摘要：基于FIFO芯片AL422B,以飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12DG128為，采集攝像頭芯片OV7670的圖像信息，設(shè)計出以低速率的單片機(jī)采集高速率圖像的圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)控制FIFO芯片，先由FIFO實時讀取攝像頭芯片的一幅完整圖像信息，再由單片機(jī)以低速率從FIFO的相應(yīng)寄存器讀取該幅圖像，讀取的同時進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，得出所需圖像中點光源的像素距離后通過FIFO進(jìn)行下一幅圖像的采集。本方案通過樣機(jī)實驗，完滿足要求，確保了一副圖像的完整性。

　　引言

　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于圖像采集速度、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間的限制，要完整存儲30 fps、640×480像素大小的一幅圖像是相當(dāng)困難的。本文運用較高性能的16位飛思卡爾單片機(jī)在超高頻的情況下直接采集圖像，也只能采集到每行320個像素，丟失圖像，無法獲得一幅完整的圖像。本文通過在圖像采集過程中增加FIFO芯片AL422B較好地解決了這一問題，相對于采用昂貴的DSP而言，降低了圖像采集系統(tǒng)的成本。

　　1 單目點光源測距原理

　　野外作業(yè)時，需要在運動中知道前方標(biāo)桿和觀察點之間的距離。本文將標(biāo)桿制成等間距紅外點光源標(biāo)桿，滿足了基于單幀靜態(tài)圖像的小孔成像原理測距模型要求，減少了圖像處理量，提高了測量的實時性、全天候性。H為各點光源標(biāo)桿的實際距離；n為點光源個數(shù)，它可以通過圖像處理獲得；f為攝像頭焦距；標(biāo)尺實際像素物理距離h由攝像頭標(biāo)定取得。遠(yuǎn)距離測距原理示意圖如圖1所示，整條點光源標(biāo)桿都在攝像頭視野范圍內(nèi)。近距離測距原理示意圖如圖2所示，點光源標(biāo)桿只有部分在攝像頭范圍內(nèi)。通過圖1,可求出前方標(biāo)桿與觀察點的距離D.攝像機(jī)的成像幾何關(guān)系也可用小孔成像原理來近似表示：

　　2 圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)單目視覺測距的要求，需要通過一黑白攝像頭實時采集前車的點光源標(biāo)桿，通過標(biāo)尺上點光源所在的像素距離推算出前車距離。為了能完整地讀取圖像，本文增加了FIFO芯片，圖像采集原理示意圖如圖3所示。由單片機(jī)監(jiān)測攝像頭的行/場信號，控制FIFO讀取相應(yīng)的圖像；讀完所有行后，關(guān)閉FIFO讀取圖像功能，開始由單片機(jī)從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，根據(jù)圖像處理的復(fù)雜程度，決定圖像處理和圖像采集的時間比。由于FIFO是先入先出，其讀取數(shù)據(jù)時單片機(jī)只需通過中斷使能行/場信號，絕大部分時間單片機(jī)可以用來進(jìn)行圖像處理。本文采取的是采集一幀圖像后，單片機(jī)利用兩幀圖像的空閑時間和下一幀F(xiàn)IFO采集時間，共約3幀時間進(jìn)行圖像處理和控制，其結(jié)果是圖像由原來的30 fps,變成10fps.盡管幀率慢了，但經(jīng)過分析得知，在100 km/h情況下，滯后距離2.8 m,可以滿足要求。

　　2.1 飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12DG128

　　本文采用飛思卡爾1 6位單片機(jī)MC9S12DG128作為主控芯片，該芯片是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增強型、汽車級的16位微控制器，片內(nèi)總線時鐘頻率可達(dá)25 MHz,集成了8 KB的RAM、128KB的Flash、2 KB的EEPROM,集成度高，資源也相當(dāng)豐富。

　　2.2 攝像頭芯片OV7670

　　OV7670是OmniVision公司推出的Camerachiptm圖像傳感器，體積小，工作電壓低。VGA圖像達(dá)到30fps.其主要特性為：

　　◆感光陣列（共有656×488個像素，在YUV的模式中有效像素為640×480個）；

　　◆高靈敏度適合低照度應(yīng)用，對紅外光線敏感；

　　◆標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，兼容I2C總線接口；

　　◆RawRGB、RGB（GRB4:2:2,RGB565/555/444）、YUV（4:2:2）和YCbCr（4:2:2）輸出格式；

　　◆支持VGA、CIF和從CIF到40×30的各種尺寸。

　　2.3 FIFO芯片AL422B

　　AL422B是AverLogic公司推出的一個存儲容量為393 216字節(jié)×8位的FIFO存儲芯片。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成，AL422B內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　AL422B主要特點是：

