TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記,中文資料,環(huán)境光自適應(yīng)算法

1、藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記本文對第八屆飛思卡爾智能車競賽指定用線性 CCD使用相關(guān)經(jīng)驗跟大家分享一下， 本文不再講述線性CCD基本原理，基本原理大家可閱讀芯片手冊，本文重點介紹使用線 性CCD時需要考慮的一些問題及注意事項， 并給出了參考解決方案。旨在讓大家更有效 地使用和深入研究TSL1401線性CCD模塊。環(huán)境光影響問題試驗表明TSL1401線性CCD的輸出信號和環(huán) 境光線密切相關(guān)，在自然光條件比晚上 燈光下AO引腳輸出電壓值高出很多，正對著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下 比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝光時間、鏡頭光圈

2、）難以適應(yīng)各種 環(huán)境, 在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強光下會出現(xiàn)輸出飽和，在較強光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光 下輸出電壓過低，甚至處于截止?fàn)顟B(tài)。在智能車應(yīng)用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán) 境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切 相關(guān)的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于CCD模塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝 光時間。智能車為適應(yīng)各種運行 環(huán)境，必須實時感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量， 使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中CCD輸出 電壓在合理范圍，以利于算法提取黑線信息。鏡頭相關(guān)參數(shù)一旦選定在智能車運行難以 改變，曝光時間比較容易

3、通過程序控制，因此比較容易實現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過軟 件調(diào)整曝光時間。曝光時間調(diào)整方法見“曝光時間自適應(yīng)策略” 一章。輸出信號放大根據(jù)上一章所述，可以通過調(diào)整曝光時間來適應(yīng)各種環(huán)境，在弱光環(huán)境增大曝光時 間，在強光下減小曝光時間。但是曝光時間不能無限增大的，因為增大曝光時間勢必降 低采樣率（每秒采樣次數(shù)）采樣率低控制周期就長，智能車反應(yīng)就慢。根據(jù)歷屆攝像頭 車參賽經(jīng)驗，1米的前瞻，3.5m/s的速度情況下，控制周期不得高于20ms （采樣率不得 低于50Hz）,否則智能車轉(zhuǎn)向機構(gòu)反應(yīng)再快也無法很好跟隨賽道而沖出賽道?？刂浦芷?不高于20ms就意味著曝光時間不能超過20ms。試驗時，我們將TS

4、L1401線性CCD曝光 時間調(diào)整到20ms（采用周期20ms），分別在強光、弱光、燈光不同環(huán)境進行采用，采 樣數(shù)據(jù)表明環(huán)境光線較弱時CCD輸出信號較低，以致賽道黑線信息不夠明顯，晚上日光 燈環(huán)境下輸出信號電壓值更低，幾乎接近0,根本無法辨別賽道信息！由于智能車制作 和調(diào)試很大部分時間都是在晚上，因此必須在不降低采樣率的情況下，增大晚上弱光環(huán) 境下線性CCD的輸出電壓。要增大輸出電壓，簡單有效的方法就是放大輸出信號，我們 可以采用運放來放大AO輸出信號。藍宙電子實踐表明增大運放能非常有效的解決弱光 時輸出電壓低問題，在晚上環(huán)境同樣能達到50Hz的采樣率，這是無運放的線性CCD無 法達到的。為了

5、能保證輸出電壓在合理范圍（不飽和、不截止、能分辨賽道黑線），需要根據(jù)選蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記el藍宙電子藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記定的鏡頭確定運放放大倍數(shù)。以下是藍宙電子線性CCD模塊（鏡頭為無畸變鏡頭）中的 運放電路圖：其中運放放大倍數(shù)A = 1+R5/R4此電路中A = 11,也就是對TSL1401的AO信號進行 11倍放大。由于增加了運放，白天環(huán)境下的采樣率可以調(diào)節(jié)到更高，甚至可以達到100Hz。增加 了運放也會帶來一個問題，就是在全黑的環(huán)境（例如蓋上鏡頭蓋）下線性CCD的輸出已 經(jīng)不再接近0V,這里我們稱

6、全黑的環(huán)境對應(yīng)的電壓為暗電壓，藍宙電子設(shè)計的CCD模 塊暗電壓是1V左右。其實暗電壓完全不影響上層軟件提取賽道黑線，我們可以把這個 暗電壓當(dāng)做信號中的直流分量，將采集的每個像素點的電壓減去暗電壓就可以了，該方 法已經(jīng)驗證可行，讀者也可以實踐。曝光時間自適應(yīng)策略如果競賽環(huán)境各個方向的光線均勻一致，我們可以在賽車出發(fā)前根據(jù)環(huán)境光線調(diào)節(jié) 一個合理的曝光時間，以得到合理的輸出，這樣賽車就能采用一個固定的曝光時間跑完 全程。但是這是最理想的情況，實際比賽環(huán)境遠沒有假設(shè)的這么理想，實際比賽場館會 有窗戶，賽道頂上也可能有燈，因此賽車的前進方向正對窗戶和背對窗戶不能采用同一 曝光參數(shù)，電燈下和里燈較遠處也不

