图像采集卡的设计及在自动浇注实时控制系统中的应用研究

数字图像处理技术在许多领域得到愈来愈广泛的应用｡微机图像处理系统以其使用灵活､性能价格比高而在医疗､气象､工业视觉等领域获得广泛应用｡在工业控制中一般采用摄像头得到现场的图像，而现在摄像头输出的信号多为模拟信号｡为了实现摄像头和计算机的接口，必须采用图像采集卡｡
但是现在市面上的图像采集卡往往数据采集和数据读取不能同时进行，这给编程和实时控制带来很大的麻烦｡本文提供的图像卡解决了这个问题，它采用两片存储器，计算机读取的内存和图像采集所用的内存交替使用，使得图像采集与计算机读取数据可同时进行｡
本文先分析了一般图像采集卡的缺陷，然后给出了新的图像采集卡的原理和设计思想｡由于本图像采集卡基于全电视信号，所以有必要先来简要地介绍黑白全电视信号｡
1 全电视信号及其原理
黑白ccd摄像头经过光电转换将图像（光信号）转变为电信号，其最终输出信号就是黑白全电视信号｡它主要由图像信号（视频信号）､复合消隐脉冲和同步脉冲组成｡
电视信号其极性可分为正极性和负极图像信号｡若图像最亮时，对应其信号电压的幅度最大，则该信号称为正极性信号;反之为负极性信号｡这里采用负极性信号｡将图像信号送到视频放大器中进行放大､处理，同时加入同步机送来的行､场同步脉冲和行､场消隐脉冲，就形成了全电视信号｡
消隐脉冲主要用于消除行场扫描逆程时产生的回扫线，同步脉冲保证收端与发端的扫描点应有一一对应的几何位置｡
由于场同步期间没有行同步信号，这会影响在整个扫描过程中的严格同步｡为了解决整个问题，采取在场同步脉冲中开槽的方法用以替代同步信号｡场同步前后两倍行频的脉冲称为均衡脉冲｡
电视标准规定，全电视信号的幅度比例是：若以峰值白电平到同步电平作为100%，则峰值白电平到消隐？黑电平的值为75%，峰值白电平为0%，图像信号介于白与黑电平之间｡
信号如图1所示，从时间上看，每秒传送25帧图像，每帧625行;隔行扫描时每秒50场，每场312.5行｡每一行的周期为64μs？其中图像占52.2μs，行消隐占11.8μs｡行同步脉冲为4.7μs，它比行消隐延迟1.3μs｡每一场的周期为312.5h=20ms，其中场消隐信号占25h+1行消隐信号，即等于1600μs+11.8μs｡均衡脉冲的宽度为2.35μs，周期为半行，共12个？前6个，后6个｡场同步脉冲的宽度为2.5h的时间？即160μs ｡场同步脉冲有6个槽脉冲，其宽度为4.7μs｡
在全电视信号中，把奇数场同步信号的前沿作为一场的起点，第1､2､3行是场同步信号，第4､5､6行是后均衡脉冲，7~22行还是场消隐信号，该场消隐信号从前场623行开始，因此，整个消隐信号是25行加一个行消隐的时间｡图像信号从23行出现到309.5行止，共287.5行，这就是第一场或称奇数场｡从309.5行开始又是下一场的场消隐信号及前均衡脉冲，在312.5行出现下一个偶数场的同步脉冲，奇数到此结束，偶数场开始｡一个奇数场加上一个偶数场合在一起称为一帧｡
2 一般图像采集卡的原理
一般图像采集卡的结构如图2所示｡
首先对视频信号进行预处理和同步分离｡预处理主要是进行放大､亮度､对比度调节､信号限幅（保护a/d）｡同步分离电路主要是分离出信号中的行同步和场同步信号，供采集卡的时序电路使用｡然后由高速的a/d转换器把处理后的视频信号转化为数字信号，在时序电路的控制下写入存储器｡
但这样的采集卡有一个问题，数据采集和数据读取不能同时进行｡不妨设奇数场扫描期间，每采样一次就将a/d转换的结果存入存储器，在偶数场期间，计算机将存储器中的数据读入计算机｡但是，由于在计算机读存储器时，a/d转换的结果并不能同时写入该片存储器，即存储器不能同时进行读和写两种操作，所以会丢掉偶数场的信息｡
3 基于双内存的图像采集卡的设计
