嵌入式双目图像采集系统设计

是 由 ＣＰＬＤ 提 供 的 输 入 时 钟；ＶＳＹＮＣ、ＨＲＥＦ 分 别在每 帧、每 行 开 始 和 结
束 时 电 平 发 生 跳 变，供
ＣＰＬＤ 判 断 。 ［１１］ 图 像 传
图 ２ 图 像 传 感 器 模 块 接 口
感器 模 块 接 口 如 图 ２ 所 示。
４．３ 数 据 缓 存 电 路 设 计 数据缓存使用 ＡｖｅｒＬｏｇｉｃ公司推 出 的 一 个 存 储 容 量 为
１）任务堆栈初始化函数 ＯＳＴａｓｋＳｔｋＩｎｉｔ（） 堆栈的概 念 在 ＡＲＭ 体 系 结 构 和 系 统 移 植 中 非 常 重 要，是在 ＡＲＭ 处理 器 中 利 用 有 限 的 寄 存 器 完 成 数 据 和 状 态记录的载 体。 在 编 写 堆 栈 初 始 化 函 数 ＯＳＴａｓｋＳｔｋＩｎｉｔ（） 之前，必须根据处理器的结构特点确定堆 栈 的 结 构，所 以 需 要对 ＡＲＭ 体系结构 有 充 分 的 认 识。 根 据 ＡＲＭ 体 系 结 构 每种运行模 式 １４ 个 通 用 寄 存 器，有 一 个 或 两 个 状 态 寄 存 器，很容易该写出 ＯＳＴａｓｋＳｔｋＩｎｉｔ（）的代码。 ＴＣＢ 结构体 中 ＯＳＴＣＢＳｔｋＰｔｒ总 是 指 向 用 户 堆 栈 最 高 地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其 上 空 间 存 放 系 统 堆 栈 映 像 ，即 ：用 户 堆 栈 空 间 大 小 ＝ 系 统 堆 栈 空 间 大 小 ＋１。 ２）μＣ／ＯＳ－ＩＩ分 别 使 用 ＯＳ＿ＥＮＴＥＲ＿ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）和 ＯＳ＿ＥＸＩＴ＿ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）来开 中 断 和 开 中 断，可 以 直 接 在 Ｃ 语言编程中应用。 ３）可以根据 ＡＲＭ 特点和移植目标，增加应用函数。例 如 处 理 器 模 式 转 换 函 数 、人 物 初 始 指 令 集 函 数 、钩 子 函 数 等 。 ５．３ 文件 ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ 的编写 这个文件采用汇编语言编写。完成了系统软中断的地 址分配、相应 的 存 储 区 域 等，编 写 了 任 务 级 任 务 切 换 函 数 ＯＳ＿ＴＡＳＫ＿ＳＷ（）、中断级 任 务 切 换 函 数 ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）、启 动 最 高 优 先 级 任 务 函 数 ０ＳＳｔａｒｔＨｉｇｈＲｄｙ（）等 函 数 。 完 成 了 Ｃ语言和机器硬件语言的对接。
１ 引 言
随着图像处理技 术 及 嵌 入 式 系 统 的 发 展，利 用 嵌 入 式 系统进行图像处理，已使如视频监控、视频 电 话 和 视 频 会 议 等应用成为可能。嵌入式系统上进行图像采集则是实现这 些 应 用 的 前 提 。 ［１～２］
双目立体视觉通常由两个摄像头从两个不同的角度， 同时获取外界物体的 两 幅 图 像，或 由 单 独 一 个 摄 像 头 在 不 同时间、不同位置获取外界物体的两幅图 像，并 基 于 视 差 的 原理来获取外界物体 的 三 维 几 何 信 息，复 现 外 界 物 体 的 形 状和位置。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍμＣ／ＯＳ－ ＩＩ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＡＬ４２２Ｂｖｉｄｅｏ ｃａｃｈｅ ｃｈｉｐ，ｆｏｕｒ ｗｉｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ ａｎｄ ＳＤ ｃａｒｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｄｉｓｐｌａｙ，ｓｔｏｒａｇｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ
目前已有很多方案实现在嵌入式平台上的图像采集。 本文基于嵌入 式 的 图 像 采 集 系 统 选 择 了 意 法 半 导 体 （ＳＴ） 公司生产的 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６芯片为主控芯片，ＦＩＦＯ 结构 的 ＡＬ４２２Ｂ 芯片实现图像数据缓存，ＳＤ 卡 实 现 图 像 存 储 以 及四线制电阻触 摸 屏 实 现 外 部 控 制［３］。 实 现 通 过 ＯＶ７６７０ 双摄像头采集图像数据 ，经主芯片控制存储、显示［４］。