7、能采用相同曝光參數(shù)。換句話說要想賽車完整跑完 全程需要適時地、動態(tài)的調(diào)整曝光參數(shù)。以下就藍宙電子研究的曝光時間自適應(yīng)策略跟大家做一個介紹，策略示意圖如下：光線<<從上圖可看出，該曝光時間自適應(yīng)策略時間就是一個典型的閉環(huán)控制，控制對象是蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記線性CCD模塊的曝光時間，反饋是線性CCD感應(yīng)到的曝光量。調(diào)節(jié)的目標是設(shè)定曝光 量。控制器的工作原理是將設(shè)定的曝光量減去實際曝光量，差值即為曝光量的偏差e, 曝光量調(diào)節(jié)器用Kp乘以e再加上上次的曝光時間作為新的曝光時間進行曝光，曝光時 間調(diào)整后直接影響實際反饋

8、的曝光量。如此反復(fù)進行調(diào)節(jié)就能達到適應(yīng)環(huán)境光的目的。 需要大家注意的是實際曝光量并不是某一個像素的曝光量，因為單個像素是無法反應(yīng)環(huán) 境光強度的，實際曝光量應(yīng)該是一段時間和一定像素點強度的函數(shù)。藍宙電子的做法是 取一次采集到的128個像素電壓的平均值作為曝光量當(dāng)量，設(shè)定的曝光量也就是設(shè)定的 128像素點平均電壓。采用該策略后線性CCD采集到電壓值在正常的智能車運行環(huán)境中都能保持在合理范 圍內(nèi)。4，曝光自適應(yīng)程序流程藍宙提供的曝光自適應(yīng)程序流程如下圖所示:20ms周期執(zhí)行開始CCD采樣計算自適應(yīng)曝 光時間（ms）結(jié)束其中主程序20ms執(zhí)行一次，主要完成CCD采樣、計算實際曝光量、計算曝光時間。 采

9、集到的128像素數(shù)據(jù)保存在Pixel128數(shù)組中，實際曝光量當(dāng)量（128像素平均電壓） 保存在PixelAverageVoltage全局變量中，曝光時間（單位ms）保存在In tegrati on Time全 局變量中。蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記el藍宙電子藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記曝光控制中斷程序每1ms執(zhí)行一次，每次中斷將TimerCnt20ms計數(shù)器自加，根據(jù) 曝光時間IntegrationTime計算曝光點integration_piont （取值范圍220），如果曝光點等 于當(dāng)前計數(shù)器則開始曝光，當(dāng)Time

10、rCnt20ms等于20時，重置TimerCnt20ms,同時置位 TimerFlag20ms標志位，通知主程序20ms程序 執(zhí)行。CLKjuuuuuuuuuuuuumimjuuwuuiMUSIintemalR&selIntegrationAOIB ClockNol init&graimgIntegratingi29Cik Cycles蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記IT20ms時間軸注：曝光點=20 -曝光時間，上圖中曝光時間=8ms，曝光點=12msHl-Z曝光控制原理實際就是發(fā)送一次啟動和移位時序，從TSL14

11、01的時序圖可看出每128 時鐘序列的前18個周期是內(nèi)部復(fù)位（internal reset），這18個周期不僅不曝光，還會將 每個像素積分器電容放電，將積分電壓清零，18個周期后的便開始積分。中斷程序就是 根據(jù)曝光時間在合適的曝光點輸出一個內(nèi)部復(fù)位序列。下一個20ms到達時會進行數(shù)據(jù) 采樣，采集到數(shù)據(jù)對應(yīng)的曝光時間就是輸出內(nèi)部復(fù)位到下次采樣的時間。而上一次20ms 采樣到本次輸出內(nèi)部復(fù)位信號之間的曝光將在本次曝光時清除，數(shù)據(jù)沒有讀?。ú贿M行 AD轉(zhuǎn)換）。蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n

12、藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記具體的采樣機自適應(yīng)程序 源碼請參看藍宙電子提供的例程。蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記如何提取賽道黑線采集到的128像素點電壓繪制的曲線如下:蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記利用該算法所得到的熬線提取敷果不僅可 Mill實吋性妬 耗實占加線日標以后能鎮(zhèn) 記仕址從左H戍書右側(cè)鈕出視野，軌而控制紇 機轉(zhuǎn)向讓棗車回到正常賽道。如果更進一步可

