基于图像的液位检测系统硬件设计

第8期2018年4月No.8April，2018
无线互联科技
Wireless Internet Technology
液位检测是指用一定的方法对液体的高度进行测量，被广泛应用于日常生产生活的诸多方面[1-2]。

现有的液位检测手段按其检测方式大致可以分为接触式和非接触式两种。

非接触式液位计主要通过超声波、雷达技术、红外线、激光等测量手段来进行测量，优点在于测量精度高，尤其适用于易燃易爆及腐蚀性液体的液位测量，但其对检测环境的要求较高，且成本高、通用性低、维护麻烦，并未广泛应用在实际测量中。

基于图像处理技术的液位检测系统具有非接触性、测量精度高、抗干扰性强、成本低、操作方便等优点。

论文设计了采用S3C2440处理器和CMOS 图像传感器的液位测量系统硬件部分，采用ARM9处理器S3C2440搭建嵌入式系统平台，研究了OV9650驱动的实现过程和开发方法，并利用平台驱动CMOS 图像传感器OV9650达到获取图像信息的目的。

1 图像采集系统硬件选择1.1 S3C2440处理器
S3C2440芯片具有MMU 虚拟内存管理，独立的16 K 指令缓存和16 K 数据缓存，支持DSP 指令集，支持数据Cache 和质量Cache ，LCD 控制器，NAND 控制器，3通道UART ，4通道DMA ，4路带脉宽调制的定时器，I/O 端口，具有日历功能的RTC ，8路10位ADC 和触摸屏接口，IIC 总线接口，IIS 总线接口，USB 主机，USB 从机，SD 卡座和多媒体卡接口，2路SPI 和同步时钟发生器。

1.2 存储器
系统的存储空间按其作用可分为程序运行空间与程序存储空间。

为保障程序代码存储器数据在电源正常关闭或意外瞬间断电等系统掉电情况下不丢失，该系统采用了Flash 芯片作为程序存储器。

考虑到程序运行的效率和速度，选用程序运行空间的运行速度快的SDRAM 芯片作为程序运行存储空间。

1.3 CMOS 图像传感器
论文采用的是Omnivision 公司的OV9650图像传感器。

该传感器具有130万像素，包含一个1 300×1 028大小的图像处理阵列一个模拟处理器和8位A/D 转换器。

每个有源像素传感单元都可被单独选址和读出，并且都具有自己的缓冲放大器。

传感器信号要经过放大器放大后才能达到A/D 转换器所需的电压值，经过转换后的模拟电压以数字量的形式输出。

2 硬件工作原理与电路设计2.1 CPU 模块
S3C2440支持从Nandflash 启动和从Norflash 启动两种模式，其中Nandflash 启动模式下各片选的存储空间分配是不同的。

S3C2440的时钟控制逻辑可以产生FCLK ，HCLK 和PCLK 3种时钟信号分别用作CPU 时钟、系统总线时钟和外围总线时钟。

如图1所示，S3C2440的中断源是由外设的内部单元产生，如5个定时器、9个UARTs 、2个ADC 等共60个中断源，可发送中断请求供中断控制器接收。

S3C2440存在源等待寄存器（SRCPND ）与中断等待寄存器（INTPND ）两个中断等待寄存器，当中断控制器接收到中断请求时，源等待寄存器和中断等待寄存器的中断源对应位将会被置1。

如图2所示，S3C2440的CAMIF 单元由7部分组成：图形多路选择器、捕获单元、预览缩放器、编码缩放器、预览DMA 、编码DMA 、特殊功能寄存器（Special Function Register ，SFR ）。

CAMIF 单元的最大输入尺寸为4 096×4 096像素，视频格式是ITU-RBT.601/656 YCbCr 8位标准格式。

CAMIF 单元存在两个缩放器用于接收经图像传感器采集及捕获单元处理后的数据，即预览缩放器和编码缩放器，前者生成比RGB 格式的图像，这种图像比直接获取的图像更小，此缩放器连接一路DMA 通道为预览通道；后者可以产生编码的图像，如YcbCr4∶2∶0等，编码缩放器连接的DMA 通道是编码通道。