ｉｍａｇｅ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｈａｖｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，μＣ／ＯＳ－ＩＩ，ＳＴＭ３２ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３９１．４１
关 键 词 双 目 图 像 采 集 ；嵌 入 式 系 统 ；μＣ／ＯＳ－ＩＩ；ＳＴＭ３２ 中 图 分 类 号 ＴＰ３９１．４１
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｂｉｎｏｃｕｌａｒ Ｉｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧ Ｊｕｎｃｈａｏ ＤＵＡＮ Ｚｈｏｎｇｘｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００５５）
５ 系 统 软 件 设 计
ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６编程在 Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ４环 境 下 通 过 Ｃ
语言实现。系统的主流程如图５所示。
图 ５ 系 统 的 软 件 流 程 ５．１ 文件 ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ 的编写
１）μＣ／ＯＳ－ＩＩ不使用 Ｃ 语言中的ｓｈｏｒｔ、ｉｎｔ、ｌｏｎｇ等于处 理器相关的数据类型，而 是 以 移 植 性 更 强 的 整 数 数 据 类 型 代替，这样直观、便 于 移 植。 所 以 必 须 对 操 作 系 统 和 ＡＲＭ 体系结构的数据类型进行统一。
图 ３ 数 据 缓 存 接 口
图 ４ 实 时 显 示 模 块 接 口
４．４ 实 时 显 示 电 路 设 计 系统的实时 显 示 采 用 了 ＩＬＩ９３２５ 主 控 的 ２．４ 寸 ６５５３６
色 ＴＦＴ 液晶屏，兼容系统需要的１６ 位 总 线 宽 度 的 ＲＧＢ 格 式 图 像，最 高 可 显 示 ３２０＊２４０ 分 辨 率；内 部 集 成 图 像 ＲＡＭ，因而将 其 接 入 ＳＴＭ３２ 的 ＦＳＭＣ 外 设 控 制 器，采 用 ＬＣＤ８０８０ｉ接口方式；ＣＳ为片选，ＲＤ、ＲＷ 分别为读 写 控 制， ＲＳ是 寄 存 器 选 择 引 脚 ，如 图 ４所 示 。 ［１３］
３ μＣ／ＯＳ－ＩＩ操 作 系 统 介 绍
μＣ／ＯＳ－ＩＩ操作系统实时性有 保 障 ，延 时 可 预 测 ，代 码 可 小 到２Ｋ，完全可以满足设计需要。Ｃ／ＯＳ－ＩＩ移植过程中只选择用 户和系统两种模 式。μＣ／ＯＳ－ＩＩ包 括 任 务 调 度、时 间 管 理、内 存 管理、资源管理（信 号 量、邮 箱、消 息 队 列 ）四 大 部 分，没 有 文 件 系统、网络接口、输入输出界面。它的移植只与４个文件相关： 汇编文件（ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ）、处理器相关 Ｃ 文件（ＯＳ＿ＣＰＵ． Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ）和配置文件（ＯＳ＿ＣＦＧ．Ｈ）［６～７］。
系统的核心 ＡＲＭ 处 理 器 使 用 由 意 法 半 导 体 公 司 生 产
＊ 收稿日期：２０１２年２月７日，修回日期：２０１２年３月１９日 基 金 项 目 ：国 家 自 然 基 金 项 目 （编 号 ５１１７８３７３）资 助 。 作 者 简 介 ：王 军 超 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：嵌 入 式 系 统 在 图 像 处 理 中 的 应 用 。 段 中 兴 ，教 授 ，硕 士 生 导 师 ，研 究 方 向 ：嵌 入 式 系 统 在 图像处理中的应用。
４ 系 统 硬 件 设 计
系统采用 ＡＲＭ 处 理 器 作 为 核 心，负 责 对 系 统 设 备 初 始化、数据总线仲裁、承 载 操 作 系 统 运 行；为 了 弥 补 图 像 传 输过程 中 的 时 钟 偏 差 和 图 像 显 示 不 流 畅 等 缺 点，采 用 ＡＬ４２２Ｂ 图像缓存 芯 片；图 像 经 主 芯 片 控 制 将 于 液 晶 屏 显 示，并存贮于 ＳＤ 卡中。系统结构图如图 １所示［８］。 ４．１ 核 心 器 件 选 型
２ 嵌 入 式 主 控 芯 片 介 绍
