摘 要： 采用離散型COMS圖像傳感器和視頻解碼器SAA7113設(shè)計(jì)了一種基于激光接力觀測(cè)方法的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式多維" title="多維">多維位移觀測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： SAA7113 視頻解碼 重心計(jì)算
對(duì)大型人工建筑(如隧道、橋梁、大壩、國防工程等)進(jìn)行長期的自動(dòng)化變形觀測(cè)非常重要。掌握這些建筑的變形動(dòng)態(tài)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，避免重大損失，還可以積累觀測(cè)數(shù)據(jù)，為新的工程提供經(jīng)驗(yàn)。
目前，自動(dòng)觀測(cè)方法可供選擇的手段有限，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。就激光接力觀測(cè)方法而言，PSD器件價(jià)格較高是限制其應(yīng)用的重要因素之一。針對(duì)大多數(shù)建筑變形觀測(cè)要求精度高、采樣頻率較低的現(xiàn)實(shí)情況，本文采用離散型COMS圖像傳感器和SAA7113視頻解碼器設(shè)計(jì)了一種基于激光接力觀測(cè)方法的嵌入式多維位移觀測(cè)系統(tǒng)，有效降低了成本。同時(shí)為了兼顧精度與速度性能，采用閾值法與重心法結(jié)合確定光束中心位置，可使測(cè)量誤差在5μm以內(nèi)，滿足了大多數(shù)建筑變形位移測(cè)量的要求。
1 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
用COMS圖像傳感器作為光斑位置傳感器，把毛玻璃屏、物鏡、COMS傳感器組裝在一起構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。光束在毛玻璃屏上形成漫射光斑，光斑經(jīng)過物鏡在傳感器像面上成一像點(diǎn)。COMS傳感器將獲取的圖像以PAL制式的模擬視頻格式輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理。
2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由中央處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊" title="數(shù)據(jù)采集模塊">數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊等組成。中央微控制器選用Philips公司的ARM微處理器LPC2214。數(shù)據(jù)采集模塊選用專業(yè)視頻解碼器SAA7113把PAL制式的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字格式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，存儲(chǔ)器地址由地址發(fā)生器產(chǎn)生。當(dāng)采集完1幀數(shù)據(jù)后，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重心計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果通過通信接口傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)。通信接口有一個(gè)串口、一個(gè)網(wǎng)口和一個(gè)無線接口，可根據(jù)需要選用。
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部接口設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部電路連接如圖2所示。SAA7113是Philips公司的一款高集成度視頻A/D芯片，其功能是將輸入的一路復(fù)合視頻信號(hào)采樣作A/D變換，通過8位數(shù)據(jù)總線輸出變換結(jié)果，同時(shí)輸出相應(yīng)的各種同步。它支持多種視頻信號(hào)的輸入及數(shù)據(jù)輸出格式，可通過其I2C接口對(duì)芯片內(nèi)部電路進(jìn)行控制。對(duì)SAA7113的控制主要包括：對(duì)輸入模擬信號(hào)的預(yù)處理，色度和亮度的控制，輸出數(shù)據(jù)格式及輸出圖像同步信號(hào)的選擇控制等。本系統(tǒng)主要針對(duì)灰度圖像進(jìn)行識(shí)別處理，只需采集圖像的8位灰度值即可。本設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)輸出格式設(shè)置為YUV 4：2：2格式和CVBS格式均可。
SAA7113的實(shí)時(shí)信號(hào)輸出管腳RTS0和RTS1是多功能復(fù)用管腳，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，通過對(duì)子地址寄存器SA12寫入不同的控制字可將兩輸出管腳配置為行同步、幀同步、奇偶場(chǎng)同步等不同信號(hào)。本系統(tǒng)將SA12子地址寄存器設(shè)置為0xA7，這樣設(shè)置后，RTS0輸出為水平參考輸出信號(hào)，RTS1輸出為奇偶場(chǎng)同步信號(hào)。同時(shí)，SAA7113還可輸出行鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘LLC，時(shí)鐘頻率為27MHz（即周期為37ns）。該信號(hào)是像素時(shí)鐘的二倍，即像素時(shí)鐘頻率為13.5MHz。
地址發(fā)生器由兩個(gè)12位二進(jìn)制計(jì)算器74LV4040級(jí)聯(lián)組成，存儲(chǔ)器選用256KB的靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器IS61LV2568，即可滿足一幀圖像像素存儲(chǔ)的需要。SAA7113與地址發(fā)生器74LV4040及存儲(chǔ)器IS61LV2568的連接如圖2所示。地址發(fā)生器CP端輸入信號(hào)由SAA7113的行鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘LLC腳、水平參考輸出信號(hào)RTS0腳和微處理器P0.17腳的與非產(chǎn)生，時(shí)間延遲為8ns，在信號(hào)的下降沿計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)地址。微處理器P0.17控制一幀圖像數(shù)據(jù)采集的開始與結(jié)束，RTS0控制一行圖像數(shù)據(jù)采集的起止，通過子地址寄存器SA06和SA07可以設(shè)置水平參考輸出信號(hào)的開始和截止像素。計(jì)數(shù)器的最低位Q0與存儲(chǔ)器的輸入使能端WE相連，在WE的上升沿將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)存入到Q1～Q19產(chǎn)生的地址中。計(jì)數(shù)器的時(shí)間延遲為12ns，所以Q0的時(shí)間延遲為12ns，級(jí)聯(lián)的地址發(fā)生器產(chǎn)生地址的時(shí)間延遲為24ns，時(shí)序圖如圖3所示。
