摘要
随着现代制造工业中微细加工技术的不断发展，对微细零件表面形貌测量的要求越来越高，具有较高横向及纵向分辨率的激光并行共焦显微系统可以突破光学衍射的极限要求,对物体表面进行无损检测及三维形貌重构。为了进一步实现光学系统的便携化、智能化需求，具有体积小、成本低、专用性强等一系列独特优点的嵌入式系统，无疑有着极好的应用前景。
本文主要研制了一种基于ARM的便携式图像采集处理系统。论文主要以硬件设计和软件设计两大部分完成对系统的论述：硬件设计中，通过分析实际图像采集需求后总结设计的主要性能指标，确定了采集系统的主要控制平台和图像传感芯片，给出了总体的硬件设计方案，并在此基础上完成了SCCB控制模块、图像数据捕获模块、串口调试模块等硬件接口模块的设计；软件设计中，完成了CMOS的驱动程序、图像数据采集的驱动程序、Bayer图像数据转换算法等软件设计工作，最后论述了静态图像采集系统相关调试、实验工作，结果表明此嵌入式图像采集系统基本达到预期目标，证明了设计的合理性和正确性。
本系统一定程度上提高了低功耗微控制器图像采集的效率，将图像采集系统对硬件的依赖转化为设计人员的软件设计工作，相对于传统PC机+CCD的方案，不仅在体积、成本上具有明显优势，更体现出良好的柔性，便于今后的维护、优化。
关键词：ARM，LPC2478,图像采集，便携式
第一章 绪论 ................................................................................................................ 3
1.1 课题的研究背景............................................................................................. 3
1.1.1 并行共焦显微系统概述 ......................................... 错误！未定义书签。 1.1.2 嵌入式系统概述 ................................................................................... 3 1.1.3 嵌入式图像采集系统概述 ................................................................... 5 1.2 课题研究的目的和意义 ................................................... 错误！未定义书签。 1.3 课题研究的主要内容及组织结构.................................................................. 7 第二章 系统硬件电路设计 ......................................................................................... 8
2.1 系统核心器件概述 ......................................................................................... 8
2.1.1 基于ARM7TDMI的LPC2478开发板 ................................................ 8
2.1.2 OV7620图像传感器 ...........................................................................11 2.2 图像采集系统硬件总体架构 ........................................... 错误！未定义书签。 2.3 图像采集系统硬件模块设计 ....................................................................... 16
2.3.1 SCCB控制模块.................................................................................. 16
2.3.2 图像数据采集模块 ............................................................................. 17 2.3.3 存储、显示模块 ................................................................................. 20 2.3.4 串口通讯模块..................................................................................... 22
2.5 本章小结 ...................................................................................................... 23 第三章 系统软件程序设计 ....................................................................................... 24
3.1 系统总体软件设计 ....................................................................................... 24 3.2 系统初始化模块的软件设计 ....................................................................... 24
3.2.1 LPC2400的bootloader软件设计 ...................................................... 25 3.2.2 CMOS驱动程序设计 ......................................................................... 26 3.3 图像采集模块的软件设计 ........................................................................... 30
3.3.1 CMOS与ARM的工作匹配............................................................... 30
3.3.2 同步信号捕获的软件设计 ................................................................. 30 3.4 存储处理显示模块的软件设计.................................................................... 32
3.4.1 片外SDRAM存储驱动设计.............................................................. 32 3.4.2 Bayer图像数据的差值算法 ............................................................... 34 3.1 本章小结 ...................................................................................................... 38 第四章 系统实验结果与分析 ................................................................................... 40
