畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)圖像采集裝置的設(shè)計(jì)

濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEI-濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的圖像采集裝置的設(shè)計(jì)專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)電氣07Q2學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師二〇一一年六月七日摘要在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視及零件識(shí)別應(yīng)用。通常人眼無法連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有重復(fù)性和智能型的工作，其他傳感器也難有用武之地。由此開始用攝像頭來采集圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后，得到想要的信息，從而產(chǎn)生了視覺傳感器。本設(shè)計(jì)以Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DG128為核心，采用以O(shè)V6620作為圖像傳感器的數(shù)字?jǐn)z像頭，通過RS232接口將采集到的圖像數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，在上位機(jī)上進(jìn)行圖像的處理、存儲(chǔ)及識(shí)別。本設(shè)計(jì)完成了單片機(jī)核心模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)字傳感器電路的設(shè)計(jì)、RS232串行通信接口電路的設(shè)計(jì)；在Codewarior開發(fā)環(huán)境下，利用C語言編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像的采集、圖像信息的上傳等功能。最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的數(shù)字化采集并完成了采集裝置與上位PC機(jī)的通信功能。關(guān)鍵詞：圖像采集；單片機(jī)；數(shù)字?jǐn)z像頭ABSTRACTInthemodernindustrialautomation,sensorsinvolveavarietyoftesting,productionmonitoringandpartsidentificationapplications.Typically,thehuman’seyescannotbecontinuous,stableandcompletethesewithintelligentrepetitivework.Andothersensorsarealsodifficulttohaveitsuses.Thuspeoplebegantousecamerastocaptureimagesprocessedbycomputertoobtainthedesiredinformation,resultinginavisualsensor.Thedesigniscompletedthedesignofthemicrocontrollercoremodule,digitalsensorcircuit,RS232serialcommunicationinterfacecircuit;InCodewariordevelopmentenvironment,thesystemusestheClanguageprogrammingofthedigitalimageacquisition,theinformationofimageuploadedandsoon.Finally,thedesignrealizedthedigitalimageacquisitionandcompletedcommunicationbetweentheacquisitiondeviceandthehostPC.Keywords：imageacquisition;microcontroller;Digitalcamera目錄摘要 IABSTRACT II1前言 11.1研究背景 11.2研究目的與意義 11.3研究現(xiàn)狀 11.4主要研究?jī)?nèi)容 22圖像采集裝置的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 32.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 32.2系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 33圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 43.1數(shù)字?jǐn)z像頭概論 43.2圖像采集系統(tǒng)核心部件 83.2.1MC9S12DG128簡(jiǎn)介 83.2.2硬件電路系統(tǒng)組成 114軟件設(shè)計(jì) 154.1數(shù)字?jǐn)z像頭波形輸出 154.2程序設(shè)計(jì) 174.3數(shù)字圖像處理 244.4數(shù)字圖像處理方法 25結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29致謝 30附錄 311前言1.1研究背景目前，主要有兩種對(duì)圖像信息采集和處理的方式，即：（1）利用CCD攝像頭和圖像采集卡，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)PCI或者其他總線方式由上位機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理。此方法雖利用豐富的PC機(jī)硬件資源、軟件開發(fā)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但整個(gè)系統(tǒng)硬件連接復(fù)雜，不利于小型化，且穩(wěn)定性不高，需專業(yè)人員定期進(jìn)行維護(hù)。（2）采用CCD或者CMOS攝像頭采集圖像，再利用DSP+FPGA進(jìn)行圖像處理，此方法利用具有高速數(shù)字處理處理能力的DSP和支持外設(shè)能力的FPGA，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像的采集與處理。這種方法確實(shí)可滿足高速視頻采集和處理的要求，但是其軟硬件往往是針對(duì)專用型號(hào)的處理器和項(xiàng)目來開發(fā)的，應(yīng)用軟件不易移植，研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，且軟硬件成本都較高，不適應(yīng)于對(duì)圖像速度與功能要求相對(duì)較低的項(xiàng)目。針對(duì)這兩種形式，可采用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)來建立圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)圖像的采集、顯示、處理等功能。 1.2研究目的與意義單片微型計(jì)算機(jī)的開發(fā)、不斷完善和發(fā)展，是人們開始將計(jì)算機(jī)的高速、高精度、高可靠性、可重復(fù)性與納米技術(shù)結(jié)合起來逐漸形成的。單片機(jī)技術(shù)的誕生與應(yīng)用，在極大程度上解放了勞動(dòng)生產(chǎn)力，提高了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平，改善了人們的生活現(xiàn)狀，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像采集裝置得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)圖像采集裝置運(yùn)行時(shí)，常常會(huì)受到許多外界環(huán)境因素的影響，于是需要可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟、硬件的支持。