基于CMOS摄像头与FPGA的位置检测系统设计

第24卷第5期 2009年10月 液晶与显示 ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays V01．24，No．5 Oct．．2009 文章编号：1007—2780(2009)05—0746—05 基于CMOS摄像头与FPGA的位置检测系统设计 徐正平1’2，葛文奇1，杨守旺1’2，运国勤1’2，赵秀影1’3，王德江1 (1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033，E—mail：xuzp090@163．corn 2．中国科学院研究生院，北京 100039}3．空军航空大学，吉林长春130022) 摘要：提出采用CMOS数字摄像头采集并提取黑色胶条位置来控制冷却转鼓速度的方 法。系统以FPGA作为核心控制器，采用两片SRAM进行乒乓操作，FPGA根据CMOS摄 像头输出的同步信号，将采集到的图像信息存储到一片sRAM中，同时读取另一片SRAM 中的图像数据并进行图像处理，黑色胶条位置检测采用简单的灰度阈值二值化方法。给出了 部分采集图像及仿真结果。采集图像显示，CMOS摄像头成像质量满足工程 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。仿真结 果表明，系统实现了SRAM的乒乓操作，并完成了黑色胶条位景检测。系统与冷却鼓连接， 实际运行可靠。 关键词：CMOS数字摄像头；位置检测；现场可编程逻辑器件；OV6620 中图分类号：TP212．9 文献标识码：A 1 引 言 密封胶条自动化生产过程包括胶条挤压成 型、冷却及自动缠绕包装。挤压成型后的胶条粘 性大，必须进行冷却后才能进行自动缠绕包装。 可以将胶条缠绕在冷却鼓上进行自然冷却。自然 冷却鼓的旋转速度需与胶条输出速度相匹配。若 自然冷却鼓速度过大，胶条将会被拉伸，导致胶条 厚度减小，甚至拉断；若自然冷却鼓速度过小，胶 条将会堆积进而粘在一起。因此，必须实时检测 胶条位置，以调节冷却鼓转速。数字摄像头已在 非接触测量中得到了广泛应用[1’2]。由于CCD 摄像头驱动电路复杂[3-6]，而CMoS数字摄像 头驱动电路简单，数据采集方便，所以本系统采 用微小型CMOS摄像头OV6620对胶条成像， 将采集到的信息送入FPGA，FPGA对图像信息 进行处理[71，将得到的位置信息经RS232串口 传送到冷却鼓速度控制系统，以实时调整冷却 鼓的转速。 2 系统结构设计与分析 系统整体结构分为4部分：CMOS摄像头数 据采集与存储、数据处理及RS232串口通信。 系统整体设计如下：FPGA依据摄像头输出 的同步信号采集图像信息，整个系统采用双 SRAM进行乒乓操作：在向1片SRAM进行写 操作时，读取另1片SRAM中存储的图像信息进 行处理。FPGA将得到的胶条位置信息通过 RS232串口送出。系统功能结构简图如图1所示。 lFODDr—一 摄像头睦劐．46携LV5"]CMOSl!!!!竖!—一1624S摄像头l匹垦KJ。’ V ；纵4LⅥ 7．．Ol116245 ⋯FP⋯GA吼MAx邕广1^Yl氍竭 E易髭g一臣蜂芝；才气 SRAM2 C1011DV3 冷 却 鼓 速 度 控 制 系 图1 系统功能结构简图 Fig．1Functionalblockdiagramofthesystem 2．1 OV6620信号分析 CMOS数字摄像头选用OmniVision公司生 产的OV6620彩色数字摄像头，该摄像头分辨率 为292×356，像元尺寸为9．0pm×8．2弘m，帧频 收稿日期：2009—03-15l修订日期：2009—03—26 基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所创新工程资助项目(No．ZJ99130B)}中国科学院知识创新工程领域前沿资 助项目(No．070Y32R070) 万方数据 第5期 徐正平，等：基于CMOS摄像头与FPGA的位置检测系统设计 747 为25Hz，每帧两场：奇数场和偶数场，即每20ms 输出一场。数字输出格式为YCrCb4。2：2，GRB4： 2：2，RGB4：2：2可选。 OV6620上电后输出同步信号FODD， VSYNC，HREF，PCLK及图像灰度信号Y[7．． o]、色度信号uV[7．．o]。OV6620模块供电电 压为5V，各输出信号为TTL信号，FPGAI／o 口供电电压为3．3V，因此，FPAG与OV6620之 间接口必须添加电平转换芯片，本系统选用 74LVTl6245。各信号时序图如图2所示。 VSYNC：几 in ；几 HREFi_—几们．．．几几l几门一一—几几：几几．．仉几 ∥HREF放大 HREF pCLK Ⅵ7一o】 UV【7。0】 图2 OV6620信号时序图 Fig．