　　◆AL422B的存儲體為3 Mb（393 21 6字節(jié)×8位）；

　　◆可以存儲VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV等制式一幀圖形的信息；

　　◆獨立的讀寫操作，可以接受不同的I/O速率；

　　◆高速異步串行存取；

　　◆讀寫周期為20 ns;

　　◆存取時間為15 ns;

　　◆內(nèi)部DRAM自刷新。

　　3 圖像采集系統(tǒng)程序設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　要想在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)字圖像的靜態(tài)存儲，必須解決存儲速度和存儲容量兩大問題。對于速度問題，需要對OV7670的數(shù)據(jù)輸出時序進(jìn)行分析，使其滿足要求。VGA時序圖如圖5所示。其中PCLK為像素時鐘，頻率與主頻一致，即27 MHz,上升沿時數(shù)據(jù)輸出有效；VSYNC為場信號；

　　HREF為水平參考信號，當(dāng)像素在窗口有效時為高電平，否則為低電平；HSYNC為行信號；D[7:0]為8位數(shù)據(jù)輸出。

　　AL422B寫操作時序圖如圖6所示，WCK為AL422B的寫入時鐘，周期為1000 ns,為20 ns（對應(yīng)主頻50 MHz）；其上升沿時數(shù)據(jù)寫入，隨著該時鐘輸入其內(nèi)部，寫指針自動增加。可見，AL422B的速度滿足設(shè)計要求。具體操作時，由單片機(jī)的I/O口控制AL422B的寫使能/WE,使其為低電平，使能寫功能，數(shù)據(jù)端DI7~0在WCK上升沿時將數(shù)據(jù)寫入。寫完一副圖像后，由單片機(jī)的I/O口控制寫復(fù)位/WRST,使其為低電平，使能復(fù)位，數(shù)據(jù)寫入地址指針將回到0地址位。

　　AL422B讀操作時序圖如圖7所示。RCK為AL422B的讀出時鐘，周期為1000 ns,為20 ns,當(dāng)/RE和/OE有效時，在其上升沿數(shù)據(jù)有效，隨著該時鐘輸入，其內(nèi)部的讀指針自動增加。當(dāng)單片機(jī)的主頻為25 MHz時，還不能直接給OV7670的系統(tǒng)時鐘XCLK提供時鐘，我們采用外部晶振提供27 MHz的同頻信號給OV7670。

　　圖像采集電路原理圖如圖8所示。OV7670的像素時鐘PCLK直接和AL422B的數(shù)據(jù)讀入時鐘WCK相連，具體操作時，由單片機(jī)的I/O口控制AL 422B的讀使能/RE和輸出數(shù)據(jù)使能/OE,使它們?yōu)榈碗娖剑皇鼓軘?shù)據(jù)讀出功能，數(shù)據(jù)端DO7~0在RCK上升沿時將數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)。讀完一副圖像后，由單片機(jī)的I/O口控制寫復(fù)位/RRST,使其為低電平，使能復(fù)位，數(shù)據(jù)讀出地址指針將回到0地址位。

　　3.2 程序設(shè)計

　　程序設(shè)計流程如圖9所示。當(dāng)單片機(jī)檢測到場信號更新后，開始監(jiān)測行信號到達(dá)，之后使能/WE,開始順序讀取圖像。讀完一幀圖像后關(guān)閉/WE,單片機(jī)使能/RE,開始讀取首行圖像中的640個像素。本文采取邊讀邊處理的方式，較好地解決了一幀圖像多達(dá)3 MB的問題。點光源標(biāo)桿發(fā)出的紅外光線在圖像上呈現(xiàn)出若干個光暈區(qū)域，找到光暈中心就可以找到點光源的圖像坐標(biāo)，為此在讀取的同時將各像素點與閾值進(jìn)行比較，小于閾值的為疑似點光源并記錄對應(yīng)坐標(biāo)；當(dāng)讀取完一行像素時，得到的將是一組疑似點光源坐標(biāo)的像素位置，將其進(jìn)行統(tǒng)計求平均，得出點光源在該行的坐標(biāo)，多12個字節(jié)（正面標(biāo)桿6個，某側(cè)標(biāo)桿6個），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整行640個字節(jié)。

　　當(dāng)讀取完一幀像素時，得到多12×480個字節(jié)，單片機(jī)64 KB的容量完全可以存儲，將行求平均，得出終的點光源坐標(biāo)。經(jīng)驗證，所需總時間在2.15幀圖像內(nèi)完成。

　　結(jié)語

　　文中討論了基于FIFO芯片和單片機(jī)實現(xiàn)的點光源圖像采集系統(tǒng)，描述了單目點光源測距原理、圖像采集系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方法，著重介紹了FIFO芯片在圖像采集中的橋梁作用。通過系統(tǒng)樣機(jī)檢驗，能夠滿足要求，達(dá)到了預(yù)期效果。