葉麵積測定儀的嵌入式係統硬件設計
來源： http://www.98fo.cn/ 類別：實用技術 更新時間：2013-01-24 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網提供】 葉麵積測定儀的嵌入式係統硬件設計，使得在測量植物葉麵積的時候，十分便利，下麵我們就看看該嵌入式係統硬件是如何設計，葉麵積測定儀的係統硬件設計以CycloneⅡ係列EP2C70F896C6芯片作為核心，器件具有68416個邏輯單元(LE)，250個M4KRAM存儲資源，150個內嵌硬件乘法器和4個鎖相環，支持NiosⅡ處理器，可以滿足係統設計要求。係統工作流程是：KEY1控製CMOS采集模塊開始圖像采集，將RGB格式數據存入SDRAM，做圖像處理後，由TFT_LCD實時顯示圖像；KEY2控製結束圖像采集，定格顯示一幀圖像；KEY3控製將處理後的圖像數據寫入SSRAM，NiosⅡ軟核處理器完成葉麵積的計算，葉麵積數據顯示在16×2LCD上。由於係統實時性要求，對於圖像采集單元、圖像存儲單元和圖像處理單元用Verilog硬件描述語言設計，由硬件實現相應功能，葉麵積計算和係統流程控製用嵌入式NiosⅡ處理器以軟件方式實現。
1、葉麵積測定儀的圖像采集單元
葉麵積測定儀的圖像采集單元采用Micron公司生產的CMOS圖像傳感器MT9P031，像素尺寸為2．2μm×2．2μm，信噪比為38dB，動態範圍為70dB。圖像采集單元包括I2C配置模塊、CMOS采集模塊、色彩還原模塊。I2C配置模塊用於配置CMOS的參數。按照I2C總線的寫時序，用狀態機設計串行時鍾信號線I2C_SCLK和串行數據信號線I2C_SDAT，對CMOS寄存器寫操作。給地址為03H寄存器配置0x03BF，設定行寬為1600；04H寄存器配置0x063F，設定列寬為960，所以，CMOS的輸出分辨率是1600×960。
CMOS采集模塊檢測來自NiosⅡ的信號capture_start開始采集數據，capture_stop結束采集數據。按照CMOS的輸出時序，當幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL同時為高電平，在像素時鍾信號PIXCLK的上升沿開始采集12位有效葉片圖像數據D［11∶0］。采集的葉片圖像數據是便於傳輸的Bayer格式，經過色彩還原模塊將其轉換成RGB格式。在Bayer格式中，每個像素隻表達R，G，B中的一種顏色，要借助這個像素點周圍的像素對它進行插值填充另外2種顏色，將圖像恢複成全彩色RGB圖像。這裏用到的插值算法是將2×2模板裏的4個像素合並為1個RGB像素，模板中包含1個R，1個B、2個G像素點，先判斷像素點所在的行和列是奇數還是偶數，然後取1個B像素為輸出的B分量，1個R像素為輸出的R分量，2個G像素的均值為輸出的G分量，合成RGB格式輸出。經過處理後，RGB圖像的像素變為原來的一半，即800×480。
2、葉麵積測定儀的SDRAM控製器單元
外擴的SDRAM芯片是ISSI公司的IS42S16160B，芯片結構為4M×16bit×4Bank，16位數據寬度，最高工作頻率達到166MHz。根據SDRAM內部操作狀態之間的聯係，用狀態機實現SDRAM控製器設計。
在SDRAM數據讀寫的控製中，由於前端CMOS數據采集工作頻率是27MHz，而SDRAM工作在100MHz，TFT_LCD的時鍾是33MHz，為了係統的穩定性，在SDRAM控製器模塊中，使用FIFO作為讀寫數據緩存，FIFO的容量大小為512，數據寬度16bit，FIFO采用雙時鍾、雙端口異步操作方式以防止數據丟失。FIFO與SDRAM之間的數據傳輸采用全頁突發傳輸方式，係統LENGTH設置為256，如果圖像采集單元存入write_FIFO中的數據量大於256個字，write_FIFO發出寫數據命令，將256個字寫入SDRAM指定地址，相應的SDRAM行地址加1，列地址歸零，收到Precharge命令之後進行預充電和刷新以保持SDRAM的數據，對下一行進行第二次突發傳輸，直到圖像數據寫入完畢，行、列地址計數器歸零。當收到讀數據命令並且此時寫命令無效，控製器從SDRAM中讀出256個字到read_FIFO，行地址加1，列地址歸零，對下一行讀操作，依此類推到圖像全部讀完，行、列地址計數器歸零。
3、葉麵積測量儀的圖像處理單元
