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1、毕毕 业业 设设 计计题目：机器人图像识别系统设计题目：机器人图像识别系统设计姓 名： 学 号： 2007080303317 学 院： 信息 专 业： 电子信息工程 指 导 教 师： 协助指导教师： 2011 年 5 月 25 日摘摘 要要图像信息的获取和传输是图像处理系统的重要组成部分，机器人图像识别系统是利用摄像头采集在机器人面前图像获取所需要信息，经过处理之后传输 pc 系统，作为调试和分析的依据。本设计主要内容：设计并制作机器人图像识别的数据采集主站。完成利用单片机芯片采集图像并实现图像分析后计算控制信号，并由串口传输到 PC 的无线数据通信；主要由单片机、接口电路、摄像头、供电系统等
2、组成。本文论述了设计机器人图像识别系统的原理、实施方案、运行结果和分析。主要内容有数据采集系统、稳压技术、OV7620 摄像头原理、及各部分的程序设计方案。其中，对串行接口、摄像头原理、图像采集及分析进行重点论述。关键词：图像采集关键词：图像采集 单片机单片机 串行接口串行接口 Abstract Image recognition system is the use of robotic cameras capture images in front of the robot needed to obtain useful, accurate and timely information, i
3、mage data is transmitted to the robot after processing the underlying movement of the module, and rely on the RS-232 serial port to the top The a PC acquisition system as the basis fordebugging and analysis. The design of the main elements: the design and production of image recognition of thedata c
4、ollection robot master. Images collected using single chip to complete and implement the control signal calculated after image analysis by the serial port to the PCs wireless data communications; mainly by the microcontroller, interface circuit, camera, power supply system components. This paper dis
5、cusses the design principles of robotic image recognition system, the implementation of the program, the results and analysis. The main contents of the dataacquisition system, the regulator technology, OV7620 camera principle, each part of the program design. Among them, the serial interface, camera
6、 principles, image acquisition and analysis focuses on. Key Words: image acquisition Microcontroller Serial Interface 目目 录录摘 要.IAbstractII引言11 机器人图像识别系统设计方案.11.1 机器人图像识别系统方案论证.1 1.2 机器人图像识别系统的结构组成3 1.3 摄像头电路设计3 1.7 串口设计4 1.8 存储器分配.52 机器人图像识别系统程序设计62.1 机器人图象识别系统的原理6 2.1.1 图像采集原理6 2.1.2 图像传输原理7 2.1.3
7、CMOS 器件的基本结构及工作原理8 2.1.4 OV7620 芯片介绍.8 2.2 图像采集系统原理8 2.2.1 PAL 信号格式 9 2.2.2 MC9S12XS128MAA 介绍.9 2.2.3 MCU 简介10 2.2.4 采集流程11 2.3 机器人图像识别系统工作过程.12 2.3.1 配置摄像头13 2.3.2 配置中断15 2.3.3 时钟超频18 2.3.4 I/O 初始化18 2.3.5 串口初始化19 2.3.6 等待场同步20 2.3.7 循环处理程序203 机器人图像识别系统结果分析263.1 制作过程27 3.2 开发问题分析27结论29致谢30参考文献31引言引
8、言图象就是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿或描述。它是用各种观察系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼。照片、各种类型绘画、电视画面等是图象的直观的例子，还包括视觉无法观察的其他物理图象和空间物体图象。例如，温度、压力、高度等物理量的平面或空间分布，就是无法直接用人眼进行观察的图象。科学研究和统计表明，人们通过视觉系统所获得的信息量大约占所有信息量总和的 75%，这就是从图象中获得。常见的图象是连续的，随着计算机技术的发展，为了能对图象进行加工和处理，数字图像技术出现了许多有关的新理论、新方法、与新设备，并在科学研究、工业生产、医疗卫生等方面得到了广泛的应用。