裝置在處理過程中參數(shù)變化地十分迅速，操作也十分頻繁，則要求整個(gè)裝置應(yīng)當(dāng)做到安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。特別是大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的相互滲透對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)視頻技術(shù)不斷改進(jìn)和拓展是十分必要的。機(jī)器視覺、多媒體通信、高清晰電視以及圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺等眾多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)σ曨l圖像采集裝置的性能均提出了越來越高的要求。裝置采用單片機(jī)技術(shù)其目的是：運(yùn)用基于單片機(jī)為核心的開發(fā)板，建立圖像采集裝置，對(duì)圖像進(jìn)行采集、顯示并存儲(chǔ)，進(jìn)而完成圖像的統(tǒng)計(jì)、識(shí)別等功能。同時(shí)對(duì)裝置的安全可靠性、運(yùn)行損耗等進(jìn)行檢測(cè)。1.3研究現(xiàn)狀現(xiàn)今，基于單片機(jī)技術(shù)的圖像采集系統(tǒng)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：圖像采集系統(tǒng)體積小，集成度高，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)等。在單片機(jī)與PC機(jī)相結(jié)合的時(shí)代，單片機(jī)越來越多的滲入到我們的日常生活。單片機(jī)涵蓋于智能家電、消費(fèi)電子、通訊設(shè)備、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著不可取代的作用。隨著單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，基于單片機(jī)的圖像采集裝置也廣泛應(yīng)用在工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)、教學(xué)識(shí)別系統(tǒng)、日常生活圖像采集等領(lǐng)，其市場(chǎng)具有可塑性與推廣性，并且一直保持持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。1.4主要研究?jī)?nèi)容本文的研究方向主要是運(yùn)用CMOS視覺傳感器采集圖像，在其內(nèi)部經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把圖像信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，對(duì)所采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行處理，分離復(fù)合信號(hào)，從中提取出所需的信息，再將信息傳輸給單片機(jī)，通過單片機(jī)與PC機(jī)之間的控制，對(duì)輸出圖像進(jìn)行采集、存儲(chǔ)以及傳輸，從而實(shí)現(xiàn)裝置在不同條件下進(jìn)行不同的圖像處理，如受外部光線明暗程度、攝像頭視野范圍、硬件干擾等因素的影響時(shí)，采集到的圖像總帶有一些失真或者噪聲需要對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理等等。2圖像采集裝置的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)整個(gè)圖像采集裝置由數(shù)字?jǐn)z像頭、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)三個(gè)模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。數(shù)字?jǐn)z像頭（OV6620傳感器）圖像采集系統(tǒng)（單片機(jī)）數(shù)字?jǐn)z像頭（OV6620傳感器）圖像采集系統(tǒng)（單片機(jī)）PC機(jī)數(shù)據(jù)總線等串行通信數(shù)字?jǐn)z像頭負(fù)責(zé)將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息，通過并行總線將數(shù)字信號(hào)送往單片機(jī)，單片機(jī)通過RS232串行通信接口將所采集到的圖像信息送到上位PC機(jī)上，在PC機(jī)上完成對(duì)圖像的處理。2.2系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、供電電路的設(shè)計(jì)、數(shù)字?jǐn)z像頭接口電路的設(shè)計(jì)、RS232串行通信接口電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中涉及到下位單片機(jī)的RS232串行通信子程序和圖像采集子程序、上位PC機(jī)的圖像處理程序。后面章節(jié)將詳細(xì)講述相關(guān)部分的設(shè)計(jì)。3圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1數(shù)字?jǐn)z像頭概論圖像數(shù)據(jù)能夠進(jìn)入計(jì)算機(jī)的只有數(shù)字形式，然而自然界中的圖像是其他形式的信息，如何轉(zhuǎn)化圖像信息開始被人們所思考。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的提高，一種名為攝像頭的圖像攝取裝置發(fā)展起來。攝像頭的工作原理：首先景物通過鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換后變成的數(shù)字圖像信號(hào)在處理芯片中進(jìn)一步加工處理，再通過外圍接口傳輸?shù)诫娔X中處理，最終通過顯示器可以觀察到圖像。攝像頭可以分為兩類，若圖像數(shù)據(jù)是在攝像頭和采集卡兩部分完成數(shù)字化的，此攝像頭就是模擬攝像頭；然而若是在攝像頭內(nèi)部完成數(shù)字化的則是數(shù)字?jǐn)z像頭。數(shù)字?jǐn)z像頭不僅可以減少圖像的噪音，而且與模擬攝像頭相比，它更顯著的提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍以及最大化圖像灰度范圍。目前，攝像頭的研究圍繞數(shù)字?jǐn)z像頭展開。數(shù)字?jǐn)z像頭的芯片主要分為CCD和CMOS兩種。CCD（ChargeCoupledDevice），又稱為電荷耦合器件，以百萬像素為單位。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)以及無膠片相機(jī)等設(shè)備。此類攝像頭與膠卷的原理相似，即光線穿過一個(gè)鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但又有不同，CCD既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力，因此所有圖形數(shù)據(jù)都會(huì)不停留地送入一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號(hào)處理器以及一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡等。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，其中，最大的有2×2平方英寸。CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)，又叫做互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。CMOS傳感器便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快，成本較低，是數(shù)碼相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向之一，在今后的發(fā)展應(yīng)用中有著舉足輕重的地位。數(shù)字?jǐn)z像頭中的圖像傳感器是其主要元器件，依據(jù)CCD與CMOS芯片構(gòu)成的兩種在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“外部結(jié)構(gòu)”上都是不同的傳感器，即：（1）在內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）上，CCD的成像點(diǎn)為X－Y縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲(chǔ)區(qū)組成。光電二極管將光線（光量子）轉(zhuǎn)換為電荷（電子），聚集的電子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時(shí)，各行數(shù)據(jù)被移動(dòng)到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能的特點(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù)，因此整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本；CMOS傳感器周圍的電子器件，如數(shù)字邏輯電路、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個(gè)存儲(chǔ)器，每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)重新設(shè)置和選擇晶體管以及一個(gè)放大器，覆蓋在整個(gè)傳感器上的是金屬互連器（計(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào)）以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器，可以通過簡(jiǎn)單的X－Y尋址技術(shù)讀取信號(hào)。（2）在外部結(jié)構(gòu)（傳感器在產(chǎn)品上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)）上，CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，運(yùn)行速度較慢，而CMOS光電傳感器在采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，運(yùn)行速度比CCD電荷耦合器快很多。除此之外，CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程，可以將數(shù)字相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點(diǎn)。從上述兩種數(shù)字?jǐn)z像頭的對(duì)比中可以得出，COMS數(shù)字?jǐn)z像頭滿足設(shè)計(jì)的三條原則，安全可靠、集成度高、高性能、低噪音、成本低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等。綜上，本設(shè)計(jì)采用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭。本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)字?jǐn)z像頭主要由OV6620圖像傳感器構(gòu)成，具體如圖3.1所示。圖3.1數(shù)字?jǐn)z像頭OV6620OV6620攝像頭模塊采用OV6620彩色數(shù)字CMOS圖像傳感器，其圖像是PAL制，一幀圖像為352×288像素，數(shù)據(jù)格式為YCrCb4:2:2GRB42:2和rawGRB。OV6620的優(yōu)點(diǎn)：供電電壓低，簡(jiǎn)化電路；內(nèi)部集成A/D和視頻分離模塊，簡(jiǎn)化電路，并且使得采集程序簡(jiǎn)單，采集質(zhì)量高；視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換在內(nèi)部進(jìn)行，減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)。內(nèi)部的I2C可編程用來調(diào)整攝像頭的參數(shù)(如最大灰度、對(duì)比度、曝光率控制等)，其本質(zhì)是SCCB協(xié)議的寄存器寫入。本設(shè)計(jì)采用默認(rèn)模式，OV6620攝像頭模塊和MC9S12DGS12單片機(jī)的引腳連接圖如圖3.2所示。其中，Y0-Y7為灰度信號(hào)輸出引腳，由于本系統(tǒng)只需識(shí)別道路中黑線。故只需提取數(shù)據(jù)格式為YCrCb4:2:2中的亮度信號(hào)Y。灰度信號(hào)Y0-Y7則可送MC9S12DG128單片機(jī)的B圖3.2OV6620圖像傳感器圖像采集引腳連接1.OV6620特征OV6620圖像傳感器具有諸多特征，下面逐一說明：·101376像素（352x288）,1/4棱鏡，CIF/QCIF格式·逐行掃描讀出·數(shù)據(jù)格式：YCrCb4:2:2,GRB4:2:2,RGBRawData(RGB原始數(shù)據(jù))·8/16bit視頻數(shù)據(jù)：CCIR601、CCIR656、ZV端口·寬動(dòng)態(tài)范圍，抗模糊，零拖尾效應(yīng)·電子曝光、增益、白平衡控制·圖像增強(qiáng)：亮度、對(duì)比度、伽瑪、飽和度、銳度、窗口等·內(nèi)部/外部同步·幀曝光/行曝光選項(xiàng)·5V工作電壓，低電源消耗·<80mW工作功率·<10uA節(jié)電模式·伽瑪校正(0.45/0.55/1.00)·SCCB可編程（400kb/s）·色彩飽和度、亮度、對(duì)比度、白平衡、曝光時(shí)間、增益2.OV6620功能OV6620傳感器包括一個(gè)356×292分辨率的圖像陣列，一個(gè)模擬信號(hào)處理器，雙8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬視頻復(fù)用器，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)格式器和視頻端口，SCCB接口和寄存器，數(shù)字控制包括時(shí)鐘模塊、曝光和黑白平衡。OV6620傳感器是1/4-inchCMOS成像設(shè)備。該傳感器含有約101376像素。其設(shè)計(jì)是基于逐行轉(zhuǎn)換的場(chǎng)積累讀出機(jī)制和同步像素讀出機(jī)制的電子快門。傳感器的色彩過濾器包括一個(gè)按行交替方式的原色RG/GB陣列。3.攝像頭與單片機(jī)的連接時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)片選信號(hào)CMOS攝像頭OV6620I2C總線控制同步信號(hào)8位數(shù)據(jù)總線圖3.3攝像頭與單片機(jī)連接框圖OV6620與單片機(jī)MC9S12DG128芯片連接如圖3.3所示，8為數(shù)據(jù)總線Y[7：0]連接到MC9S12DG128芯片的PB[7：0]，PCLK作為攝像頭的時(shí)鐘脈沖連接到MC9S12DG128芯片的ECLK，VSYNC作為場(chǎng)有效信號(hào)，連接到MC9S12DG128的PT2，HSYNC作為行有效信號(hào)，連接到MC9S12DG128的PT1，PT1、PT2是ECT(增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器)模塊中的引腳。