葉麵積測量儀獲(huo)取(qu)葉(ye)片(pian)圖(tu)像(xiang)後(hou)，為(wei)了(le)將(jiang)葉(ye)麵(mian)與(yu)背(bei)景(jing)有(you)效(xiao)區(qu)分(fen)，需(xu)要(yao)對(dui)原(yuan)始(shi)葉(ye)片(pian)圖(tu)像(xiang)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)數(shu)據(ju)量(liang)大(da)，用(yong)軟(ruan)件(jian)方(fang)式(shi)速(su)度(du)慢(man)，以(yi)硬(ying)件(jian)方(fang)式(shi)做(zuo)圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)，可(ke)以(yi)發(fa)揮(hui)FPGA的並行處理能力，充分利用EP2C70F896C6豐富的邏輯資源。將RGB圖像轉換為灰度圖像，通過提取RGB圖像的單分量圖像，即R分量圖像、G分量圖像、B分量圖像，發現B分量圖像中目標與背景差異最大，以此將RGB圖像轉換為B分fen量liang圖tu像xiang。對dui得de到dao灰hui度du圖tu像xiang進jin行xing閾yu值zhi分fen割ge，得de到dao二er值zhi化hua圖tu像xiang，由you於yu葉ye片pian圖tu像xiang與yu背bei景jing的de灰hui度du值zhi差cha異yi明ming顯xian，觀guan察cha圖tu像xiang的de灰hui度du直zhi方fang圖tu，有you很hen好hao的de雙shuang峰feng特te性xing，所suo以yi，用yong雙shuang峰feng之zhi間jian的de穀gu底di灰hui度du值zhi作zuo為wei閾yu值zhiT將灰度圖像二值化，大於T的像素值為255，顯示為白色；小於等於T的像素值為0，顯示為黑色。這樣得到了背景為白色，葉片為黑色的二值圖像，使葉片從背景中分離出來。
通tong過guo實shi驗yan驗yan證zheng，葉ye麵mian積ji測ce量liang儀yi用yong於yu離li體ti葉ye片pian的de葉ye麵mian積ji測ce量liang穩wen定ding可ke靠kao。係xi統tong可ke以yi在zai原yuan有you的de硬ying件jian架jia構gou下xia改gai進jin應ying用yong程cheng序xu，測ce量liang葉ye片pian其qi他ta參can數shu，體ti現xian了le係xi統tong的de靈ling活huo性xing。
1、葉麵積測定儀的圖像采集單元
葉麵積測定儀的圖像采集單元采用Micron公司生產的CMOS圖像傳感器MT9P031，像素尺寸為2．2μm×2．2μm，信噪比為38dB，動態範圍為70dB。圖像采集單元包括I2C配置模塊、CMOS采集模塊、色彩還原模塊。I2C配置模塊用於配置CMOS的參數。按照I2C總線的寫時序，用狀態機設計串行時鍾信號線I2C_SCLK和串行數據信號線I2C_SDAT，對CMOS寄存器寫操作。給地址為03H寄存器配置0x03BF，設定行寬為1600；04H寄存器配置0x063F，設定列寬為960，所以，CMOS的輸出分辨率是1600×960。
CMOS采集模塊檢測來自NiosⅡ的信號capture_start開始采集數據，capture_stop結束采集數據。按照CMOS的輸出時序，當幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL同時為高電平，在像素時鍾信號PIXCLK的上升沿開始采集12位有效葉片圖像數據D［11∶0］。采集的葉片圖像數據是便於傳輸的Bayer格式，經過色彩還原模塊將其轉換成RGB格式。在Bayer格式中，每個像素隻表達R，G，B中的一種顏色，要借助這個像素點周圍的像素對它進行插值填充另外2種顏色，將圖像恢複成全彩色RGB圖像。這裏用到的插值算法是將2×2模板裏的4個像素合並為1個RGB像素，模板中包含1個R，1個B、2個G像素點，先判斷像素點所在的行和列是奇數還是偶數，然後取1個B像素為輸出的B分量，1個R像素為輸出的R分量，2個G像素的均值為輸出的G分量，合成RGB格式輸出。經過處理後，RGB圖像的像素變為原來的一半，即800×480。
