基于ARM的图像采集处理系统设计

基于ARM的图像采集处理系统设计

摘要

随着现代制造工业中微细加工技术的不断发展，对微细零件表面形貌测量的要求越来越高，具有较高横向及纵向分辨率的激光并行共焦显微系统可以突破光学衍射的极限要求,对物体表面进行无损检测及三维形貌重构。为了进一步实现光学系统的便携化、智能化需求，具有体积小、成本低、专用性强等一系列独特优点的嵌入式系统，无疑有着极好的应用前景。

本文主要研制了一种基于ARM的便携式图像采集处理系统。论文主要以硬件设计和软件设计两大部分完成对系统的论述：硬件设计中，通过分析实际图像采集需求后总结设计的主要性能指标，确定了采集系统的主要控制平台和图像传感芯片，给出了总体的硬件设计方案，并在此基础上完成了SCCB控制模块、图像数据捕获模块、串口调试模块等硬件接口模块的设计；软件设计中，完成了CMOS 的驱动程序、图像数据采集的驱动程序、Bayer图像数据转换算法等软件设计工作，最后论述了静态图像采集系统相关调试、实验工作，结果表明此嵌入式图像采集系统基本达到预期目标，证明了设计的合理性和正确性。

本系统一定程度上提高了低功耗微控制器图像采集的效率，将图像采集系统对硬件的依赖转化为设计人员的软件设计工作，相对于传统PC机+CCD的方案，不仅在体积、成本上具有明显优势，更体现出良好的柔性，便于今后的维护、优化。

关键词：ARM，LPC2478,图像采集，便携式

第一章绪论

1.1 嵌入式系统概述

1.1.1 嵌入式系统

嵌入式系统被IEEE（国际电气和电子工程师协会）定义为“是一种用来控制、监视或者辅助仪器、机械操作的装置”。无论嵌入式计算机技术如何发展，都改变不了其“内含计算机”、“嵌入到对象体系中”、“满足对象智能化控制要求”的技术本质，因此可以将嵌入式系统定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统”。

嵌入式系统具有3个基本特点，即“计算机性”、“嵌入性”及“专用性”：

●“计算机性”是目标系统智能化、自动化控制的根本保证，内含

微处理器的现代电子系统，方才能实现目标系统的计算机智能化

控制能力；

●“嵌入性”则是专指起源于微型机、嵌入到目标对象系统进而实

现对象体系智能控制的特性；

●“专用性”是指为了贴合对象控制需求或特定环境要求下的软硬

件的裁剪性。

嵌入式系统在很多产业中都得到了广泛的应用，包括消费电子、国防军事、工业控制等领域应用的越来越广泛，从军用的导弹系统到民用的消费电子、智能家电、汽车，嵌入式系统无处不在。

1.1.2 嵌入式处理器

通用计算机处理器的系统拥有大量的应用编程资源、外设接口总线及先进的高速缓存逻辑，但也具有能源消耗大、产生热量高、成本尺寸大等不可回避的问题，因此诞生了为各种专用应用而设计的特殊目的处理器——嵌入式处理器，主要分为以下四类：

●嵌入式微处理器：在应用中将微处理器装配在专门设计的电路板

上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能而换来系统体积和功耗

的大幅减小，在功能上保留和标准微处理器一致的同时更在工作

温度、抗电磁干扰、可靠性等方面得到增强。

●嵌入式微控制器：即单片机，就是将整个计算机系统集成到一块

芯片中，一般以某一微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、

RAM、总线等必要功能和外设，是目前嵌入式系统工业的主流。

●嵌入式DSP处理器：对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适

合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度快，在数字滤

波、FFT、谱分析等方面DSP算法大量进入嵌入式领域。

●嵌入式片上系统：将通用处理器内核作为SOC设计公司的标准

库，用标准的VHDL等语言描述存储在器件库中，在定义出其整

个应用系统并仿真通过后即可制作样品，大大优化了系统电路板

体积、功耗和可靠性。

1.2 图像采集技术的研究现状

1.2.1 图像采集系统简介

图像采集是将图像信息光电转化成便于计算机传输、存储的数字信号的过程。图像采集术在现今应用最广泛的方向是视频应用，早在上世纪无声电影的出现便开启了视频应用的时代，近年来随着计算机技术、网络技术及图像处理、视频压缩等技术的不断发展很大程度上扩展了图像采集术在各种产业领域使用，并且面对多样化的应用方面出现了基于多种处理平台的图像采集系统。

总的来说图像采集系统由光电转换和信号处理两大模块组成：

●光电转换模块：用来完成对成像光信号到电信号的转换，其中的

主要转换器件从最早的光电二极管到现在的CCD、CMOS传感器

的时代；

CCD（电荷耦合器件）图像传感器，具有较高的信噪比和敏感度，功耗相对CMOS较大（3个以上电源电压），主要应用于

消费级数码产品；

CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器，原本是计算机系统内一种重要芯片，用来保存系统引导最基本的资料，后

来被人们应用于影像传感器领域。前期无论在信噪比、动态

范围等方面均不如CCD，主要应用于消费电子产业及高端图

像传感领域。

●信号处理模块：根据系统应用级别、领域的不同而呈现多样化的

趋势，如在工业检测方面多用AVR单片机，在民用级生产生活中

多用图像采集卡和PC机，介于近年来嵌入式技术的快速发展，

在工业领域、民生生活方面都有了广泛应用：

DSP：高工作频率（500Mhz以上）、内含乘法器、在系统结构及指令进行特殊设计的DSP处理器在视频系统的应用尤其

深入，不足之处则是相对较高的成本投入及较少的外设接

口；

FPGA：在ASIC（特定用途集成电路）领域现今发展最为充分

的平台，用标准VHDL硬件设计语言便可实现对任何芯片的

仿真制造，特别善于对数字信号的逻辑处理；

ARM：近年来随着工作频率和功能模块嵌入种类的不断提升，及特有的小体积、低功耗、接口丰富的特点在图像采集

乃至视频监控领域崭露头角。

1.2.2 嵌入式图像采集系统

CMOS图像传感器内部集成了A/D，且随着近几年的不断发展，分辨率也不断提高，集成化程度高、功耗低、体积小的特点更使得CMOS模块在消费电子产业中的手机、数码相机等大放异彩。结合了图像采集系统及嵌入式系统的利弊特点，人们逐渐将嵌入式技术应用于图像采集领域，充分将嵌入式技术的专用性、便携性等特征在图像采集方面得到体现，也带来了图像采集技术在工业计量、生物医学、多媒体等多领域上的飞速发展。

现今较为常用的嵌入式图像采集方案主要有以下3种：

1、图像传感器+ FPGA + SRAM

2、图像传感器+ DSP + SRAM

3、图像传感器+ ARM + SRAM

方案1利用FPGA（现场可编程门阵列）可以较为方便的实现图像采集中多种同步信号的逻辑处理；方案2中的DSP（数字信号微处理器）所具有的高运行速度、强大数据处理能力使之在图像采集领域最先得到发展；而相对于前面两个方案，ARM开始在图像采集领域并未得到很好的运用，但近几年尤其在工业检测、便携图像采集等方向越来越得到人们的重视，随着嵌入式制造工艺的飞速发展，ARM的工作频率、数据处理能力也得到大幅提高，加上其含有丰富的接口模块，非常适合用于在工业监控、检测方面。