利用增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊的輸入捕捉功能，每個(gè)通道可以擁有單獨(dú)的中斷向量，各通道分別設(shè)置成不同的觸發(fā)極性，以滿足HREF(行中斷信號(hào))，要通過下降沿捕捉及VSYN(場(chǎng)中斷信號(hào))，要通過上升沿捕捉的要求。攝像頭的使能信號(hào)可以由MC9S12DG128單片機(jī)內(nèi)部控制器來管理。MC9S12DG128單片機(jī)通過I2C通過VTO模擬圖像輸出引腳可以外接監(jiān)視器來查看采集圖像的質(zhì)量。3.2圖像采集系統(tǒng)核心部件3.2.1MC9S12DG128簡(jiǎn)介圖像采集系統(tǒng)以MC9S12DG128作為核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4MC9S12DG128引腳結(jié)構(gòu)圖MC9S12系列微控制器（MCU）是以高速CPU12內(nèi)核為基礎(chǔ)的微控制器系列，簡(jiǎn)稱S12系列。典型的HCS12總線頻率為8MHz，而典型的S12總線頻率為25MHz。HC12與S12指令完全兼容，故在很多場(chǎng)合統(tǒng)稱為HCS12系列微控制器。HCS12是世界上第一款包含完整的模糊邏輯指令的標(biāo)準(zhǔn)MCU，應(yīng)用模糊控制指令可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，減少代碼，加快程序運(yùn)行速度。1.MC9S12DG128單片機(jī)結(jié)構(gòu)DG128單片機(jī)采用增強(qiáng)型16位HCS12CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8KRAM、128KFlash、2KEEPROM；SCI、SPI、PWM串行接口模塊；脈寬調(diào)制模塊（PWM）可設(shè)置成4路8位或者2路16位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬。它包括兩個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器，控制器局域網(wǎng)模塊（CAN），增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器并支持背景調(diào)試模式。其具體結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。DG128有112-pin和80-pin兩種封裝形式，80-pin封裝的單片機(jī)沒有引出用于擴(kuò)展的端口，只引出了一個(gè)8路A/D接口。本設(shè)計(jì)采用112-pin封裝的單片機(jī)。S12CPU128KBFLASH2個(gè)8路10位ADC增強(qiáng)型8路16位定時(shí)器8位8路/16位4路PWM2個(gè)SCI口3個(gè)SPI口I2CJ1850通信口最多5個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口5N變2.5V電壓調(diào)整器12KBRAM4KBEEPROM16位鍵盤喚醒IRQI/O口圖3.5MC9S12DG128單片機(jī)結(jié)構(gòu)2.存儲(chǔ)空間的分配微控制存儲(chǔ)器是一種半導(dǎo)體電路，用來存放程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器可以是單獨(dú)的片外芯片，也可以集成在微控制器內(nèi)部，是微控制器系統(tǒng)的重要組成部分。在64KB標(biāo)準(zhǔn)地址空間中，MC9S12DG128安排了內(nèi)部寄存器、RAM、EEPROM和FLASH/ROM等資源，占據(jù)空間分別為1KB、8KB、2KB和128KB，每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，共64K個(gè)地址，用4位十六進(jìn)制數(shù)表示，即地址為$0000~$FFFF。存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元可存放一個(gè)8位二進(jìn)制信息，通常用2位十六進(jìn)制數(shù)來表示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元內(nèi)的內(nèi)容。微控制器內(nèi)部不同存儲(chǔ)器占用不同的存儲(chǔ)空間，亦是說，不同的地址范圍，它們均占據(jù)特定的地址空間。圖像傳感器的數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)來分配存儲(chǔ)空間的地址進(jìn)行存儲(chǔ)。單片機(jī)存儲(chǔ)空間分配如圖3.6所示。圖3.6存儲(chǔ)空間的配置3.串行接口接口的功能是溝通計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備。通過接口電路的協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)信息和命令的傳送。具體說來，在此系統(tǒng)中，MC9S12DG128單片機(jī)與PC機(jī)之間的連接采用SCI串行接口。SCI是一種采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸零數(shù)據(jù)NRZ格式的異步串行通信接口。它內(nèi)置獨(dú)立的波特率產(chǎn)生電路和SCI收發(fā)器，可選擇8或9個(gè)數(shù)據(jù)位9(其中9位數(shù)據(jù)格式的第9位可由SCI控制寄存器的M位指定的奇或偶校驗(yàn)位)發(fā)送和接口的奇偶校驗(yàn)位可以選擇是否由硬件生成。S12MCU中的SCI的功能特點(diǎn)為：雙線串行接口；標(biāo)準(zhǔn)NRZ格式；硬件自動(dòng)生成奇偶標(biāo)志；全雙工操作；獨(dú)立的波特率產(chǎn)生邏輯；獨(dú)立的發(fā)送器和接收器允許控制位；通信過程可采用中斷逐動(dòng)機(jī)制；具有回送方式，方便了調(diào)試；可以監(jiān)視發(fā)送器的輸出，實(shí)現(xiàn)通信過程的自診斷。S12的SCI串行通信在普通和特殊運(yùn)行模式下的功能是一樣的。由于SCI自身特性，SCIBDH和SCIBDL構(gòu)成的16位波特率控制寄存器需設(shè)置。4.外圍設(shè)備對(duì)于單片機(jī)而言，其外圍設(shè)備有許多，如串行接口、外部總線、輸入輸出通道等等，其主要作用在于能夠進(jìn)行擴(kuò)展與外部設(shè)備進(jìn)行傳輸。I2C總線是芯片間的串行傳輸總線，采用兩線制，由串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA構(gòu)成。I2C總線為同步傳輸總線，數(shù)據(jù)線上的信號(hào)與時(shí)鐘同步，只需要兩根線就能夠?qū)崿F(xiàn)總線上各器件的全雙工同步傳輸數(shù)據(jù)傳送，可以極為方便地構(gòu)成多級(jí)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。I2C總線采用器件地址的硬件設(shè)置方法，使硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展簡(jiǎn)單靈活。按照I2C總線規(guī)范，總線傳輸中的所有狀態(tài)都生成相應(yīng)的狀態(tài)碼，系統(tǒng)中的主機(jī)依照這些狀態(tài)碼自動(dòng)的進(jìn)行總線管理，用戶只要在程序中裝入這些標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)要求完成I2C總線的初始化，啟動(dòng)I2C總線就能夠自動(dòng)完成規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送操作。