自动图像报警系统研究及单片机实现

2006-05-07 15:49:30来源: 电子技术应用


2 设计实现中的关键技术

    保证实时性和动态调整能力是系统实现中的首要目的。为便于硬件处理,算法上采用灰度阈值分割和差值图像面积累计。基于降低系统成本的考虑,不可能选用具有较强数字信号处理能力的DSP芯片,而一般的工业控制单片机又很难达到实时运算的要求,这正是设计中的关键问题。

    本系统中采用了查找表的思想,将图像差值运算转换为对FLASH/EPROM的读操作。其原理是预先将差值算法的处理结果存储于FLASH或EPROM的既定存储单元中,而进行差值运算的两帧图像的象素灰度数据(8bits)分别作为存储器的高8位地址和低8位地址。这样处理的结果是每进行一个象素的差值运算,所需要的时间是存储器的一个读周期,显然可以满足实时的要求。经过差值处理后的象素灰度值再经过阈值判别送计数器,当累计数量超过一定面积时,MCU将发出报警信号。

    存储器(FLASH/EPROM)的算法为:

    (Gvalue)=|Hvalue-Lvalue|(1)

    其中Hvalue为A/D直通图像抽样信号(8bits),同时也是存储器高8位地址;Lvalue为DRAM中存储的数字图像参考帧抽样信号(8bits),即存储器低8位地址;Gvalue为存储器16位地址。

    阈值判别采用全局阈值法[2],这种方法适用于场景具有均匀光照条件的情况。对于场景整体灰度的变化,可以通过由MCU控制定时刷新DRAM参考帧数据,并调整全局阈值T和临界面积S而获得自适应的效果。阈值判别和计数统计如式(2)(3)所描述:

    if(Gvalue)>T,count=count+1(2)

    if count>S,触发报警(3)

    系统工作实例如图2所示。

3 单片机实现中的器件选择和工作特性描述

    硬件实现中器件的选择对整个系统的性能起着举足轻重的作用。ATMEL公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。经过认真调研,本系统选用了ATMEL的几款芯片完成系统的关键部分功能。

3.1 RISC结构单片机AT90S2313

    ATMEL公司的90系列单片机是增强RISC内载FLASH的单片机,通常简称为AVR单片机。传统的基于累加器的结构需要大量的程序代码,以实现累加器和存储器之间的数据传送,并且由于时钟分频,使得数据传输成为系统瓶颈。AVR单片机是第一种真正的8位RISC单片机,快速存取RISC寄存器文件和单指令周期使它的性能明显优越于普通8位单片机[3]。

    AT90S2313具有2K字节内载编程FLASH,128字节SRAM数据存储单元,128字节EEPROM工作寄存器,32字节通用工作寄存器,15I/O,8位和16位定时/计数器各一个,通用异步收发,20脚PDIP或SOIC封装,支持在系统编程,最高工作频率达12MHz[4]。本系统中,它负责完成A/D器件的初始化,地址发生器、数据存储器的控制,以及计数统计和报警触发。

    A/D转换选用了Philips公司的SAA7111,其初始化通过I2C总线进行。利用两个AT90S2313的通用I/O引脚,就可以产生I2C总线的时序信号,完成对SAA7111的初始化。片内的16位计数器用以进行计数统计,并产生中断报警信号。阈值判别和临界面积的设定以及DRAM参考帧的定期刷新都通过对AT90S2313的编程来实现。

    由于采用了精简指令集结构,AT90S2313的编程与通常的51系列有所不同。为实现更复杂的控制功能,还可考虑选择AT90S系列的其他型号,如4414、8515等。

3.2 AT29C512高密度FLASH

    尽管FLASH技术在今天已经不是什么新鲜产物,但ATMEL的AT29和AT49系列仍以其卓越的性能和广泛的适用性在市场上独占熬头。本系统根据差值数据宽度的需要,选择AT29C512(64K×8)Boot FLASH,其读周期长度为70ns,完全满足实时处理的要求。

    选用FLASH的优点是可以进行在系统改写,这在使用环境复杂、需要大量动态调整处理的情况下是非常有利的。可以通过AT90S2313对FLASH中的差值算法进行修改以适应实际环境的需要。

    对于环境条件变化不大的情况,可以使用ATMEL公司的EPROM产品,型号为AT27C512R或AT27C520。

3.3 ATF1500A高密度CPLD

    DRAM的操作时序信号包括行、列地址产生、刷新控制、读写控制等全部由地址信号发生器来产生,这里选用了ATF1500A高性能FLASH CPLD。除产生经过抽样选择的行、列地址信号外,还需要给AT29C512提供读控制信号及完成整个系统的同步。SAA7111主模式所产生的时钟信号LLC2是系统工作的基准时钟。由于SAA7111输出的图像格式大大超出了报警系统所需要的基本分辨率,所以要进行一定的分频即抽样处理。

    ATF1500A具有32个触发器,32I/O和1500等效门,最大管脚间延时为7.5ns,44脚PLCC或TQFP封装[5]。其各种工作参数充分满足了系统地址/控制总线结构的需要,并且具有第三方开发工具支持和加密特性。

    除ATF1500A以外,1500系列还包含多种型号来满足不同复杂度的应用需要,包括在系统编程功能。另外还可以考虑使用多片ATF22V10来实现同样的功能,或者使用ATF750系列,后者采用ATMEL公司独有的PLD结构,在24脚的封装类型中功能最强。

4 系统性能评估

    与单点信号报警相比,自动图像报警系统具有全景监测、动态调整和抗干扰能力强等优点。在系统设计实现过程中,采用了查找表技术降低处理器复杂度,并通过器件的比较和选用,使系统运行效果达到了优化。

    在系统试运行过程中,当出现蚊虫爬上摄像机镜头和闪电等情况时,可能导致误报的发生。解决的方法涉及对图像内容的理解和动态范围调整与时间密度相关性的问题,将进行深入研究和讨论。
  

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1308.html
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