13、 以設(shè)賈閥値報據(jù)現(xiàn)場情況的變化而變化*在黑 色引導(dǎo)線C經(jīng)龍解可覽捷取的炭咄匕我們町 以利用它聚進行制應(yīng)的彎，玄迪判新.以及邀 度和轉(zhuǎn)向陀機控制算法的研究"減去暗電壓帶來的直流分量后繪制的曲線如下: 從上面的圖像可看出，黑線特征非常明顯，可以采用找凹槽算法準確的提取黑線位 置。單行黑線提取算法如下，該算法之前是用于面陣攝像頭的，由于線性CCD相當(dāng)于面 陣攝像頭的一行，因此該算法同樣適用于線性CCD該算法并非藍宙所創(chuàng)，算法原出處是第二屆智能車冠軍上海交大參賽隊，本人第三屆智能車借鑒了該算法，實踐證明該算 法提取黑線準確可靠，適應(yīng)性強。也于黑色賽逬和目色底板之問的色差較 大*直按反映在圖橡

14、數(shù)據(jù)中就是大于一個黑白 色閥值"通過實驟可上確定躋值的人 小.根據(jù)現(xiàn)場光線的變化諾響合掃略微的變 仏 但是謹閥值基本1:介丁 227）之間"M 町以通過理斷相鄰數(shù)據(jù)點的推繪否大T«H 值，忤為邊沿提取算法的依據(jù)和主要套數(shù)"該算法的上姿過程為；從最左端的第一個 有敷數(shù)據(jù)點丹苗依次向右進行，第liM為原點. 判析和line + 3的差是臺大丁憫値，如果艮則 ft line + 3 id為仃從i開始判斷在接下來的從 i再到該行最末個點之間的聲值是否大于聞 值于則將line+i/2+2的睪標賦值紡黑線 中心位置（參考陽2人上位機通信調(diào)節(jié)面陣CCD或CMOS時可以

15、采用視頻采集卡或電視機觀看圖像信息，或者用來調(diào) 節(jié)鏡頭焦距。目前還沒有能顯示線性傳感器圖像的采集卡。為了方便用戶像調(diào)試面陣 CCD 樣調(diào)試線性傳感器，藍宙電子特意給用戶開發(fā)了一款調(diào)試軟件CCDView單片機 采集傳感器數(shù)據(jù)，通過串口實時的發(fā)送到上位機CCDView軟件，CCDView將數(shù)據(jù)按照灰 度條和曲線兩種形式顯示出來了，用戶可以直接在CCDView中觀看線性數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)鏡頭 焦距、對傳感器視場進行標定。以下是CCDView軟件界面：很多用戶拿到線性CCD后不知道如果將圖像顯示到電腦上觀看。以下介紹以下，如 何用XS128系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并在電腦上顯示數(shù)據(jù)。1，正確地連接線性CCD到XS128

16、系統(tǒng)板（連接關(guān)系見下圖）2，將系統(tǒng)板串口連接到電腦串口3，給單片機供電，將程序燒寫到單片機，運行程序4，打開電腦上的CCDView配置串口號和波特率（藍宙程序波特率是115200），點 擊開始。（在WIN7中使用該軟件需要用右鍵d以管理員權(quán)限運行方法打開）蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記下面是采用藍宙例程對應(yīng)的連接方法。5也vccTSL1401 線性(TDAOhADOPACKSk<PA*GNCk藍宙電子XS128/K60系統(tǒng)板w f w> Tf ir f4 n; . v w t w /<蕪湖藍宙電子科技有限公司ww

17、wandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記蕪湖藍宙電子科技有限公司wwwandzo.c n藍宙電子L藍宙TSL1401線性CCD應(yīng)用筆記如果按照上述步驟操作后仍然不能顯示，可以先暫時關(guān)閉CCDView軟件，打開串口大師之類的 串口調(diào)試軟件，按下圖所示配置串口參數(shù)，打開串口看看能不能收到下圖所示這樣的數(shù)據(jù)流。如不 能收到或收到亂碼則說明串口連接或者通信協(xié)議有問題，請仔細檢查后再試。常見問題如下：1，USB轉(zhuǎn)TTL和USB轉(zhuǎn)RS232用混了，系統(tǒng)板于USB串口接口類型要一致。2，串口波特率不一致。3，串口連接錯誤。1*4通信協(xié)議錯誤。* 革口(ComMaster)!. 1

18、For l'/in25c/XP串調(diào)試CDbur）宙口厠試（I鋁tor|昂口監(jiān)視施魚“門|宙口過遽虧班心|關(guān)于幫助山如er） |幕 LBOOQO0OOCHF 尿5馬 ASB695C5 導(dǎo) C5C9rajfi®6E5D5reF5E&Q6252E 肉B283MBW4&56563666T666&&7 出丁68666卿&969 的&ABA&869aA5ABABJIfiA6朗B&B6B696驅(qū)魅磁&9陰旳呂 A68&9eg68BB&66B6T 辭 B3的閃 E | 甜輻開驅(qū)輻5658笑斗 6S64&a

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