由于I2C總線已經(jīng)集成于單片機(jī)的片內(nèi)，用戶無需設(shè)置接口，使設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短。I2C總線為開漏或集電極開路輸出，需要外加上拉電阻。系統(tǒng)中所有的單片機(jī)、外圍器件都將數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL的同名引腳相連在一起，總線上的所有節(jié)點(diǎn)都由器件引腳給定地址。系統(tǒng)中可以直接連接具有I2C總線接口的單片機(jī)，也可以通過I/O口的軟件模擬與I2C總線芯片相連。在I2C總線上可以掛接各種類型的外圍器件，如RAM、E2輸入輸出通道的主要作用就是將數(shù)字傳感器處理得到的數(shù)字信號(hào)，通過建立在單片機(jī)與檢測(cè)裝置之間的信息傳遞與變換通道即輸入輸出通道，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)信息的采集與控制。3.2.2硬件電路系統(tǒng)組成在本設(shè)計(jì)中，MCU最小系統(tǒng)由供電電路、時(shí)鐘電路、看門狗電路(復(fù)位電路)、串行接口電路等組成在單片模式下運(yùn)行。1.供電電路該系統(tǒng)由7.2V電池來供電，但是該單片機(jī)所需要的是+5V電源。單片機(jī)I/O模塊的供電是+5V電壓，同時(shí)S12單片機(jī)片內(nèi)使用2.5V電壓，片外I/O也使用5V電壓，較低的片內(nèi)電壓可以使得CPU快速運(yùn)行、低功耗；較高的I/O模塊電壓將有利于抵抗外界干擾，因此使用+5V電壓供電能夠使系統(tǒng)在復(fù)雜的環(huán)境之中正常工作。該單片機(jī)內(nèi)部集成了電壓調(diào)整器模塊，此模塊可以產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)部所需要的其他電壓。此外，供電電路加上了一些儲(chǔ)能電容和去耦電容來穩(wěn)定供應(yīng)＋5V電壓。電源管理電源管理MC9S12DG128單片機(jī)CMOS攝像頭通訊及調(diào)試部分5VI/O5VSCI圖3.7電源總體配置單片機(jī)采用了REG1117-5.0串聯(lián)式直流電源調(diào)整芯片供電，該芯片的最小輸入電壓為6.5V，最大供電能力為800mA，電壓輸出范圍5.0±0.05V，電壓噪聲小于20mV。壓降為7.2-5=2.2V,可推出電源效率達(dá)到5/7.2=70%。為減小單片機(jī)所在電路的沖擊電流，采用+5V電源供電且在REG1117后接上了一個(gè)100uF的電容及一些小的高頻旁路電容，如圖3.8所示。圖3.8供電電路2.時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是由石英晶體振蕩器和一些電容、電阻組成的，雖然簡(jiǎn)單的單片機(jī)可以使用集成到單片機(jī)內(nèi)部的RC振蕩電路產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘，但是這種簡(jiǎn)單的時(shí)鐘電路頻率的穩(wěn)定性得不到保證，而且外部晶振只能提供穩(wěn)定的頻率為16M的振蕩，為使該單片機(jī)內(nèi)部的壓控振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）得到一個(gè)高穩(wěn)定的時(shí)鐘源。PLL電路每鎖定一個(gè)工作頻率就需要一個(gè)特殊外部濾波電路，以消除鑒相器產(chǎn)生的噪聲電壓，從而使壓控振蕩器輸出穩(wěn)定的振蕩頻率。PLL的濾波電路應(yīng)設(shè)計(jì)得具有良好的抗干擾性能，它的元器件取值應(yīng)經(jīng)過FREESCALE提供的計(jì)算軟件來設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)布局的時(shí)候用相對(duì)獨(dú)立的地線將其包圍，離高頻線路遠(yuǎn)一點(diǎn)。把由外部得來的振蕩提高為24M的總線時(shí)鐘和48M的CPU工作時(shí)鐘，供給單片機(jī)使用穩(wěn)定，可調(diào)的時(shí)鐘信號(hào)。圖3.9時(shí)鐘電路3.看門狗電路看門狗電路電路的應(yīng)用，使單片機(jī)可以在無人狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，其工作原理是：看門狗芯片和單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳相連，該I/O引腳通過程序控制它定時(shí)地往看門狗的這個(gè)引腳上送入高電平(或低電平)，這一程序語句是分散地放在單片機(jī)其他控制語句中間的，一旦單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段不進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時(shí)，寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行,這個(gè)時(shí)候,看門狗電路就會(huì)由于得不到單片機(jī)送來的信號(hào)，便在它和單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位，即程序從程序存儲(chǔ)器的起始位置開始執(zhí)行，這樣便實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)采用的是MAX706SESA芯片作為看門狗電路芯片，該芯片的電路圖如3.10所示。圖3.10看門狗電路4.串口通信電路在本設(shè)計(jì)中，為獲得圖像信息，對(duì)圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和顯示，就要要求單片機(jī)能夠和PC機(jī)通信，其中較為方便有效的方式是串行通信。除此之外，系統(tǒng)的調(diào)試也要用到串口。因此，串口通信電路不可或缺。PC機(jī)與單片機(jī)的通信是通過RS-232串口通信來實(shí)現(xiàn)的，如圖3.11所示。圖3.11串口通信電路4軟件設(shè)計(jì)本文中的軟件設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)下位單片機(jī)的圖像采集、圖像傳輸，上位機(jī)的圖像處理。圖像采集要涉及到數(shù)字?jǐn)z像頭的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)的傳輸方式。圖像的傳輸主要是串行通信程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)的圖像處理則涉及到了圖像處理的相關(guān)知識(shí)。以下分別進(jìn)行講述。4.1數(shù)字?jǐn)z像頭波形輸出在本設(shè)計(jì)中，采用8位灰度圖像數(shù)據(jù)，OV6620提供的信號(hào)包括：VSYNC、CHSYNC、PCLK、8bit數(shù)據(jù)總線：Y[7:0]。當(dāng)PCLK處于上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)輸出到變焦視頻ZV端口。其輸出如圖4.1所示。圖4.1OV6620輸出波形在圖像采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳送時(shí)期重要環(huán)節(jié)之一。為保證所采集數(shù)據(jù)能夠可靠的傳送且工作效率高，提出以下傳輸方式：查詢傳送方式查詢傳送往往要求異步工作方式，因此很難保證在執(zhí)行輸入輸出時(shí)系統(tǒng)與外設(shè)之間的狀態(tài)問題。