2、葉麵積測定儀的SDRAM控製器單元
外擴的SDRAM芯片是ISSI公司的IS42S16160B，芯片結構為4M×16bit×4Bank，16位數據寬度，最高工作頻率達到166MHz。根據SDRAM內部操作狀態之間的聯係，用狀態機實現SDRAM控製器設計。
在SDRAM數據讀寫的控製中，由於前端CMOS數據采集工作頻率是27MHz，而SDRAM工作在100MHz，TFT_LCD的時鍾是33MHz，為了係統的穩定性，在SDRAM控製器模塊中，使用FIFO作為讀寫數據緩存，FIFO的容量大小為512，數據寬度16bit，FIFO采用雙時鍾、雙端口異步操作方式以防止數據丟失。FIFO與SDRAM之間的數據傳輸采用全頁突發傳輸方式，係統LENGTH設置為256，如果圖像采集單元存入write_FIFO中的數據量大於256個字，write_FIFO發出寫數據命令，將256個字寫入SDRAM指定地址，相應的SDRAM行地址加1，列地址歸零，收到Precharge命令之後進行預充電和刷新以保持SDRAM的數據，對下一行進行第二次突發傳輸，直到圖像數據寫入完畢，行、列地址計數器歸零。當收到讀數據命令並且此時寫命令無效，控製器從SDRAM中讀出256個字到read_FIFO，行地址加1，列地址歸零，對下一行讀操作，依此類推到圖像全部讀完，行、列地址計數器歸零。
3、葉麵積測量儀的圖像處理單元
葉麵積測量儀獲(huo)取(qu)葉(ye)片(pian)圖(tu)像(xiang)後(hou)，為(wei)了(le)將(jiang)葉(ye)麵(mian)與(yu)背(bei)景(jing)有(you)效(xiao)區(qu)分(fen)，需(xu)要(yao)對(dui)原(yuan)始(shi)葉(ye)片(pian)圖(tu)像(xiang)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)數(shu)據(ju)量(liang)大(da)，用(yong)軟(ruan)件(jian)方(fang)式(shi)速(su)度(du)慢(man)，以(yi)硬(ying)件(jian)方(fang)式(shi)做(zuo)圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)，可(ke)以(yi)發(fa)揮(hui)FPGA的並行處理能力，充分利用EP2C70F896C6豐富的邏輯資源。將RGB圖像轉換為灰度圖像，通過提取RGB圖像的單分量圖像，即R分量圖像、G分量圖像、B分量圖像，發現B分量圖像中目標與背景差異最大，以此將RGB圖像轉換為B分fen量liang圖tu像xiang。對dui得de到dao灰hui度du圖tu像xiang進jin行xing閾yu值zhi分fen割ge，得de到dao二er值zhi化hua圖tu像xiang，由you於yu葉ye片pian圖tu像xiang與yu背bei景jing的de灰hui度du值zhi差cha異yi明ming顯xian，觀guan察cha圖tu像xiang的de灰hui度du直zhi方fang圖tu，有you很hen好hao的de雙shuang峰feng特te性xing，所suo以yi，用yong雙shuang峰feng之zhi間jian的de穀gu底di灰hui度du值zhi作zuo為wei閾yu值zhiT將灰度圖像二值化，大於T的像素值為255，顯示為白色；小於等於T的像素值為0，顯示為黑色。這樣得到了背景為白色，葉片為黑色的二值圖像，使葉片從背景中分離出來。
通tong過guo實shi驗yan驗yan證zheng，葉ye麵mian積ji測ce量liang儀yi用yong於yu離li體ti葉ye片pian的de葉ye麵mian積ji測ce量liang穩wen定ding可ke靠kao。係xi統tong可ke以yi在zai原yuan有you的de硬ying件jian架jia構gou下xia改gai進jin應ying用yong程cheng序xu，測ce量liang葉ye片pian其qi他ta參can數shu，體ti現xian了le係xi統tong的de靈ling活huo性xing。
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