嵌入式单片机系统在图像采集中的研究范文

摘要：本文对图像采集与处理技术的发展概况进行阐述，分析嵌入式单片机以及图像采集硬件系统结构，制定出基于ARM微处理器的图像采集与处理系统方案，以实际仿真实验验证系统运行的可行性。

关键词：嵌入式；单片机；图像采集

1图像采集与处理技术的发展概况

所谓的图像采集与处理，主要是指人们通过一定的仪器以及观测手段，对客观事物的图像信息进行获取，运用相应的技术进行处理，使图像的处理结果能够帮助人们更好的了解客观世界。图像采集与处理技术依旧属于新兴技术领域，在数字技术与微机技术迅猛发展的背景下，给数字图像处理提供了先进的技术手段。图像采集与处理技术的应用领域越来越广泛，主要包括：工业视觉中的工业检测、探伤、测量以及自动生产流水线方面。空间探测与遥感的地形地质资源调查、预测自然灾害、处理气象卫星云图等。生物医学中的细胞分类、染色体分类、CT技术等方面。通信领域的图像压缩与传输以及图像的序列处理。办公自动化中的汉字印刷识别、票据识别等。在传统的图像采集与处理系统中，大多以PC机作为处理主机，这种系统结构比较复杂、易受干扰，另外，系统的集成度与保密性也很低。随着科学技术的快速发展，嵌入式微处理器的图像采集与处理系统成功研发，这种系统能够实现实时图像采集、图像处理一体化，结构更加紧凑，有效降低成本，提高处理速度，并且安装方便、配置灵活，具有很大的市场应用前景。

2数字图像处理的基本特点

（1）一般情况下，数字图像处理的信息大多为二维信息，并且信息量很大，例如一幅高分辨率彩色512×512的图像就要求768kbit的数据量，所以数字图像处理对计算机的计算速度以及存储容量的要求比较高。（2）数字图像处理所占用的频带要比语言信息宽的多，在成像、传输、存储、处理等多个环节的技术难度都比较大，成本较高，所以对频带压缩技术提出了更高的要求。（3）在数字图像中，各个像素的相关性很大，并不独立，在图像画面上会有很多像素有比较接近的灰度，相关系数会达到0.9以上，一般情况下，相邻两帧之间的相关性比帧内相关性要大一些，所以，数字图像处理具有很强的信息压缩潜力。（4）由于二维图像画面不能反映三维景物信息，所以，针对三维景物一定要作合适的假设与测量，通过知识来引导了解三维景物。（5）数字图像处理之后会给人进行观察与评价，由于人的视觉系统比较复杂，在不同环境条件、视觉性能、情绪爱好下，会对已经处理的图像做出不同的评价。

3嵌入式单片机系统

嵌入式系统在社会各个行业的发展中都能够创造出极大价值，实质上，嵌入式系统以软件与硬件为主，其中硬件为平台的典型，能够细化到处理器、硬件设备等构件。在我国计算机系统运用中，嵌入式系统是一种比较常见的形式，嵌入式系统大多通过系统移植技术，将微处理器“嵌入”到实际应用系统中来确保系统智能化运行。单片机是一种典型的嵌入式微控制器，嵌入式单片机系统已经在多个领域得到广泛应用，与普通计算机系统相比，嵌入式单片机系统在系统构成中最重要的部件是单片机系统，在对设备的操作与管理过程中发挥着重要作用。随着单片机功能的不断提升，促进了嵌入式单片机系统的发展，嵌入式单片机系统是多种技术有效结合在一起的产物。嵌入式单片机系统的硬件结构比较复杂，主要包括CPU、SDRAM、Flash以及以太网接口等，另外，嵌入式单片机系统的硬件结构还具有充足的资源装载和运行用户的应用程序，总体来看，嵌入式单片机具有体积小、低能耗、速度快的优点，同时还可以装载与运行嵌入式Linux操作系统。