2SignaltimingdiagramoftheOV6620 图2中，FODD为奇偶场信号：FODD=1时 对应奇数场，FODD=0时对应偶数场；VSYNC 为场同步信号，VSYNC下降沿标志着新一场的 开始；行同步信号HREF的周期约为64肛s，占空 比约为62．5％；PCLK为像素时钟，周期为112 ns，像素时钟一直存在；Y，UV分别为图像灰度 信号和色度信号，该信号只有在HREF—i时才 输出图像有效信号，其余时间输出固定信号，其中 Y信号在HREF一0期间输出16H，对应图像灰 度最小值。 2．2 SRAMCY7C1011DV33信号分析 为了能对所得到的图像数据进行处理，提取 黑色胶条位置信息，需要将图像数据进行缓存。 由于SRAM读写方便，本系统采用Cypress公司 生产的CY7C1011DV33进行图像存储。CY7C- 1011DV33为128K×16SRAM，其真值表如表1 所示。 从表1可以看出，SRAM片选信号低位有 效，高低字节分别由独立控制位nBHE和nBLE 进行控制。SRAM的读写则由nOE，nWE控制： 裹1 CY7C1011DV33真值表 Table1 TruthtableoftheCY7C101lDV33 nCEnOEnWEnBLEnBHEI／00—7I／08-15模式 nWE=0时，对SRAM进行写操作；nWE一1，且 nOE=0时对SRAM进行读操作。 由于本系统要完成对黑色胶条位置检测，系 统只需采集图像灰度信号而丢弃色度信号，因此， 在实际读写SRAM时只对低字节进行操作，高字 节处于高阻状态。但在硬件设计上，将色度信号 输出依然连接在FPGA上，为后续功能扩展奠定 基础。 从图2OV6620信号时序上可以看出，图像 灰度信号Y在像素时钟PCLK下降沿发生变化， 系统应该在PCLK上升沿时刻将灰度信号Y写 入SRAM。在写SRAM时，对应nOE信号置高， I／O直接与Y信号连接，而nWE信号则由 PCLK与其它信号共同作用来实现，具体见后续 分析。 3 系统软件设计 系统软件设计分为3部分：SRAM的乒乓操 作、黑色胶条的位置检测算法和RS232串口通信 模块。下面将详细分析SRAM的乒乓操作及黑 色胶条的位置检测算法。 3．1 SRAM乒乓操作程序设计 SRAM乒乓操作原理图如图3所示。 从图3可以看出，地址及读写信号发生模块 只产生一组读写地址信号Write—Addr和Read— Addr及读写控制信号nOE和nWE，这些信号与 外部SRAM各信号的连接关系由nOE进行控 制，具体分析如下： 为实现乒乓操作，需一控制信号来选取写操 作的SRAM对像。OV6620输出同步信号中，存 万方数据 748 液 晶 与 显 示 第24卷 图3 SRAM乒乓操作原理图 Fig．3SchematicdiagramofPing-Pongoperation 在奇偶场同步信号，如果将nOE与FODD相连 接，当FODD=1时，Meml—nOE=1，Meml— nWE=nWE，Metal—Addr=WriteAddr，Meml— DataL=Write—Data，对SRAMl进行写操作； Mem2一nOE=0，Mem2一nWE=1，Meml—Addr= Read—Addr，Read—Data—Mere2一DataL，对 SRAM。进行读操作。当FODD=0时，分析方法 类似，区别在于对SRAM。进行写操作，而对 SRAM。进行读操作。经上述分析可知，采用图3 所示电路可以满足对SRAM乒乓操作的要求。 SRAM地址线宽度为17位，系统将高8位 作为行计数器，低9位作为列计数器。行计数器 在HREF下降沿进行递增计数，行计数器在复位 及行计数器溢出情况下清零；列计数器在PCI。K 下降沿进行递增计数，列计数器在复位及列计数 器溢出情况下清零。 产生控制信号的部分程序代码如下‘8]： nWE<一PCLKandHREFand(notH一0一 verflow)and(notP—Overflow)； nOE<=FODD； Write—DataL<一Y； nWE只有在HREF为高电平，且行列计数 器均未溢出的情况下输出PCI。K，即实现了对有 效像素灰度值的存储，满足设计要求。 系统采集到的一幅黑色胶条图像如图4 所示。 图4 OV6620采集的黑色胶条图像 Fig．4BlackadhesivetapeimagesampledbyOV6620 3．2黑色胶条的位置检测算法 CMOS摄像头配套光学镜头焦距f一3．6 mm，实际检测胶条宽度d一5mm，应用中黑色胶 条距离光学镜头的距离H，即物距约为35am，则 胶条宽度方向在焦平面所成像宽度L由式(1) 决定： L=舌·d (1) 将上述数据代入式(1)可得：L一51．4肛m。 万方数据 第5期 徐正平，等：基于CMOS摄像头与FPGA的位置检测系统设计 749 摄像头像元尺寸6=8．2tzm，则CMOS摄像 头采集到的胶条图像在胶条宽度方向上对应的像 元数竹为： 挖一娑掣≈6 (2) 石·z弘m 由式(2)可见：在CMoS采集图像中，有6行 CMOS感光像元对应黑色胶条宽度。 