通常程序控制的傳送方式在傳送之前，必須要查詢一下外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒才可傳送；若未準(zhǔn)備好，則等待，此過程需不斷循環(huán)進(jìn)行。第二，直接數(shù)據(jù)通道傳送方式直接數(shù)據(jù)通道傳送方式是用硬件在外設(shè)與內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳送方式，數(shù)據(jù)傳送速度的上限取決于存儲(chǔ)器的工作速度，但須DMA控制器進(jìn)行控制。第三，中斷傳送方式中斷傳送方式與查詢方式相比不需要不斷訪問外設(shè)，較之DMA方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可大大提高效率，允許處理器與外設(shè)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。此外，當(dāng)裝置遇到掉電等故障時(shí)，中斷系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行故障處理。本設(shè)計(jì)依據(jù)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大原則采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，下面進(jìn)一步對(duì)中斷進(jìn)行論述。中斷是提高微控制器工作效率的一種重要手段，可使MCU的程序設(shè)計(jì)更加高效與靈活，可以提高嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，尤其是在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中，中斷更是一個(gè)必要的技術(shù)手段?？梢哉fMCU的中斷系統(tǒng)的功能如何在某種程度上決定了MCU的用途，中斷功能強(qiáng)大與否也是評(píng)判MCU性能的一個(gè)重要指標(biāo)。中斷是在一個(gè)處理器上運(yùn)行多個(gè)系統(tǒng)的有效方法，多個(gè)中斷相結(jié)合形成系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)一般具有以下特點(diǎn)：（1）能實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)和中斷返回。當(dāng)一中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，MCU決定是否響應(yīng)這一請(qǐng)求。如果允許響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求，MCU能夠有硬件自動(dòng)保護(hù)斷點(diǎn)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。中斷處理完后能通過指令自動(dòng)恢復(fù)斷點(diǎn)，返回原中斷繼續(xù)執(zhí)行被終止的程序。（2）能實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級(jí)配置。當(dāng)兩個(gè)或更多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出中斷申請(qǐng)時(shí)，優(yōu)先級(jí)較高的中斷申請(qǐng)首先得到處理。（3）能實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。中斷處理過程中，有優(yōu)先級(jí)較高的中斷請(qǐng)求時(shí)，MCU能暫停正在執(zhí)行的中斷處理程序，轉(zhuǎn)去響應(yīng)與處理優(yōu)先級(jí)較高的中斷申請(qǐng)，結(jié)束后再返回原先優(yōu)先級(jí)較低的中斷處理過程。（4）能通過軟件實(shí)現(xiàn)模擬中斷的功能，便于中斷的調(diào)試。在單片機(jī)中，S12MCU的中斷處理過程是硬件和軟件編程相結(jié)合的處理過程，有些是通過硬件完成的，有些是通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)的。總的來說，中斷處理的基本流程可分為以下4步，如圖4.2所示。中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求中斷響應(yīng)中斷程序處理中斷返回圖4.2中斷處理過程1、中斷請(qǐng)求當(dāng)S12MCU的外部設(shè)備或者內(nèi)部模塊發(fā)生中斷事件，需要S12為其服務(wù)時(shí)，首先向S12發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。若該中斷源未被屏蔽，中斷允許觸發(fā)器備置位時(shí)，表示允許發(fā)出中斷申請(qǐng)。2、中斷響應(yīng)中斷源的中斷請(qǐng)求是隨機(jī)的，S12一般會(huì)在現(xiàn)行指令結(jié)束時(shí)去檢測(cè)中斷請(qǐng)求。當(dāng)檢測(cè)到有中斷請(qǐng)求時(shí)，如果中斷響應(yīng)條件滿足，則S12在當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，是中斷進(jìn)入中斷響應(yīng)周期，在中斷響應(yīng)周期內(nèi)S12通過內(nèi)部硬件自動(dòng)完成3件事：關(guān)中斷，即將CCR寄存器I位置1，以禁止其他中斷干擾將要執(zhí)行的中斷服務(wù)程序;保護(hù)斷點(diǎn)和標(biāo)志寄存器內(nèi)容，即將返回地址和預(yù)保存的寄存器內(nèi)容推入棧區(qū)；跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的入口地址。3、中斷程序處理執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成要處理的功能，通常要求中斷處理程序的設(shè)計(jì)應(yīng)力求簡(jiǎn)短。4、中斷返回中斷服務(wù)程序的最后一條指令必須是中斷返回指令RT1，S12執(zhí)行中斷返回指令時(shí)，自動(dòng)將保存在現(xiàn)行堆棧中的標(biāo)志寄存器內(nèi)容和斷點(diǎn)地址彈出，使程序回到中斷前的地址繼續(xù)執(zhí)行，即S12從中斷服務(wù)程序返回而繼續(xù)執(zhí)行被中止的原來正常運(yùn)行的程序。經(jīng)由以上四步中斷不斷循環(huán)進(jìn)行，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、安全、可靠、有效的數(shù)據(jù)處理，完成系統(tǒng)間的正常運(yùn)行。4.2程序設(shè)計(jì)根據(jù)圖像采集裝置的整體設(shè)計(jì)方案，攝像頭從圖像傳感器得到外部的圖像數(shù)據(jù)信息，依據(jù)所得到的圖像信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，經(jīng)PC機(jī)數(shù)字圖像處理后，取得特征值，進(jìn)行串口通信。因而，軟件系統(tǒng)可分為圖像采集模塊、圖像處理模塊、串行接口模塊和串行通信模塊部分。程序采用模塊化編程方法，將每一步編程一個(gè)子函數(shù)，通過函數(shù)調(diào)用的方式來逐步實(shí)現(xiàn)圖像采集、處理、傳輸?shù)鹊?。運(yùn)用此方法不僅便于編程，同樣使調(diào)試、查錯(cuò)和算法改進(jìn)大大便捷。在C語言程序調(diào)用時(shí)，將所需傳遞的參數(shù)設(shè)定為統(tǒng)一的全局變量，在程序任一部分都可被調(diào)用。這種方式充分考慮了單片機(jī)的尋址方式，減少了堆棧操作。同時(shí)，可以從存儲(chǔ)空間的固定位置看到想要觀察的數(shù)據(jù)。