4.1 图像采集系统的组成 ................................................................................... 40 4.2 图像采集系统的测试实验与分析................................................................ 40
4.2.1 ARM的数据存储读写实验................................................................ 40
4.2.2 图像数据采集有效像素点及错帧率实验 .......................................... 43
4.3 本章小结 ...................................................................................................... 44 第五章 总结和展望 ................................................................................................... 45 参考文献 ...................................................................................................................... 47
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景 1.1.1 课题来源
随着现代制造工业的高速发展，特别是微细加工技术的不断进步，对零件的三维形貌进行快速准确的检测，逐渐成为现代仪器研究及测试方法的重要课题。在半导体技术、生物医学等领域，共焦显微术因其高精度、高分辨力、能够较容易对被测物三维形貌实现重构的特性从而得到较为广泛的应用。本论文来源于国家自然科学基金项目（NO.50775063），该项目研究的是微型器件三维形貌的测量系统。其中便利用共焦显微术【1】，实现了对微器件形貌的高精度、高分辨率及易实现成像数字化的测量。
Unitary intensity of illumination 1.0
0.5
Δz FWHM 0
Z 图1- 1 并行共焦测量原理图 图1- 2 光强位移曲线图
并行共焦测量的原理图如图1-1所示。其中1为光源，2为微透镜阵列，3为分光镜，4为CCD，5、6为凸透镜，7为微动台。光源发射的光在经过微透镜阵列分束后成为点光源阵列，通过透镜组成的远心光路在被测物面处成像，最后经由被测物面的反射，在CCD的像面成像（如图1-3），其中的点光源阵列面、被测物面及CCD像面彼此共轭。测量时，随着物面做Z向移动，成像于CCD像面的光斑大小发生改变，导致CCD上处在光斑区域中的感光像素所接受光强发生变化，因此可以得到该被测物点的光强变化曲线，如图1-2。曲线峰值所对应的横坐标值（Z0值）即为该被测物点的正焦位置，把所有采样点的正焦位置找到后即可得到被测物面的表面形貌【2】。
图1- 3 并行共焦局部图
并行共焦显微系统用CCD接收光点阵列图像，经过图像采集卡在PC机上显示。由于该系统体积大，不便于携带，满足不了一些在线检测需求，因此本学位论文的任务是为并行共焦显微系统研制一种体积微型化的图像采集系统。
由并行共焦检测的方式及输出图像特征可知，需要设计的是一种能够采集黑白灰阶图像的静态数字图像采集系统。要达到微型貌测量的目的需要图像采集系统具有若干特性，具体归纳如下：
? 系统结构简单、紧凑，便携性能好 ? 系统能够识别256或以上灰阶图像 ? 图像数据格式便于处理、显示 ? 系统采集时间不低于1帧/秒 ? 具有较大的存储空间
本论文旨在设计一种具有上述特性的图像采集系统，可以对并行共焦光路输出的光强图像进行采集、显示，并具有较高的便携性、稳定性及可靠性。图像采集系统内的图像传感模块和控制处理模块应具有一定的通用性，即图像传感器具有采集像素位深、数据格式、图像分辨率可选的多样化输出，控制处理部分具有可裁剪的多种总线接口模块。
综上所述，所设计的便携式图像采集系统必须脱离PC机，因而采用了具有专用性、嵌入式、计算机性特点的嵌入式系统实现设计目标。本课题研究的基于ARM的便携式图像采集系统利用了嵌入式ARM平台多种功能接口、总线协议，掌握ARM微处理器的相关应用，为各种测试测量方法在便携式系统领域的应用打下坚实基础。 1.1.2 嵌入式系统概述 1、嵌入式系统
嵌入式系统被IEEE（国际电气和电子工程师协会）定义为“是一种用来控制、监视或者辅助仪器、机械操作的装置”。无论嵌入式计算机技术如何发展，都改变不了其“内含计算机”、“嵌入到对象体系中”、“满足对象智能化控制要求”的技术本质，因此可以将嵌入式系统定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统”。
嵌入式系统具有3个基本特点，即“计算机性”、“嵌入性”及“专用性”：
? “计算机性”是目标系统智能化、自动化控制的根本保证，内含
微处理器的现代电子系统，方才能实现目标系统的计算机智能化控制能力；
? “嵌入性”则是专指起源于微型机、嵌入到目标对象系统进而实
现对象体系智能控制的特性；
? “专用性”是指为了贴合对象控制需求或特定环境要求下的软硬
件的裁剪性。
嵌入式系统在很多产业中都得到了广泛的应用，包括消费电子、国防军事、工业控制等领域应用的越来越广泛，从军用的导弹知道系统到民用的消费电子、智能家电、汽车，嵌入式系统无处不在。 2、嵌入式处理器
通用计算机处理器的系统拥有大量的应用编程资源、外设接口总线及先进的高速缓存逻辑，但也具有能源消耗大、产生热量高、成本尺寸大等不可回避的问题，因此诞生了为各种专用应用而设计的特殊目的处理器——嵌入式处理器，主要分为以下四类：
? 嵌入式微处理器：在应用中将微处理器装配在专门设计的电路板
上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能而换来系统体积和功耗的大幅减小，在功能上保留和标准微处理器一致的同时更在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面得到增强。
? 嵌入式微控制器：即单片机，就是将整个计算机系统集成到一块
芯片中，一般以某一微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、RAM、总线等必要功能和外设，是目前嵌入式系统工业的主流。 ? 嵌入式DSP处理器：对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适
合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度快，在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法大量进入嵌入式领域。 ? 嵌入式片上系统：将通用处理器内核作为SOC设计公司的标准
库，用标准的VHDL等语言描述存储在器件库中，在定义出其整个应用系统并仿真通过后即可制作样品，大大优化了系统电路板
体积、功耗和可靠性。
1.2 图像采集技术的研究现状 1.2.1 图像采集系统简介
图像采集是将图像信息光电转化成便于计算机传输、存储的数字信号的过程。图像采集术在现今应用最广泛的方向是视频应用，早在上世纪无声电影的出现便开启了视频应用的时代，近年来随着计算机技术、网络技术及图像处理、视频压缩等技术的不断发展很大程度上扩展了图像采集术在各种产业领域使用，并且面对多样化的应用方面出现了基于多种处理平台的图像采集系统。
总的来说图像采集系统由光电转换和信号处理两大模块组成： ? 光电转换模块：用来完成对成像光信号到电信号的转换，其中的
主要转换器件从最早的光电二极管到现在的CCD、CMOS传感器的时代；