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

引言
    在單片機應用系統(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困難的。本文運用較高性能的16位飛思卡爾單片機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桿和觀察點之間的距離。本文將標桿制成等間距紅外點光源標桿，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；標尺實際像素物理距離h由攝像頭標定取得。遠距離測距原理示意圖如圖1所示，整條點光源標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，點光源標桿只有部分在攝像頭范圍內(nèi)。通過圖1，可求出前方標桿與觀察點的距離D。攝像機的成像幾何關系也可用小孔成像原理來近似表示：
   

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2 圖像采集系統(tǒng)硬件設計
    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桿，通過標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。由單片機監(jiān)測攝像頭的行／場信號，控制FIFO讀取相應的圖像；讀完所有行后，關閉FIFO讀取圖像功能，開始由單片機從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，并進行相應的圖像處理，根據(jù)圖像處理的復雜程度，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)時單片機只需通過中斷使能行／場信號，絕大部分時間單片機可以用來進行圖像處理。本文采取的是采集一幀圖像后，單片機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幀時間進行圖像處理和控制，其結果是圖像由原來的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MC9S12DG128
    本文采用飛思卡爾1 6位單片機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)總線時鐘頻率最高可達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圖像最高達到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用，對紅外光線敏感；
    ◆標準的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)部功能結構框圖如圖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。
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3 圖像采集系統(tǒng)程序設計
3．1 系統(tǒng)實現(xiàn)
    要想在單片機應用系統(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，周期最大為1000 ns，最小為20 ns(對應主頻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?？梢?，AL422B的速度滿足設計要求。具體操作時，由單片機的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，由單片機的I／O口控制寫復位／WRST，使其為低電平，使能復位，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，周期最大為1000 ns，最小為20 ns，當／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。當單片機的主頻為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。

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    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。讀完一副圖像后，由單片機的I／O口控制寫復位／RRST，使其為低電平，使能復位，數(shù)據(jù)讀出地址指針將回到0地址位。

3．2 程序設計
    程序設計流程如圖9所示。當單片機檢測到場信號更新后，開始監(jiān)測行信號到達，之后使能／WE，開始順序讀取圖像。讀完一幀圖像后關閉／WE，單片機使能／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3 MB的問題。點光
源標桿發(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，為此在讀取的同時將各像素點與閾值進行比較，小于閾值的為疑似點光源并記錄對應坐標；當讀取完一行像素時，得到的將是一組疑似點光源坐標的像素位置，將其進行統(tǒng)計求平均，得出點光源在該行的坐標，最多12個字節(jié)(正面標桿6個，某側標桿6個)，遠遠小于整行640個字節(jié)。

    當讀取完一幀像素時，得到最多12×480個字節(jié)，單片機64 KB的容量完全可以存儲，最后將行求平均，得出最終的點光源坐標。經(jīng)驗證，所需總時間在2．15幀圖像內(nèi)完成。

結語
    文中討論了基于FIFO芯片和單片機實現(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)樣機檢驗，能夠滿足要求，達到了預期效果。