2.2 LPC2214與數(shù)據(jù)采集模塊的接口設(shè)計(jì)
LPC2214是基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7-TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有256KB嵌入的高速片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器和16KB的片內(nèi)RAM，能夠完成軟件代碼的存儲(chǔ)與運(yùn)行。LPC2214的引腳連接模塊可以使同一個(gè)引腳具有多種功能，即引腳復(fù)用。此功能使得LPC2214的通用I/O" title="I/O">I/O（即GPIO）引腳多達(dá)76個(gè)，并且絕大多數(shù)GPIO為真正的全雙向I/O口，可以獨(dú)立控制每一根I/O口線的輸入和輸出。絕大多數(shù)GPIO的輸出為推挽輸出，可以獨(dú)立控制每一根I/O口的輸出狀態(tài)。LPC2214與數(shù)據(jù)采集模塊的電路連接如圖4所示。
(1)LPC2214與SAA7113的連接電路
將LPC2214的P0.4口設(shè)置為GPIO做為SAA7113的使能端CE，當(dāng)它為低電平時(shí)強(qiáng)制SAA7113復(fù)位；P0.16_EINT0和P0.15_EINT2分別與SAA7113的RTS0和RTS1相連，并設(shè)置為邊沿中斷輸入，通過中斷處理程序控制采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；LPC2214提供了I2C總線接口，將其P0.2_SCL和P0.3_SDA設(shè)置為I2C總線口與SAA7113的SCL和SDA相連接，通過I2C總線對(duì)SAA7113的內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置和讀取。
(2)LPC2214與74LV4040的連接電路
由于74LV4040沒有使能端，為了防止在LPC2214讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)與74LV4040發(fā)生地址沖突，采用了三級(jí)管控制74LV4040供電的方式。74LV4040的工作電壓是3.3V，考慮到三級(jí)管的壓降，采用5V直流電壓供電，可變電阻調(diào)節(jié)74LV4040電壓端腳的電壓到3.3V，并將LPC2214的P1.25口設(shè)置為GPIO，充當(dāng)74LV4040的使能端。將LPC2214的P0.5口設(shè)置為GPIO與74LV4040的清零端MR相連。
(3)LPC2214與IS61LV2568的連接電路
將LPC2214的數(shù)據(jù)總線和地址總線分別與IS61LV2568的I/O總線和地址總線相連，并把P3.26_CS1腳與存儲(chǔ)器的CE相連做為片選端，所以存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址為0X81000000；P1.1_OE腳與存儲(chǔ)器的輸出使能端OE相連，因?yàn)長PC2214并不向IS61LV2568存儲(chǔ)器輸入數(shù)據(jù)，所以輸入使能端可以不與LPC2214相連。
2.3 LPC2214與通信模塊的接口設(shè)計(jì)
串口采用485芯片，有效距離達(dá)1000多米，并且價(jià)格很低；采用RTL8019以太網(wǎng)控制芯片，理論上傳輸速率可達(dá)到10Mbps，在通信距離小于50米時(shí)，這是一個(gè)很好的選擇；無線通信采用集成模塊，通過TTL電平或RS232電平即可發(fā)送串行數(shù)據(jù)，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，省卻了連線，性價(jià)比很高。
3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
操作系統(tǒng)移植嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）μc/OS-II。μc/OS-II是一個(gè)占先式、多任務(wù)、可移植性強(qiáng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、穩(wěn)定性及可靠性高的特點(diǎn)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理任務(wù)同步與通信、內(nèi)存管理及中斷服務(wù)等功能，支持64個(gè)用戶服務(wù)。90％的代碼函數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言書寫，程序可讀性強(qiáng)、移植性好。內(nèi)核具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，已在很多領(lǐng)域被證明是一個(gè)成熟穩(wěn)定的實(shí)時(shí)內(nèi)核。
??? 在此操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)閾值設(shè)置和重心計(jì)算以及與主控計(jì)算機(jī)通信協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)。編寫A/D轉(zhuǎn)換電路和無線通信電路的控制和傳輸?shù)陌寮?jí)支持包（BSP）提供向上的支持，其他板級(jí)支持由操作系統(tǒng)提供。
本文采用價(jià)格在100元以下的普通COMS圖像傳感器和重心計(jì)算設(shè)計(jì)了一種激光變形觀測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)在降低硬件成本的同時(shí)，滿足了觀測(cè)需要，達(dá)到了精度要求。系統(tǒng)將三種通信接口集成，可根據(jù)實(shí)際需要選擇適合的接口，在大型建筑自動(dòng)化變形觀測(cè)中有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
1 李忠科，秦永元.大型拱壩多維變形自動(dòng)觀測(cè)方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004；12(6)：517～526
2 張愛鮮，王 晶，何衡湘等.激光光斑重心測(cè)試精度理論分析[J].激光學(xué)報(bào)，2004；28(6)：667～672
3 陳曉東，李為民，李 靜等.利用重心法求光斑信號(hào)位置的誤差分析[J].光學(xué)技術(shù)，2000；26(1)：5～8
4 Philips Semiconductors.DATA SHEET SAA7113 Video Input Processor(VIP)，1999
5 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003
6 Jean J Labrosse.μc/OS-II—源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2001