像素不是黑点),像素灰度值则不再引入电路中。
对于阈值设置,为了方便前期的软件设置和后期及比赛现场的硬件设置,所以设计了两套阈值设置方案,由于里面需要共用数字比较器的另一排数据线,为了使两种信号不相互干扰,必须在电路中加入必要的缓冲器和锁存器。
具体方案是,在软件设置阈值方式中加入锁
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