葉面積測定儀的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
來源： http://www.pfyin.com/ 類別：實(shí)用技術(shù) 更新時間：2013-01-24 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 葉面積測定儀的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，使得在測量植物葉面積的時候，十分便利，下面我們就看看該嵌入式系統(tǒng)硬件是如何設(shè)計(jì)，葉面積測定儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以CycloneⅡ系列EP2C70F896C6芯片作為核心，器件具有68416個邏輯單元(LE)，250個M4KRAM存儲資源，150個內(nèi)嵌硬件乘法器和4個鎖相環(huán)，支持NiosⅡ處理器，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)工作流程是：KEY1控制CMOS采集模塊開始圖像采集，將RGB格式數(shù)據(jù)存入SDRAM，做圖像處理后，由TFT_LCD實(shí)時顯示圖像；KEY2控制結(jié)束圖像采集，定格顯示一幀圖像；KEY3控制將處理后的圖像數(shù)據(jù)寫入SSRAM，NiosⅡ軟核處理器完成葉面積的計(jì)算，葉面積數(shù)據(jù)顯示在16×2LCD上。由于系統(tǒng)實(shí)時性要求，對于圖像采集單元、圖像存儲單元和圖像處理單元用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)，由硬件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，葉面積計(jì)算和系統(tǒng)流程控制用嵌入式NiosⅡ處理器以軟件方式實(shí)現(xiàn)。
1、葉面積測定儀的圖像采集單元
葉面積測定儀的圖像采集單元采用Micron公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器MT9P031，像素尺寸為2．2μm×2．2μm，信噪比為38dB，動態(tài)范圍為70dB。圖像采集單元包括I2C配置模塊、CMOS采集模塊、色彩還原模塊。I2C配置模塊用于配置CMOS的參數(shù)。按照I2C總線的寫時序，用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)串行時鐘信號線I2C_SCLK和串行數(shù)據(jù)信號線I2C_SDAT，對CMOS寄存器寫操作。給地址為03H寄存器配置0x03BF，設(shè)定行寬為1600；04H寄存器配置0x063F，設(shè)定列寬為960，所以，CMOS的輸出分辨率是1600×960。
CMOS采集模塊檢測來自NiosⅡ的信號capture_start開始采集數(shù)據(jù)，capture_stop結(jié)束采集數(shù)據(jù)。按照CMOS的輸出時序，當(dāng)幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL同時為高電平，在像素時鐘信號PIXCLK的上升沿開始采集12位有效葉片圖像數(shù)據(jù)D［11∶0］。采集的葉片圖像數(shù)據(jù)是便于傳輸?shù)腂ayer格式，經(jīng)過色彩還原模塊將其轉(zhuǎn)換成RGB格式。在Bayer格式中，每個像素只表達(dá)R，G，B中的一種顏色，要借助這個像素點(diǎn)周圍的像素對它進(jìn)行插值填充另外2種顏色，將圖像恢復(fù)成全彩色RGB圖像。這里用到的插值算法是將2×2模板里的4個像素合并為1個RGB像素，模板中包含1個R，1個B、2個G像素點(diǎn)，先判斷像素點(diǎn)所在的行和列是奇數(shù)還是偶數(shù)，然后取1個B像素為輸出的B分量，1個R像素為輸出的R分量，2個G像素的均值為輸出的G分量，合成RGB格式輸出。經(jīng)過處理后，RGB圖像的像素變?yōu)樵瓉淼囊话耄?00×480。
2、葉面積測定儀的SDRAM控制器單元
外擴(kuò)的SDRAM芯片是ISSI公司的IS42S16160B，芯片結(jié)構(gòu)為4M×16bit×4Bank，16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率達(dá)到166MHz。根據(jù)SDRAM內(nèi)部操作狀態(tài)之間的聯(lián)系，用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)SDRAM控制器設(shè)計(jì)。