预览通道与编码通道均连接在AHB 总线上。

捕获图像、设置图像格式等功能的实现需要对特殊功能寄存器进行设置，具体设置方式如下。

作者简介：张伟（1985— ），男，北京人，讲师，博士；研究方向：机械连接结构设计。

基于图像的液位检测系统硬件设计
张 伟1，王郅佶2
（1.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连第八中学，辽宁 大连 116021）
摘 要：液位的测量遍及生产生活的各个领域，传统的液位检测手段存在检测精度低、成本高、适用范围有限等缺点。

文章
设计了采用S3C2440处理器和CMOS 图像传感器的液位测量系统的硬件部分，研究了OV9650驱动的实现过程和开发方法，说明了图像采集系统硬件工作原理与电路设计，完成了对图像传感器的驱动并实现了图像采集功能。

关键词：液位检测；CMOS 图像传感器；S3C2440
2.1.1 设置时钟频率
C A M I F 的输出时钟频率由时钟分割寄存器中的CAMCLK_SEL 和CAMDIVN 决定。

当CAMCLK_SEL 为1时，输出频率与UPLL 的关系由如下等式决定：
CAMCLKOUT=UPLL/[(CAMCLK_DIV)*2]OV9650传感器的输入时钟为24 M H z ，U PL L 为48 MHz 。

所以需将CAMCLK_DIV 置0。

代入公式可得CAMCLKOUT=24 MHz 。

2.1.2 捕获图像
图像捕获命令是由图像捕获使能寄存器CIIMGCPT 产生，需在其他寄存器设置好之后再定义此寄存器的设置。

若需要同时捕获编码通道和预览通道的数据，可将全局捕获使能控制位，即CIIMGCPT 中的ImgCptEn 位设置为1；若需要单独捕获编码通道或预览通道的一个数据，则可以通过设置ImgCptEn_CoSc 和ImgCptEn_PrSc 来实现。

在CAMIF 开始捕获图像后，IRQ 中断请求由进行图像捕获的DMA 通道在每一个帧同步信号CAMVSYNC 的下降沿发出，在处理器中进行中断处理。

可以通过向编码或预览DMA 通道控制寄存器的相应位写1来结束图像捕获。

2.1.3 图像格式的设定
为了提高接收到的图像数据的准确率，传感器接收图像格式要与输入图像格式保证相互匹配，所以CAMIF 单元必须设定接收图像格式。

源帧寄存器CISRCFMT 是用来确定源垂直/水平像素数及接收图像的模式分辨率等信息的。

通过设置窗口选择寄存器CIWSOFST ，可以把采集到的原始图
像的中间部分保留成更低分辨率的图像。

首先打开窗口偏移
功能，将CIWSOFST[32]的WinOfsEn 置1。

图像两侧对中心的偏移量是通过CIWSOFST[26∶16]来设置；图像上下对中心的偏移量通过CIWSOFST[10∶0]来确定。

经过裁剪的图像的像素大小为：剪裁后垂直像素值=接收图像的垂直像素值－2×WinVorOfst ；剪裁后水平像素值=接收图像的水平像素值－2×WinHorOfst 。

S3C2440 RISC 微处理器可以支持一个多主控IIC 总线串行接口。

IIC 总线的总线主控和外设之间的信息传输由一条双向的专用串行数据线（Serial Data Line ，SDA ）和一条双向的专用串行时钟线（ Safety Check List ，SCL ）传递连接。

在多主控IIC 总线模式中，串行数据可在多个S3C2440 RISC 微处理器与设备之间双向传输。

主机S3C2440启动和结束数据传输的功能可通过使用标准总线仲裁步骤的IIC 总线来实现。

S3C2440具有130个管脚，可以分为8类多功能输入/输出端口（GPA~GPJ ）。

为满足不同的系统配置和性能设计需求，每个端口都可以简单地由软件配置。

需要注意的是，在主程序未开设时定义完所需的每个引脚的功能，若引脚的复用功能未使用可将此引脚配置为I/O 口。

2.2 电源和晶振
系统的电源部分主要分为两块：从外部引入的5V 直流电源为整个系统电路提供的电源是系统总电源；主要为处理器、存储器、周边设备等提供所需的工作电压是各模块供电源。

总电源可以直接对连接在LCD 和USHosts 等接口上的设备供电，也可以通过低压差线性稳压器（Low Dropout
图1 中断处理框
图2 CAMIF系统框
Regulator，LDO）芯片将其转成较低的电压对其他模块供电。