ＡＲＭ ＣｏｒｔｅｘＴＭ －Ｍ 处理器是一系列定 位 于 深 度 嵌 入 式 开 发 应 用 设 计 的 。ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６ 是 由 意 法 半 导 体 （ＳＴ） 公司生产的新一代 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核处理器，具有以下特点：
·性能和能效：具有高 性 能 和 低 动 态 能 耗，在 ９０ｎｍ 基
础上提供了 １２．５ ＤＭＩＰＳ／ｍＷ 的 性 能，Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ 处 理 器 确保对于同时需要低能耗和出色性能的应用不存在折衷。
·丰富的连接：功能和性能的 巧 妙 组 合 使 基 于 Ｃｏｒｔｅｘ－ Ｍ３ 的设备 可 以 有 效 处 理 多 个 Ｉ／Ｏ 通 道 和 协 议 标 准 ，如 ＵＳＢ ＯＴＧ （Ｏｎ－Ｔｈｅ－Ｇｏ）［５］。
２）虽然 ＡＲＭ 处理器对堆栈向上及向下的两种增长模 式都予以支持，但是通常系统仅支持堆栈 从 上 往 下 长，并 且 是满递减堆栈，所以文 件 中 定 义 堆 栈 增 长 方 式 的 常 量 ＯＳ＿ ＳＴＫ＿ＧＲＯＷＴＨ 的值应为１。
３）定 义 声 明 使 能 中 断 、结 束 中 断 、任 务 切 换 等 函 数 。 ５．２ 文件 ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｃ 的编写
首先调入内部 ＳＲＡＭ，便于系统的数据传输［９］。
图像传 感 器 采 用 Ｏｍｍｉｖｉｓｉｏｎ 公 司 的 ＯＶ７６７０ ＣＭＯＳ 摄像头，较 ＣＣＤ 摄 像 头 具 有 较 高 的 性 价 比，具 有 标 准 的 ＳＣＣＢ 接口，兼容Ｉ２ Ｃ 接 口，其 高 灵 敏 度 和 自 动 画 面 控 制 功 能 满 足 检 测 系 统 的 精 度 要 求 。 ［１０］
２０１２ 年 第 ８ 期
计算机与数字工程
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的 新 一 代 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ 内 核 的 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６，具 有 高 性 能 构 图
ＦＳＭＣ 外 设 可 以 外 挂 ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ、ＳＲＡＭ 等， 支持代 码 从 扩 展 的 外 部 存 储 器 中 直 接 运 行 ，而 不 需 要
总 第 ２７４ 期 ２０１２ 年 第 ８ 期
计算机与数字工程 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ＆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．８ ９６
嵌入式双目图像采集系统设计＊
王军超 段中兴 （西 安 建 筑 科 技 大 学 信 息 与 控 制 工 程 学 院 西 安 ７１００５５）
摘 要 针对嵌入式系统的双目图像采集，给出了基于 ＳＴＭ３２硬件平台和嵌入式操作 系 统 μＣ／ＯＳ－ＩＩ软 件 平 台 的 图 像 采 集 系 统 设 计 。 并且采用应用 ＡＬ４２２Ｂ 视频缓存芯片、四线制电阻触摸屏和 ＳＤ 卡实现 图 像 采 集、显 示、存 储 功 能。 实 验 结 果 表 明，该 系 统 具 有 较 好 的 实 时 性，采集到的图像对于进行进一步图像处理有重要的实际意义 。
３９３２１６字节×８位 的 ＦＩＦＯ 存 储 芯 片 ＡＬ４２２Ｂ，其 所 有 的 寻 址 、刷 新 等 操 作 都 由 集 成 在 芯 片 内 部 的 控 制 系 统 完 成 。
数据缓存接口如图３所 示，ＤＯ０－ＤＯ７ 是 ８ 位 写 出 数 据 总线；ＤＩ０－ＤＩ７是 ８ 位 写 入 数 据 总 线；ＣＥ 引 脚 为 片 选，ＯＥ 为输出控制，ＷＥ 是 写 操 作 控 制；通 过 ＳＴＭ３２ 的 ＦＳＭＣ 与 外设连接。采用 ＡＬ４２２Ｂ 芯 片 对 连 续 的 数 据 流 进 行 缓 存 ， 防止在进机和存储操 作 时 丢 失 数 据；数 据 集 中 起 来 进 行 进 机和存储，避免了频繁的总线操作，减轻 ＣＰＵ 的负担。
４．２ 检 测 电 路 设 计 系 统采用集成了 Ａ／Ｄ 和 ＤＳＰ 的图像传感器模块，通过
ＳＣＣＢ 总线，由 ＳＴＭ３２ 完 成 定 义 相 应 寄 存 器 和 初 始 化 ；通 过寄 存 器 可 设 置 图 像 数 据 输 出 格 式，系 统 选 择 ＲＧＢ５６５ 格 式输出，一个像素点占１６位，而 像 素 数 据 总 线 为 Ｄ０－Ｄ７，因 此 用两个 ＰＣＬＫ 时钟周期分别输出高８位和低８位；ＸＣＬＫ