在SDRAM數(shù)據(jù)讀寫的控制中，由于前端CMOS數(shù)據(jù)采集工作頻率是27MHz，而SDRAM工作在100MHz，TFT_LCD的時鐘是33MHz，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在SDRAM控制器模塊中，使用FIFO作為讀寫數(shù)據(jù)緩存，F(xiàn)IFO的容量大小為512，數(shù)據(jù)寬度16bit，F(xiàn)IFO采用雙時鐘、雙端口異步操作方式以防止數(shù)據(jù)丟失。FIFO與SDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸采用全頁突發(fā)傳輸方式，系統(tǒng)LENGTH設(shè)置為256，如果圖像采集單元存入write_FIFO中的數(shù)據(jù)量大于256個字，write_FIFO發(fā)出寫數(shù)據(jù)命令，將256個字寫入SDRAM指定地址，相應(yīng)的SDRAM行地址加1，列地址歸零，收到Precharge命令之后進(jìn)行預(yù)充電和刷新以保持SDRAM的數(shù)據(jù)，對下一行進(jìn)行第二次突發(fā)傳輸，直到圖像數(shù)據(jù)寫入完畢，行、列地址計(jì)數(shù)器歸零。當(dāng)收到讀數(shù)據(jù)命令并且此時寫命令無效，控制器從SDRAM中讀出256個字到read_FIFO，行地址加1，列地址歸零，對下一行讀操作，依此類推到圖像全部讀完，行、列地址計(jì)數(shù)器歸零。
3、葉面積測量儀的圖像處理單元
葉面積測量儀獲取葉片圖像后，為了將葉面與背景有效區(qū)分，需要對原始葉片圖像進(jìn)行處理。圖像處理數(shù)據(jù)量大，用軟件方式速度慢，以硬件方式做圖像處理，可以發(fā)揮FPGA的并行處理能力，充分利用EP2C70F896C6豐富的邏輯資源。將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通過提取RGB圖像的單分量圖像，即R分量圖像、G分量圖像、B分量圖像，發(fā)現(xiàn)B分量圖像中目標(biāo)與背景差異最大，以此將RGB圖像轉(zhuǎn)換為B分量圖像。對得到灰度圖像進(jìn)行閾值分割，得到二值化圖像，由于葉片圖像與背景的灰度值差異明顯，觀察圖像的灰度直方圖，有很好的雙峰特性，所以，用雙峰之間的谷底灰度值作為閾值T將灰度圖像二值化，大于T的像素值為255，顯示為白色；小于等于T的像素值為0，顯示為黑色。這樣得到了背景為白色，葉片為黑色的二值圖像，使葉片從背景中分離出來。
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，葉面積測量儀用于離體葉片的葉面積測量穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)可以在原有的硬件架構(gòu)下改進(jìn)應(yīng)用程序，測量葉片其他參數(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性。
1、葉面積測定儀的圖像采集單元
葉面積測定儀的圖像采集單元采用Micron公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器MT9P031，像素尺寸為2．2μm×2．2μm，信噪比為38dB，動態(tài)范圍為70dB。圖像采集單元包括I2C配置模塊、CMOS采集模塊、色彩還原模塊。I2C配置模塊用于配置CMOS的參數(shù)。按照I2C總線的寫時序，用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)串行時鐘信號線I2C_SCLK和串行數(shù)據(jù)信號線I2C_SDAT，對CMOS寄存器寫操作。給地址為03H寄存器配置0x03BF，設(shè)定行寬為1600；04H寄存器配置0x063F，設(shè)定列寬為960，所以，CMOS的輸出分辨率是1600×960。
