采用FPGA和CMOS數字傳感器實現圖像監測系統的設計

作者：廖高華，朱杰斌，劉青

圖像監測在許多領域有著廣泛的應用，目前已經安裝上的圖像監測系統大約60%沿用早期的攝像頭加電視和錄像帶，并采用有線模擬視頻傳輸技術構成。這種方案存在圖像質量低、錄像帶不易保管、資源容易刪改、錄像機磁鼓壽命短、需專人看管換帶、數據的存儲量大、查詢取證檢索和圖像壓縮后期處理困難等難點。另一方面，有線模擬視頻監測存在無線聯網、只能以點對點的方式監視現場、布線工程量極大、對距離十分敏感、不能為遠程實時監測和中心聯網監測提供可擴展性等技術性缺陷。本文提出一種采用FPGA和CMOS數字傳感器實現前端數據采集、利用單片機進行圖像鑒別和壓縮、通過以太網控制器實現圖像數據傳輸的圖像監測系統。該系統不僅實現了圖像信號數據采集，而且數據傳輸速度和穩定性高；不僅靈活性好、成本低，而且具有網絡化、智能化等優點。

1 系統組成和工作原理

整個圖象監測系統采用C/S架構，由本地服務器和多臺智能圖像采集前端組成分布式網絡監測系統。本地服務器和圖像采集前端在實現時使用的是自成局域網的方案，采用UDP傳輸協議和分時輪循管理模式?？蛻舳瞬杉瘮祿?，本地服務器處理數據和發送數據。本地服務器之間通過廣域網連接，采用FTP傳輸協議。系統網絡連接如圖1所示。

嵌入式CPU對采集來的數據進行識別處理，并將有效的圖像數據通過以太網卡控制器發送到本地服務器，本地服務器進行圖像處理或顯示，并向各個終端發送控制信息。同時，本地服務器還決定是否處理過的數據發送到廣域網上。

2 圖像采集傳輸系統

圖像采集傳輸系統前端采集圖像信號，并將它轉化為數字信號，由CPU將這些圖像數據通過網絡上傳到服務器，以供服務器進行圖像處理或顯示等。同時，服務器也通過網絡同圖像采集前端發送控制信號、顯示信息，向終端查詢設備狀態、設備信息以及發布網絡的輔助協議數據包等。圖像采集傳輸系統包括圖像采集存儲模塊、輸入輸出模塊、電源設計模塊、通信模塊、紅外檢測和有效圖像識別模塊以及其它的附屬單元。

2．1 圖像采集存儲模塊

系統的圖像傳感器選擇的是CMOS型高分辨率、高速率彩色圖像傳感器OV7620。如果用CPU直接從CMOS芯片中采集數據，CPU的速度跟不上，存在著高速外設與低速CPU之間不匹配的問題，因此用FPGA實現圖像傳感器和CPU之間的速度匹配，如圖2所示。FPGA內部可以分為內存分配、產生SRAM的讀寫時序和地址、為網卡和CMOS提供主頻、鍵盤擴展、產生LCD的控制時序等幾部分以及其它附屬模塊。

FPGA根據CPU的讀寫信號和CMOS的輸出信號產生緩存的讀寫時序和地址信號。當一幀圖像采集完成時，FPGA向CPU發出一個申請信號，表示緩存里面有一幀數據可以進行讀取。如果CPU不應答，表示這幀數據可以丟棄。這時FPGA重新根據CMOS圖像傳感器的輸出信號向緩存輸送一幀數據，如此循環。如果CPU給出應答信號，FPGA停止向緩存輸送數據，等待CPU發送讀信號。當CPU發出讀信號時，FPGA把CPU的讀信號轉化為內存的讀信號。即FPGA首先根據CMOS的輸出數據轉化為內存的讀信號。

2．2 人機界面設計

鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，鍵的功能定義分為數字鍵和功能鍵，數字鍵為0～9，系統的功能鍵主要有CLR（清除鍵）、OK（確認鍵）、MENU（主菜單鍵）、上翻鍵、下翻鍵、查年系統IP地址鍵。液晶顯示器選用信利公司的產品，其分辨率為128×32點陣。人機界面接口如圖3所示。

圖3人機界面接口

2．3 紅外檢測和圖像識別模塊

紅外檢測和有效圖像識別模塊的作用是減輕網絡的負載，使在實際網絡中傳輸的任何連續兩幀圖像數據不會重復。采用嵌入式CPU進行圖像的模式識別，判斷連續兩幀圖像是否有變化。其電路如圖4所示。

2．4 RS422通信模塊

為了使圖像采集前端和其它設備能夠進行網際互聯，系統掛接了一套全雙工總線式RS422串口通訊模式接口電路，滿足了傳輸速率不太高、傳輸距離遠的要求。在實際傳輸中系統選用的波特率為19200，多機通訊模式，一幀數據長度為11位。

3 嵌入式系統

以太網控制器DM9008F的數據總線是與系統CPU的數據總線直接相連的，通過紅外檢測的方式判斷圖像是否有效。為了提高圖像數據的導入速度，系統使用的圖像數據由高速緩存直接導入DM9008F的環行緩沖區。圖像數據不經過CPU，CPU只產生UDP數據報的報文格式信息：報頭、目的地址、本機地址等。這種模式的優點是節省了CPU的時間，同時使數據流向顯得簡單明了。如果通過算法判斷圖像是否有效，CPU必須實時計算當前幀的圖像并判斷其是否和前幾幀圖像的變化程度一致，這時CPU應產生UDP數據報的所有數據。這樣雖然提高了判斷圖像是否有變化的準確率，但浪費了CPU的時間。采用FPGA來產生地址總線的低五位是為了選擇網卡內部的工作寄存器。其框圖如圖5所示。

4 系統軟件設計

系統軟件包括單片機應用軟件、服務器管理軟件以及它們之間的通訊協議。單片機軟件采用C51和匯編語言聯合編寫的方式，由主程序、鍵盤掃描程序、配置CMOS參數子程序、網卡讀取數據模塊、數據包處理模塊、數據包發送模塊等組成。單片機主程序流程圖如圖6所示。單片機的嵌入式軟件主要包括網卡控制器TCP/IP軟件的實現、鍵盤識別、液晶驅動的編寫、對圖像的讀寫和計算處理、配置CMOS參數、RS422串行通訊軟件的編寫以及與服務器之間協議的實現等部分。

服務器軟件主要讀取圖像數據和下發掃描指令及控制信息。為了調試方便，服務器管理軟件采用Delphi編寫。Delphi 4.0以上的版本都支持兩種組件，即ClientSocket和ServerSocket，這是對Winsocket進行細分的結果。它們分別作為客戶端和服務器端的組件。通過這兩種組件之間的通信。再加上輔助的應用程序代碼，就可以實現通信。

智能化、網絡化、數字化圖像監測系統已經是國內外發展的趨勢。實驗證明：該系統不僅實現了圖像數據等大容量信息的網絡傳統遞。而且也完成了上位機對終端的控制、信息獲取及圖像采集前端對上位機的數據上傳、信息回復等一套完整靈活的雙向通訊協議的實現。在圖像采集的設計中，利用FPGA技術較好地解決了高速外設與低速CPU之間不匹配的問題，使圖像采集可以在8位嵌入式系統中實現。圖像采集傳輸系統采用了一種高速數據傳輸方式——以太網，使系統的傳輸速率高且穩定可靠。紅外檢測和有效圖像識別模式優先圖像，減輕了網絡傳輸的負荷，使整套系統傳輸效率更高。

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