选用National公司生产的LM1117芯片作为系统的低压差线性稳压器。

不同的模块如处理器和存储器，周边设备、图像传感器等所需的工作电压大小和数量不同，需要各模块供电电源提供。

为保证处理器和存储器运行的稳定性，供电方式其采取单独供电。

SDRAM，JTAG，UART，Flash存储器和复位电路等周边设备的工作电压为3.3 V；对于处理器S3C2440需要3.3 V和1.3 V两组不同的工作电压。

而图像传感器OV9650需要1.8 V，2.8 V，3.3 V 3组不同的工作电压。

2.3 存储模块
根据性能需求该系统采用Nandflash和SDRAM作为系统存储器。

Nandflash选用64 MB的KgF1208芯片。

SDRAM 存储器系统，由两片16位的K4S561632N并联构建成32位，两片K4S561632N分别连接32位CPU数据总线的高16位DATA[31∶16]与低16位DATA[15∶0][3]。

K4S561632H的地址总线A[12∶0]与CPU的地址总线ADDR[14∶2]相连；CPU的ADDR24，ADDR25与Bank选择地址BA0相连，CPU的ADDR25，ADDR26与BA1相连；CPU的SCLK0，SCLK1时钟线与系统时钟SCLK相连；数据输入/输出掩码信号LDQM／UDQM分别与CPU写使能nWBE[3∶0] 相连；nRAS行地址选通信号、nCAS列地址选通信号nWE 允许写入信号分别连接至CPU对应管脚。

具体连接如图3
所示。

图3 SDRAM电路原理
2.4 摄像头接口电路
为了方便更换和调试图像传感器周围电路和软件驱动
及应用电路，灵活更换不同型号的图像传感器扩展板的需
求，图像传感器硬件电路可设计成扩展板方式。

通过20针
Camera接口，扩展板中的OV9650管脚与主控制板中CAMIF
的各个接口相连。

电路原理如图4所示。

3 结语
文章给出图像采集系统所采用的主要硬件的特点以
及性能，对比了CCD和CMOS图像传感器的特点，并对
CMOS图像传感器OV9650的成像原理进行了剖析。

分析
了S3C2440处理器各个模块的工作原理以及控制方式，对
整个图像采集系统的电路原理以及具体的电路设计进行
了详细的说明。

图4 摄像头接口电路
[参考文献]
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Method of the magnetic tile internal defect detection
combining spectrum analysis with KPCA-SVM
Zhao Yue, Zhang Da, Gao Zhiliang
（Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China）Abstract：Aiming at the actual demand of automatic detection of internal defects of magnetic tiles, a novel approach is proposed based on spectrum analysis, kernel principal component analysis（KPCA）and support vector machine（SVM）. The frequency bands containing the peak points are found and the corresponding amplitude data was extracted. Then the feature was extracted and the dimension of feature is reduced by KPCA. The internal defect was identified by SVM based on the extracted feature. The experiment showed that the accuracy rate of three types of magnetic tiles achieved 100%, higher than the bispectrum method. The results demonstrate that the proposed method is of fast speed, high effective, accurate and can be well applied to magnetic tiles internal defect detection.
Key words：acoustic impact testing; internal defects; spectrum analysis; kernel principal component analysis; support vector machine （上接第61页）
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[3]飞凌嵌入式.飞凌开发板配套教程[M].保定：保定飞凌嵌入式技术有限公司，2008.
Hardware design for liquid level detection system based on images
Zhang Wei1, Wang Zhiji2
（1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
2.Dalian No.8 High School, Dalian 116021, China）
Abstract：Liquid substances hold an important position in the production and livelihood of the people. There are some shortcomings in traditional liquid level detection, such as the accuracy is too low, the price is too high, and their application scope is narrow. This paper designed the hardware system for a digital image gathering system by the means of the S3C2440 processor and CMOS image sensing component, achieved functions such as implementation of the image acquisition and processing. The paper discusses on the OV9650 driven by the realization of the process and the method of development, explains the image acquisition system hardware working principle and circuit design, completed the image sensor is driven and the realization of the image acquisition function.
Key words：liquid level detection; CMOS image sensor; S3C2440。