黑色胶条的位置检测采用简单的二值化算 法：读取某一行像素灰度值，并将各像素灰度值与 预先设置的灰度阈值进行比较，如果灰度值小于 阈值的像素总数大于某一设定值，则认为该行即 为黑色胶条位置。在本系统中，检测行数设置为 230，每行检测100个像素；灰度阈值设置为30， 如果检测行像素灰度值小于30的像素数达到 80，则认为该行即为胶条位置。胶条背景设置为 白色，按上述位置检测方法，只有检测像素中 80％以上灰度值小于30，系统才认为检测行是胶 条位置，具有一定的抗干扰性。 本系统选取黑色胶条的下边沿作为胶条位 置，即系统按照上述方法检测到某行检测像素中 80％以上灰度值小于30时，将该行位置保留，继 续检测下一行，将最终符合条件的像素行作为胶 条位置。原因如下：该位置检测系统的作用是给 冷却转鼓速度控制系统提供黑色胶条随时间变化 的相对位置信息，作为调速系统控制的依据，位置 检测系统只需确保每次输出的位置均以胶条的下 边沿为准即可。 4 系统仿真结果及分析 为便于观察仿真结果，对每帧图像取两行，每 行取3个像素，在黑条检测时，灰度阈值设置为 30，如果一行中有两个像素灰度值小于30，则认 为该行为黑色胶条位置。仿真波形如图5所示。 从仿真结果分析可知，系统实现了双SRAM 图5系统仿真结果 Fig．5Simulationresultofthesystem 的乒乓操作及对黑色胶条位置的检测。 在复位信号Reset为低后FODD的第一个 黟b变沿，FODD=0，Mere2一nOE一1，Mem2一nWE 产生写信号，系统将数据写入SRAM2中；Meml— nOE=0，Meml—nWE一1，系统读取SRAMI中 的数据并进行处理。在FODD的第二个跳变沿， FODD----1，系统将数据写入SRAM，，读取并处理 SRAM：中的数据。 每帧图像的第一行像素存储在SRAM的地 址0，1，2处，第二行像素存储在SRAM的地址 512，513，514处。第一帧图像6个像素灰度值分 别设定为：50，50，25，19，20，32，依据上述判断规 则，胶条位置应在第1行(从第0行计)，在 VSYNC上升沿后给出数据准备好信号Data— Ready，串口开始发送数据；第二帧图像6个像素 灰度值分别设定为：23，18，45，16，65，65，因此，胶 条位置应在第0行，同样在VSYNC上升沿后给 出数据准备好信号Data—Ready。系统实物照片 如图6所示。 图6实物照片 Fig．6Pictureofthesystem 万方数据 750 液 晶 与 显 示 第24卷 5 结 论 提出了采用CMoS摄像头采集并提取黑色 胶条位置来控制冷却转鼓速度的方法，以实现黑 色胶条生产自动化。在简单介绍系统结构的基础 上，对所选用的器件特性和部分软件设计给予详 参 考文 献： 细分析，并给出采集图像及软件仿真结果。从采 集图像结果可以看出，CMOS摄像头成像质量满 足使用要求，软件仿真显示系统能完成对黑色胶 条位置的检测。将本系统与冷却鼓速度控制系统 连接，实际运行情况良好，冷却鼓转速受控。 [1]艾莉莉。袁峰，丁振良．应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统[J]．光学精密工程，2008，16(1)：161—165． [2]张忠元，邵承会．视觉反馈模糊控制随动系统[J]．液晶与显示，2008，23(4)：468—472． [3]金龙旭，李国宁，刘妍妍．帧转移型面阵CCD驱动电路的设计[J]．光学精密工程，2008，16(6)：1140—1145． [4]刘金国，余达，周怀得，等．面阵CCD芯片KAI-1010M的高速驱动系统设计[J]．光学精密J-程，2008，16(9)： 1622—1628． [5]周怀得，刘海英，徐东，等．行间转移面阵CCD的TDl工作方式研究口]．光学精密工程，2008，16(9)：1629—1634． [6]徐正平，翟林培，葛文奇，等．亚像元的CCD几何超分辨方法[J]．光学精密工程，2008，16(12)：2447—2453． [7]于超，陈光武，石文静．基于FPGA的信号采集及其频谱显示[J]．液晶与显示，2008，23(4)：499—503． [8]潘松，黄继业．EDA技术与VHDL(第2版)[M]．北京：清华大学出版社，2007． DesignofPositionDetectionSystemBasedonCMOSCameraandFPGA XUZheng—pin91”，GEWe旷qil，YANGShou—wan91”， YUNGuo-qinh2，ZHAoXiu-yin91”，WANGD叫ian91 (1．ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences， Changchun130033，China，E-mail：xuzp090(罾163．co'in1 2．GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences，Beiiing100039，China； 3．