9、因此，数字图像处理自然而然地便成了一门重要的综合学科。其中，高分辨率、实时的图像处理技术就是较为引人注目的领域之一。展望 21 世纪，图象技术必将得到进一步的发展和应用。1 机器人图像识别系统设计方案机器人图像识别系统设计方案图像信息的获取和传输是图像处理系统的重要组成部分，直接影响图像处理系统的性能。图像信息的采集包括对图像数据、各种附带参数信息以及状态控制信号的采集，一般图像信号和状态参数信号以及控制信号是独立产生的，因此需要设计一种系统能够将外部设备产生的图像数据和状态控制信号同步采集，综合考虑到图像采集系统所要求的实时性，可靠性，以及FPGA在数字电路的设计中的优势，为此利用FPGA实
10、现的图像数据采集传输技术。1.1 机器人图像识别系统方案论证机器人图像识别系统方案论证作为机器人的图像传感器，需要结构简单兼容性良好，而且还要价格低廉运行稳定。因此使用需要使用一款基于CMOS的数字图像传感器，因为CCD一般需要12V电压，很难在5V系统或者3.3V系统工作，而数字摄像头自带了图像引擎，可以做自动白平衡、曝光时间等控制任务，使得采集系统不需处理就能获得清晰图像。综合这些条件，OV7620数字CMOS图像传感器。OV7620是1/3”CMOS彩色黑白图像传感器。它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664492，帧速率为30fps；数据格式包括YU
11、V、YCrCb、RGB三种，能够满足图像采集系统的要求。而单片机虽然工作速度慢，但是成本低廉，最重要的就是支持C语言。本方案中使用了MC9S12XS128MAA单片机，工作时钟40MHz，又兼容3.3V和5V系统。下图1-1所示为一个典型的机器人图像识别系统。图中的成像部分用的是OV7620 CMOS数字图像传感器，目标物通过镜头在CMOS芯片是形成像并，产生信号电压，经由10位AD转换后由内置的图像处理芯片根据SCCB寄存器内的设定进行处理后输出8位图像，能够自动增益和自动白平衡控制,能进行亮度、对比度、饱和度、校正等多种调节功能;其视频时序产生电路可产生行同步、场同步、混合视频同步等多种同
12、步信号和像素时钟等多种时序信号。图 1-1 图像识别系统框图从摄像头传来的图像信号在MC9S12XS128MAA芯片采集之后经过处理和运算产生坐标和控制信号传给PC机。Pc端可以通过RS-232串口接收单片机采集的图像和处理后的结果。通过单片机使用I2C连接摄像头配置SCCB寄存器，能进行亮度、对比度、饱和度、校正等多种调节功能，还可以根据视野调整镜头焦距，最终得到清晰的图像。如图1-2 所示，OV7620摄像头在8位输出的时候pclk周期只有37ns，处理器读取的读入速度必须要在27MHz以上否则会丢失图像数据。用于图像处理的单片机频率为40MHz，一般可以稳定超频到80MHz。4个时钟周期
13、只够执行两条指令，有的指令需要4个周期，用for循环连续的采数也不够，采一次大概需要10-16个周期才能完成。所以速度不能满足采集的需要。而MC9S12XS128MAA芯片，不仅速度不够，片内8K RAM也不足以存储一副图像，所以必须在设计之初就考虑到图像的压缩。OV7620MC9S12 单片机PC 机图1-2 OV7620的8位输出时序图1.2 机器人图像识别系统的结构组成机器人图像识别系统的结构组成如下图1-3所示，机器人图像识别系统使用OV7620作为图像传感器，使用MC9S12XS128MAA作为采集和处理芯片，回送处理后的控制信号，并使用串口输出采集图像，以便于调试。使用开关稳压芯片
14、LM2940CS-5芯片分别提供5V电源。图 1-3 机器人图像识别系统框图1.3 摄像头电路设计摄像头电路设计OV7620摄像头虽然兼容3.3v和5V电源，但是为了稳定使用5V电源，摄像头接口如下图1-4所示。飞思卡尔单片机使用5v电源，连接如下表1-1所示，亮度信号接在A口，行场中断接在T口，电路如下图1-5所示。单片机与图像接口连接表 MC9S12XS128MAA 单片机引脚号视频数据接口引脚号 P48P1 P47P2 P46P3 P45P4 P44P5 P43P6 P42P7 P41P8 P7P14 P8P16 P5P11 P6P13OV7620 成像Freescale单 片机PC5v
15、 电源表 1-1 单片机与图像接口连接表图 1-4 单片机图像接口图 1-5 单片机图像接口连接图1.4 串口设计串口设计RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400
16、、4800、9600、19200波特。 RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 单片机处理完一帧数据后将处理完的数据通过串口传出，使用MAX232做电平转换。单片机串口使用PS0和PS1。具体电路如图1-6所示。图 1-6 单片机串口电路1.51.5 存储器分配存储器分配MC9S12系列单片机片内有RAM、EEPROM和Flash，MC9S12XS128内有8KB RAM；2KB EEPROM
