摘要：為了解決機器視覺中實時性差和成本高的問題，設計了以DSP28335芯片為核心，OV7620 CMOS彩色圖像傳感器的實時嵌入式機器視覺裝置。該裝置應用于檢測液位，設計中以彩色圖像數據作為研究對象，通過顏色識別進行定位;利用DSP28335的浮點運算單元進行處理及其支持高達1 Mb/s的數據速率CAN模塊進行輸出定位結果。測試表明該裝置具有實時性強、精度高、體積小、成本低、設計靈活。

0 引言

目前運用于檢測液位的嵌入式實時機器視覺裝置要么是定點CPU，要么研究對象是黑白圖像，且定位與測量算法的數據運算量較大，難以滿足嵌入式機器視覺系統定位與測量功能的實時性和準確性要求，并且價格昂貴。

鑒于定位的精確度、自適應性、實時性和成本問題。本文設計了基于由TI公司新推出的一款具有32位單精度浮點運算數字信號處理器和CMOS彩色圖像傳感器OV7620所構建硬件平臺的嵌入式機器視覺裝置。設計中利用主頻高達150 MHz，指令周期為6.67 ns的DSP28335對CMOS彩色圖像傳感器進行采集控制;并提出的液位檢測算法，是以彩色圖像數據作為研究對象，對液體顏色進行識別，大大提高了采集速度和識別速度以及精確度，同時解決了在復雜的顏色環境下難以定位液位的問題。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件結構

系統硬件結構如圖1所示，包括圖像采集，圖像處理和圖像傳輸。圖像傳感器負責圖像的采集，采集的圖像數據由主控制器進行實時的讀取和處理。主控制器總線接口可以把多個裝置連接起來組成一個總的系統。本文設計選用的是TI公司DSP中的TMS320F28335作為主處理器，為機器視覺裝置的CPU，用來進行數據的采集和處理。TMS320F28335是TI公司新推出的一款浮點型數字信號處理器，集成32位單精度浮點運算單元(FPU)，最高運算速度達150 MIPS。指令周期為6.67 ns，集成了256K×16 b FLASH，1路I2C通信接口，3路異步串口，2路CAN總線通信接口等資源。具有精度高，成本低，功耗小，外設集成度高，數據及程序存儲量大和A/D轉換更加精確快速等優點，為工業視覺應用提供更加優秀的性能和更加簡單的軟件設計。

選用OV7620作為圖像傳感器，其是CMOS黑白/彩色圖像傳感器。傳感器包括一個640x480分辨率的圖像陣列，內置10位雙通道A/D轉換器，輸出8位圖像數據;具有自動白平衡和自動增益控制，能進行對比度、亮度、γ校正、飽和度等多種調節功能;OV7620支持隔行和連續兩種掃描方式，QVGA與VGA兩種圖像格式;幀速率為30 f/s;數據格式包括RGB，YcrCb和YUV三種;內部有I2C可編程，可以調整攝像頭的參數，比如最大灰度，對比度，曝光率控制等等。其本質是SCCB協議的寄存器寫入，需要對攝像頭做跳線處理，并用MCU的I/O口模擬SCCB協議。本設計采用的是分辨率為640x480，RGB格式，8 b的數據輸出格式。OV7620圖像傳感器提供信號包括：VSYNC(垂直同步脈沖幀信號)、HREF(水平有效數據輸出)、PCLK(像素時鐘)、16 b數據總線。

SRAM和FLASH分別選用IS61LV51216和SST39VF160，分別用作數據存儲器和程序存儲器，采用FIFO模式對緩存數據進行讀取。由于系統運行時，需要對SRAM進行頻繁讀/寫操作，因此SRAM選用ISS的一個快速存儲器件IS61LV51216，它是一個8 Mb容量功耗低、集成度高，結構為512K×16 b字長的高速率SRAM。SST39VF160是SST公司的一個多功能FLASH存儲器，存儲容量為1M×16 b，工作電壓為2.7～3.6 V，14 MHz時等待電流為4μA，有效電流為12mA，自動低功耗模式為4μA;字編程時間14μs，讀訪問時間90ns，芯片擦除時間70ms，扇區擦除時間18ms。

1.2 DSP28335與OV7620的硬件連接

通用I/O口GPIO71、GPIO70分別與SDA、SCL連接，作為I2C通信;通用I/O口GPIO67作為PCLK的I/O查詢;GPIO69捕抓HREF的上升沿;GPIO68捕抓VSYNC的下降沿;通用I/O口GPIO66作為OV7620的硬件復位;通用I/O口GPIO72～GPIO79作為OV7620的數據輸入。DSP28335與OV7620的連接圖如圖2所示。OV7620要連接相當的外圍器件才能正常工作。需要5 V電源供電，27 MHz晶振，工作時功耗<120 mW，待機時功耗<10 μW;其中，晶振電路的設計中需要注意一個問題：必須在OV7620的XCLK1和XCLK2之間串聯一個1 MΩ的反饋電阻。否則OV7620有時會出現不能正常工作的現象，原因是OV7620不能正常起振。

2 機器視覺裝置的軟件設計

2.1 機器視覺采集設計

如圖3為機器視覺裝置的采集程序流程圖。首先進行系統的初始化工作，當檢測到VYSN下降沿時，發出幀開始信號，檢測到HREF上升沿時，發出行開始信號。通過逐行掃描的方式，從y0～y7端口接收像素數據信息，其順序為B-G-R-G。其中GPIO68檢測到下降沿時意味著一幅圖像的開始，而GPIO69用于執行一行圖像數據的開始。

STMF28335通過對OV7620的PCLK計數，當計數值到達640時，GPIO69計數溢出中斷發生，表示一行圖像數據采集時間到。而GPIO69用于對OV7620的HREF信號進行計數，確定一幅圖像是否采集完畢。OV7620的輸出分辨率可設置為640x480，DSP28335需要接收的數據就是307 200個8位的數據，為了提高實時性且不影響圖像處理數據和檢測要求。DSP28335選擇性地接收數據，利用程序編寫，每行每隔4個數據作為有效數據接收，因此每行的數據個數變為640/4=160，然后每隔4行作為有效行接收，因此行數變為480/4=120行，其分辨率變為160x120，總數據為19 200;并且采用了FIFO模式對數據進行緩存和讀取。這樣的做法既能達到圖像的清晰要求，同時很好地提高了實時性。