4图像采集系统硬件结构

图像采集系统硬件结构主要由图像传感器、逻辑时序结构、图像帧存储器、嵌入式单片机组成，每一个硬件结构都具有十分重要的作用，其中图像传感器在图像采集系统中发挥着核心作用，其次，嵌入式单片机的作用也不容小觑，嵌入式单片机可以通过12C总线对功能寄存器进行设置，有效对图像数据的输出格式、位数、速度等进行控制。嵌入式单片机能够提高图像采集效率，节约图像采集成本，图像传感器中的芯片输出频率较高，并且图像输出速度也比较快，首先通过CPLD将传感器输出的图像存储到图像帧储存器中，然后通过嵌入式单片机系统对图像数据进行读取与分析。读出图像之后，逻辑时序译码器会产生读信号，由地址发生器结合储存器的片选、写信号、速度等来产生同步的地址信号，实现图像帧储存器数据总线的读写双向操作目的。

5基于ARM嵌入式微处理器的图像采集与处理系统方案制定

完整的图像处理系统不仅要具备图像采集功能，而且要求对图像能够实时分析与处理，本文分析的嵌入式单片机在图像采集系统中的应用，以ARM嵌入式微处理器为核心单元，以CPLD作为时序控制单元来构建实验平台，系统采用CCD图像传感器为图像输入设备，A/D转换芯片、CPLD以及存储器作为前端采集系统，通过接口将所采集到的图像传输到ARM嵌入式系统中，该系统可以对所采集的图像特征进行分析并处理，处理结构通过显示器显示出来，另外可以直接执行器件发出控制指令，进行相应的操作。其中虚线箭头为控制信号。由于A/D转换的数据传输频率与SDRAM的读写频率不相匹配，所以需要添加一FIFO缓存器作为接口，实现数据的缓冲，避免产生数据丢失或频率差异，该系统的工作流程为：ARM向CPLD发出信号采集指令，由CPLD向CCD驱动芯片发出驱动编码控制信号，CCD传感器所采集到的图像模拟信号通过A/D转换芯片的数字化处理写入到FIFO缓存，当FIFO半满时会提示CPLD读取FIFO数据并且写入到SDRAM中，写满一帧图像之后，CPLD内部进行数据切换，使ARM能够读取SDRAM中的图像数据，最后由ARM微处理器对图像数据进行处理。该系统的设计目标为：在获得图像传感器收集到的图像信息之后，经过数字化处理之后，在存储介质中进行存储，每次采集的图像都会进行相应处理，该系统通过高性能微处理器对图像的结果进行控制，做出判断之后，最终输出结果。

6嵌入式单片机系统的图像采集时序仿真

对于图像采集与处理系统来讲，能够正常工作的前提是可以高效准确的获得所需图像信息，本次以Altera公司MAX7000系列的epm128s100芯片为例，进行嵌入式单片机系统的图像采集时序仿真实验，该芯片可预测性强、速度快，能够满足高速图像采集的需求。Mcu_clk为单片机系统总线时钟信号，rst为地址发生器清零信号，mcu_cs为单片机系统片选信号，mcu_read为单片机系统读信号，mcu_write为单片机系统写信号，cpld_cs为CPLD片选信号，sram_adr为地址发生器产生的地址信号，sram_cs为图像帧存储器片选信号，sram_read为图像帧存储器读信号，sram_write为图像帧存储器写信号，sram_data为图像帧存储器图像输出数据，mcu_data为嵌入式单片机系统的图像数据。单片机系统对帧存储器的数据进行读取时，与CPLD相连的地址信号、片选信号和读信号均有效，sram_adr加1，并将地址信号传送到图像帧存储器中，会将图像帧存储器的片选信号与读信号置为有效，这样一来就会将图像数据从图像真存储器中读入到单片机系统中。

7结束语

嵌入式单片机系统逐渐实现了自动化操作，使系统的运行更加准确，促进图像采集工作的效率提升，为我国社会发展建设做出重要贡献。为了使嵌入式单片机系统在图像采集中更好的发挥作用，还需相关研究人员加强对嵌入式单片机系统在图像采集与处理中的运用进行分析。

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作者:郝惠惠 张君君 单位:郑州理工职业学院