這種思想在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中能大大簡(jiǎn)化差錯(cuò)步驟，及時(shí)了解程序運(yùn)行狀況。程序總流程如圖4.3所示。開始開始圖像采集模塊串行接口模塊圖像處理模塊結(jié)束串行通信模塊中斷入口開放場(chǎng)中斷開放行中斷關(guān)閉場(chǎng)中斷一幀數(shù)據(jù)是否完整？發(fā)送數(shù)據(jù)關(guān)閉行中斷關(guān)閉場(chǎng)中斷NY圖4.3裝置總體流程圖圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)單片機(jī)采集處理后發(fā)送到PC機(jī)處理顯示，而在此過程中，數(shù)據(jù)需經(jīng)過串行通信接口才可完成單片機(jī)與PC即之間的數(shù)據(jù)傳輸通信。因此軟件設(shè)計(jì)主要包括上述的四個(gè)模塊。單片機(jī)完成數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和傳送，即完成數(shù)據(jù)采集模塊、串行接口模塊和串行通信模塊,PC機(jī)負(fù)責(zé)圖像濾波和圖像可視化顯示，即負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理模塊。圖像傳感器將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。定義一個(gè)二維數(shù)組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù),二維數(shù)組每行的各點(diǎn)代表圖像每行上點(diǎn)的灰度值。圖像采集過程如圖4.4所示。NN開始讀取場(chǎng)同步場(chǎng)開始？行開始？讀完一行？讀取行同步讀完一場(chǎng)？讀取數(shù)據(jù)NNNNYNN開始讀取場(chǎng)同步場(chǎng)開始？行開始？讀完一行？讀取行同步讀完一場(chǎng)？讀取數(shù)據(jù)NNNNYYYNNNNNNNN圖像的采集過程運(yùn)用中斷方式來讀取數(shù)據(jù)，其中需要場(chǎng)中斷服務(wù)子程序和行中斷服務(wù)子程序順序進(jìn)行來完成數(shù)據(jù)采集。下面來詳細(xì)介紹兩個(gè)中斷子程序：1．場(chǎng)中斷服務(wù)子程序場(chǎng)中斷服務(wù)流程如圖4.5所示。場(chǎng)中斷程序開始場(chǎng)中斷程序開始數(shù)據(jù)初始化，關(guān)閉行中斷分析保存上一幀數(shù)據(jù)圖像中值濾波圖像數(shù)據(jù)是否有效？圖像特征提取關(guān)閉場(chǎng)中斷，開啟行中斷結(jié)束子程序NY圖4.5場(chǎng)同步信號(hào)中斷服務(wù)子程序流程在程序開始時(shí)，將中斷標(biāo)志清零，以防止再次重復(fù)相應(yīng)的這一個(gè)中斷。當(dāng)新的一場(chǎng)到來時(shí)，ECT已經(jīng)將脈沖到來時(shí)刻時(shí)的計(jì)數(shù)器值送入了TC6寄存器里。初始化時(shí)，在標(biāo)識(shí)位快速清零有效的情況下，只需要讀出TC6的值。然后，由于所需要的數(shù)據(jù)不是在這一幀的開始，因此在此期間關(guān)閉行中斷來對(duì)主場(chǎng)同步開始后獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理。經(jīng)過一定時(shí)間后，電視信號(hào)已經(jīng)掃描到了采集位置，此時(shí)打開行脈沖信號(hào)的所在通道的中斷使能，準(zhǔn)備采集行脈沖到來時(shí)的時(shí)間值。與此同時(shí)，在程序里而設(shè)定了一個(gè)行計(jì)數(shù)器，用于記錄當(dāng)前所得到的行信息是在哪一幀里以及是開始采集以來的第幾行。在場(chǎng)同步信號(hào)的脈沖造成的中斷服務(wù)程序中，需要對(duì)此記數(shù)器做清零處理。為了保險(xiǎn)起見，場(chǎng)中斷使能在采集到了足夠的數(shù)據(jù)以后才重新打開。B．行中斷子服務(wù)程序行中斷服務(wù)程序流程如圖4.6所示：行中斷程序開始行中斷程序開始取行同步脈沖時(shí)鐘信號(hào)行計(jì)數(shù)器加一所采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否以滿足行數(shù)？關(guān)閉行中斷子程序開啟場(chǎng)中斷子程序結(jié)束NY圖4.6行同步信號(hào)中斷服務(wù)子程序流程此時(shí)，ECT將脈沖到來時(shí)刻的系統(tǒng)主定時(shí)計(jì)數(shù)器值送到了TC4寄存器當(dāng)中。當(dāng)保存這個(gè)值，系統(tǒng)自動(dòng)清除了行中斷標(biāo)記。為了回避初期的信號(hào)毛刺，仍然需要暫時(shí)的關(guān)閉采集的中斷，在很短的一段時(shí)間過后再次打開。另外，在采集行信號(hào)計(jì)數(shù)器中做加一的處理，區(qū)別同一幀中不同行的信息。由于本設(shè)計(jì)并不需要采集圖像信號(hào)的全部，在場(chǎng)中斷服務(wù)程序中回避了一幀中前面的若干行以后，當(dāng)行中斷服務(wù)程序中判斷當(dāng)前行計(jì)數(shù)器值已經(jīng)超過了采集范圍，通過關(guān)閉行中斷使能來回避后而的若干行。最后，程序打開脈沖信號(hào)所在通道的使能，逐個(gè)采集脈沖。在處理算法主場(chǎng)同步開始后獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)關(guān)閉行中斷后，由PC機(jī)調(diào)用圖像處理算法，采用濾波、FFT、CFAR方法完成對(duì)上一幀圖像的處理和修改等等，處理子程序結(jié)束后等待對(duì)所處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，具體流程如圖4.7所示。開始開始初始化設(shè)置處理模塊和寫入模塊設(shè)置參數(shù)等待中斷進(jìn)行過濾、FFT處理完成CFAR處理求模是否進(jìn)行CFAR處理？取特征值修改處理參數(shù)NY圖4.7數(shù)字圖像處理流程N(yùn)N開始串口初始化行中斷是否關(guān)閉？打開串口數(shù)據(jù)處理發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令等待接收數(shù)據(jù)關(guān)閉串口結(jié)束Y圖4.8串口通信基本流程在數(shù)據(jù)傳輸至串行接口模塊時(shí),首先需要串口初始化，約定下位單片機(jī)與上位PC機(jī)雙方的傳輸協(xié)議,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性。然后打開串行接口，PC機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，當(dāng)確定行中斷關(guān)閉后，等待接收數(shù)據(jù)，再在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后關(guān)閉串口，結(jié)束串口通信，其流程如圖4.8所示。串口初始化程序主要分為波特率和傳輸格式兩個(gè)部分,可分別設(shè)置SCI0BD和SCI0CR寄存器,同時(shí)PC機(jī)的串行接口必須設(shè)置相同的協(xié)議。經(jīng)S12單片機(jī)SCI發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)寄存器SCIDRH和SCIDRL中,對(duì)SCIDRL進(jìn)行讀/寫就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。接收和發(fā)送數(shù)據(jù)取決于SCI0CR2寄存器RE,TE位的設(shè)置,當(dāng)TE位為1時(shí),發(fā)送;當(dāng)RE位為1時(shí),接收。