CMOS采集模塊檢測來自NiosⅡ的信號capture_start開始采集數(shù)據(jù)，capture_stop結(jié)束采集數(shù)據(jù)。按照CMOS的輸出時序，當(dāng)幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL同時為高電平，在像素時鐘信號PIXCLK的上升沿開始采集12位有效葉片圖像數(shù)據(jù)D［11∶0］。采集的葉片圖像數(shù)據(jù)是便于傳輸?shù)腂ayer格式，經(jīng)過色彩還原模塊將其轉(zhuǎn)換成RGB格式。在Bayer格式中，每個像素只表達(dá)R，G，B中的一種顏色，要借助這個像素點(diǎn)周圍的像素對它進(jìn)行插值填充另外2種顏色，將圖像恢復(fù)成全彩色RGB圖像。這里用到的插值算法是將2×2模板里的4個像素合并為1個RGB像素，模板中包含1個R，1個B、2個G像素點(diǎn)，先判斷像素點(diǎn)所在的行和列是奇數(shù)還是偶數(shù)，然后取1個B像素為輸出的B分量，1個R像素為輸出的R分量，2個G像素的均值為輸出的G分量，合成RGB格式輸出。經(jīng)過處理后，RGB圖像的像素變?yōu)樵瓉淼囊话耄?00×480。
2、葉面積測定儀的SDRAM控制器單元
外擴(kuò)的SDRAM芯片是ISSI公司的IS42S16160B，芯片結(jié)構(gòu)為4M×16bit×4Bank，16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率達(dá)到166MHz。根據(jù)SDRAM內(nèi)部操作狀態(tài)之間的聯(lián)系，用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)SDRAM控制器設(shè)計(jì)。
在SDRAM數(shù)據(jù)讀寫的控制中，由于前端CMOS數(shù)據(jù)采集工作頻率是27MHz，而SDRAM工作在100MHz，TFT_LCD的時鐘是33MHz，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在SDRAM控制器模塊中，使用FIFO作為讀寫數(shù)據(jù)緩存，F(xiàn)IFO的容量大小為512，數(shù)據(jù)寬度16bit，F(xiàn)IFO采用雙時鐘、雙端口異步操作方式以防止數(shù)據(jù)丟失。FIFO與SDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸采用全頁突發(fā)傳輸方式，系統(tǒng)LENGTH設(shè)置為256，如果圖像采集單元存入write_FIFO中的數(shù)據(jù)量大于256個字，write_FIFO發(fā)出寫數(shù)據(jù)命令，將256個字寫入SDRAM指定地址，相應(yīng)的SDRAM行地址加1，列地址歸零，收到Precharge命令之后進(jìn)行預(yù)充電和刷新以保持SDRAM的數(shù)據(jù)，對下一行進(jìn)行第二次突發(fā)傳輸，直到圖像數(shù)據(jù)寫入完畢，行、列地址計(jì)數(shù)器歸零。當(dāng)收到讀數(shù)據(jù)命令并且此時寫命令無效，控制器從SDRAM中讀出256個字到read_FIFO，行地址加1，列地址歸零，對下一行讀操作，依此類推到圖像全部讀完，行、列地址計(jì)數(shù)器歸零。
3、葉面積測量儀的圖像處理單元
葉面積測量儀獲取葉片圖像后，為了將葉面與背景有效區(qū)分，需要對原始葉片圖像進(jìn)行處理。圖像處理數(shù)據(jù)量大，用軟件方式速度慢，以硬件方式做圖像處理，可以發(fā)揮FPGA的并行處理能力，充分利用EP2C70F896C6豐富的邏輯資源。將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通過提取RGB圖像的單分量圖像，即R分量圖像、G分量圖像、B分量圖像，發(fā)現(xiàn)B分量圖像中目標(biāo)與背景差異最大，以此將RGB圖像轉(zhuǎn)換為B分量圖像。對得到灰度圖像進(jìn)行閾值分割，得到二值化圖像，由于葉片圖像與背景的灰度值差異明顯，觀察圖像的灰度直方圖，有很好的雙峰特性，所以，用雙峰之間的谷底灰度值作為閾值T將灰度圖像二值化，大于T的像素值為255，顯示為白色；小于等于T的像素值為0，顯示為黑色。這樣得到了背景為白色，葉片為黑色的二值圖像，使葉片從背景中分離出來。
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，葉面積測量儀用于離體葉片的葉面積測量穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)可以在原有的硬件架構(gòu)下改進(jìn)應(yīng)用程序，測量葉片其他參數(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性。
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