AviationUniversityofAirForce，Changchun130022，China) Abstract Themethodofcontrollingthespeedofcoolingwheelwiththepositionoftheadhesivetapeispro— posed．ThepositionoftheadhesivetapeisgainedwiththeCMOSdigitalcamera．Basedonthecoreof FPGA．tWOpiecesofSRAMareusedinthesystemtoachieveping-pongoperation．Accordingtothe synchronoussignalproducedbyCMOScamera，theimageissampledandstoredintooneofthetWO SRAMsbyFPGA．Atthesametime，theimagedatastoredintheotherSRAMisreadoutandpro— cessed．Todetectthepositionoftheadhesivetape，themethodofgreyisused．Onesampledimage andthesimulationresultaregiven．ThesampledimageshowsthattheimagequalityoftheCMOS camerasatisfytheneedoftheproject．ThesimulationresultshowsthattheSRAMping-pongopera— tionisrealizedandthepositiondetectionoftheadhesivetapeiscompleted．Thesystemisconnected withthecoolingwheelspeedcontrolsystemandworksreliably． Keywords：CMOSdigitalcamera；positiondetection；FPGA；OV6620 作者简介：徐正平(1983一)，男，河南许昌人，博士研究生，主要研究方向为CCD几何超分辨成像方法及基于DSP、FPGA 的航空相机像面扫描控制系统设计。 万方数据 基于CMOS摄像头与FPGA的位置检测系统设计 作者： 徐正平， 葛文奇， 杨守旺， 运国勤， 赵秀影， 王德江 作者单位： 徐正平,杨守旺,运国勤(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中 国科学院,研究生院,北京,100039)， 葛文奇,王德江(中国科学院,长春光学精密机械与物理 研究所,吉林,长春,130033)， 赵秀影(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林 ,长春,130033;空军航空大学,吉林,长春,130022) 刊名： 液晶与显示 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF LIQUID CRYSTALS AND DISPLAYS 年，卷(期)： 2009，24(5) 被引用次数： 0次 参考文献(8条) 1.艾莉莉,袁峰,丁振良.应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统[J].光学精密工程,2008,16(1):161-165. 2.张忠元,邵承会.视觉反馈模糊控制随动系统[J].液晶与显示,2008,23(4):468-472. 3.金龙旭,李国宁,刘妍妍.帧转移型面阵CCD驱动电路的设计[J].光学精密工程,2008,16(6):1140-1145. 4.刘金国,余达,周怀得,等.面阵CCD芯片KAI-1010M的高速驱动系统设计[J].光学精密工程,2008,16(9):1622-1628. 5.周怀得,刘海英,徐东,等.行间转移面阵CCD的TDI工作方式研究[J].光学精密工程,2008,16(9):1629-1634. 6.徐正平,翟林培,葛文奇,等.亚像元的CCD几何超分辨方法[J].光学精密工程,2008,16(12):2447-2453. 7.于超,陈光武,石文静.基于FPGA的信号采集及其频谱显示[J].液晶与显示,2008,23(4):499-503. 8.潘松,黄继业.EDA技术与VHDL(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2007. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yjyxs200905024.aspx 授权使用：陕西理工学院(sxlgxy)，授权号：12d8dae4-03b0-4c80-a006-9df2011361b6 下载时间：2010年9月15日