SCI寄存器設(shè)置如下://初始化SCI0VoidSci00Open(void){SCI0BD=0x52;//設(shè)置波特率9600b/sSCI0CR1=0x00;//正常8位數(shù)據(jù)位,無校驗(yàn)SCI0CR2_RE=1;//接收使能SCI0CR2_TE=1;//發(fā)送使能SCI0CR2_RIE=1;//接收中斷}//讀SCIunsignedcharSci0Read(){If(SCI0SR1_RDRF==1){SCI0SR1_RDRF=1;ReturnSCI0DRL;}}//SCIvoidSci0Write(unsignedcharchSend){SCI0SR1_TDRE=1;SCI0DRL=chSend;Delay(5);}interruptvoidSCI0_ISR(void){Unsignedcharch;ch=Sci0Read();PORTB=~ch;}4.3數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理(Digitalimageprocessing)又被稱為計(jì)算機(jī)圖像處理。它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程，以提高圖像的實(shí)用性，從而達(dá)到人們所要求的預(yù)期結(jié)果，換句話說，就是通過電子計(jì)算機(jī)處理二維圖像的過程，一幅數(shù)字圖像是一個(gè)具有有限個(gè)位數(shù)的實(shí)數(shù)陣列，首先將圖像數(shù)字化后保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，然后就可以進(jìn)行處理或者顯示在高分辨率的顯示器上。早期的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)價(jià)格昂貴，并且運(yùn)算速度很慢，隨著近期計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展以及即插即用的圖像處理卡的出現(xiàn)，使用普通的計(jì)算機(jī)就可以完成相當(dāng)復(fù)雜的圖像處理工作。數(shù)值圖像處理從處理目的來講可分兩大類：一是以人為對(duì)象，改善人的視覺效果；二是以機(jī)器為對(duì)象，突出圖像中目標(biāo)物的某些特性。數(shù)字圖像處理具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.再現(xiàn)性好。數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于，它不會(huì)因圖像的存儲(chǔ)、傳輸或復(fù)制等一系列變換操作而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時(shí)準(zhǔn)確地表現(xiàn)了原稿，則數(shù)字圖像處理過程始終能保持圖像的再現(xiàn)。2.處理精度高。按目前的技術(shù)，幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這主要取決于圖像數(shù)字化設(shè)備的能力。現(xiàn)代掃描儀可以把每個(gè)像素的灰度等級(jí)量化為16位甚至更高，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達(dá)到滿足任一應(yīng)用需求。對(duì)計(jì)算機(jī)而言，不論數(shù)組大小，也不論每個(gè)像素的位數(shù)多少，其處理程序幾乎是一樣的。換言之，從原理上講不論圖像的精度有多高，處理總是能實(shí)現(xiàn)的，只要在處理時(shí)改變程序中的數(shù)組參數(shù)便可以?；叵胍幌聢D像的模擬處理，為了要把處理精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，就要大幅度地改進(jìn)處理裝置，這在經(jīng)濟(jì)上極不合算。3.適用面寬。圖像來自多種信息源，可以源于可見光圖像，也可以是不可見的波譜圖像（例如X射線圖像、射線圖像、超聲波圖像或紅外圖像等）。從圖像反映的客觀實(shí)體尺度看，可以是小到電子的顯微鏡圖像，大到航空照片、遙感圖像甚至天文望遠(yuǎn)鏡圖像等的一系列圖像。這些來自不同信息源的圖像只要被變換為數(shù)字編碼形式后，均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像（彩色圖像也是由灰度圖像組合成的，例如RGB圖像由紅、綠、藍(lán)三個(gè)灰度圖像組合而成）組合而成，因而均可用計(jì)算機(jī)來處理。即只要針對(duì)不同的圖像信息源，采取相應(yīng)的圖像信息采集措施，圖像的數(shù)字處理方法適用于任何一種圖像。4.靈活性高。圖像處理大體上可分為圖像的像質(zhì)改善、圖像分析和圖像重建三大部分，每一部分均包含豐富的內(nèi)容。由于圖像的光學(xué)處理從原理上講只能進(jìn)行線性運(yùn)算，這極大地限制了光學(xué)圖像處理能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。而數(shù)字圖像處理不僅能完成線性運(yùn)算，而且能實(shí)現(xiàn)非線性處理，即凡是可以用數(shù)學(xué)公式或邏輯關(guān)系來表達(dá)的一切運(yùn)算均可用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)。4.4數(shù)字圖像處理方法數(shù)字圖像處理方法有很多，比如說灰度化、二值化、假彩色化、顏色調(diào)整、負(fù)像、對(duì)比度/亮度調(diào)整、直方圖均衡化、平滑、銳化、低通/高通濾波、中值濾波和邊緣檢測(cè)等，下面討論幾種簡(jiǎn)單的圖像處理方法：1.灰度化顏色可分為黑白和彩色。黑白顏色是指顏色中不包含任何的彩色成分，僅由黑色和白色組成。在RGB顏色模型中，如果R、G、B三者值相等，則顏色(R，G，B)表示一種黑白顏色，其中R與G相等的值叫灰度值，所以黑白顏色又叫做灰度顏色。彩色和灰度之間可以轉(zhuǎn)化，由彩色轉(zhuǎn)化為灰度的過程叫做灰度化處理?；叶然鞘共噬腞、G、B分量值相等的過程。由于R、G、B取值范圍是0-255，所以灰度的級(jí)別只有256級(jí)，即灰度圖像僅能表現(xiàn)256種顏色(灰度)。圖像灰度化操作函數(shù)為ToGray。2.二值化二值圖像(BinaryImage)是指整幅圖像僅有黑白二值的圖像。圖像的二值化就是圖像顯示的時(shí)候只能看到兩種顏色（經(jīng)常是黑白兩色）。圖像的二值化，一般都是在實(shí)現(xiàn)了圖像的灰度操作之后進(jìn)行的。二值化的具體方法有很多，比較常用的是閾值判定法。3.負(fù)像所謂負(fù)像，就像相片的底片一樣，是這樣完成的:首先，得到圖像中某一像素的灰度值，然后用255減去灰度值，再賦值給該像素點(diǎn)，最后依次歷遍圖像中的所有點(diǎn)。4.中值濾波采用中值濾波優(yōu)點(diǎn)是在衰減圖像中隨機(jī)噪聲的同時(shí)，盡可能不使邊界模糊。實(shí)現(xiàn)方法是采用3×3的模板(Mask)，將模板內(nèi)的各點(diǎn)取出灰度值，并按大小排列，然后取中間的灰度值賦值給模板中間點(diǎn)，依次歷遍圖像中的所有點(diǎn)。以圖像二值化為例，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，程序如下：voidDIB::Whiteblack(HANDLEHdib,unsignedn){LPBITMAPINFONEADERlpbi;LPBYTElpS;intwidth,height;longlOffset;WORDwBytesPerLine;if(!hDIB)return;wBytesPerLine=this->BytesPerLine(hDIB);lpbi=(LPBITMAPINFONEADER)GlobalLock(hDIB);width=lpbi->Width;height=lpbi->biHeight;lpS=(LPBYE)lpbi;lpS=lpS+si