为了解决这个问题，这里用了两片存储器进行交替工作｡当给其中一片存储器写数据时，计算机读取另一片存储器的数据，反之亦然｡这种采集卡的框图如图3所示｡下面对各部分电路进行介绍｡
（1）预处理电路：实现把标准的全电视信号转化为0~5v模拟信号，并具有亮度调节､对比度调节等功能｡放大器用的运放采用宽带运放lm318｡
（2）同步分离电路：为了将数字化后的图像信号存入相应的帧存储器，必须获得行同步信号和场同步信号｡由于同步信号的幅度最大，占全电视信号幅度的76%~100%的电平范围，可根据这一特征采用幅度分离法先将复合同步信号分离出来｡又因为场同步脉冲的宽度为160μs，远大于行同步脉冲的宽度4.7μs，这样又可在已分离出的行､场复合同步信号中进一步分离出行同步和场同步出来｡
（3）a/d转换器：图像采集卡中的a/d转换器选用8bit高速视频转换芯片ca3318ce完成｡它的最高转换速率可达15mhz｡由前面的黑白全电视信号的分析可知，每一行图像约52.2μs，本卡在电视信号每行的行正程期间需采样512点，采样时钟约为10mhz.因此选用ca3318ce 完全符合要求，只需将其采样率选在10mhz即可｡
（4）控制电路：控制电路的核心器件是一片通用逻辑门阵列gal20v8｡
该电路产生帧存储器的读信号memr1､memr2和写信号memw1､memw2以及图像采集卡所需的工作状态信号pc/local和！pc/local，电路原理如图4所示｡u33是一片gal20v8，它工作在简单模式，管脚18~22配置成输出，其它配置成输入｡1~6管脚接pc机的地址线pc_a4~pc_a9，7~10管脚接pc机的地址线pc_a16~pc_a19，管脚11接系统时钟clk，管脚13接pc机的pc_iow信号，管脚14接pc/local信号，管脚15､16分别接行消隐和场消隐指示信号h_mr和v_mr，管脚17接pc机的读存储器信号pc_memr，管脚18､19输出帧存储器ram1的写信号memw2和读信号memr2，20､21脚输出存储器ram1的写信号memw1和读信号memr1，22脚输出信号pc/local_clk作为触发器op6？b的时钟，23脚接pc机的pc_aen信号｡
控制电路还要产生pc/local信号｡该信号必须由pc机控制｡在这里，pc/local作为pc机i/o口的最低一位，口地址是220h~22fh，pc机只需向220h~22fh任意地址写1或0即可以将pc/local设置为1或0｡i/o口地址的译码由u33完成，可以用abel语言描述如下：
iocs=！（！pc_a4&pc_a5&！pc_a6&pc_a7&！pc_a8&pc_a9&！pc_aen
pc/local_clk=iocs#pc_iow
iocs是端口的选通信号，低电平有效｡当pc机的地址线pc_a9~pc_a4为100010时，pc_aen为低电平？pc_aen为高电平时指示pc机处于dma状态时，iocs有效｡c/local_clk由iocs和pc机的i/o口写地址pc_iow相或产生，当端口未选中时，它一直是高电平;当端口被选中后，由pc_iow产生一个上升沿｡c/local_clk的上升沿将触发op6？b，将pc机的最低一位数据线pc_d0锁存，产生pclocal和！pclocal｡
当帧存储器的地址由pc机产生时，需要译码逻辑｡c机低于1m的内存空间分配如表1所示｡为了不发生地址冲突，从表中可知，可以把d0000h~dffffh空间作为帧存储器的映射地址｡这部分译码工作也由u33完成，用abel语言描述：
memcs=！（pc_a19&pc_a18&！pc_a17&pc_a16
由式子可知当pc_a19~pc_a16为1101时，memcs有效？低电平｡
帧存储器的读信号memr1､memr2和写信号memw1､memw2也由控制电路产生｡当pc/local为0时，pc机读帧存ram1，同时ad转换的结果送入帧存ram2;反之亦然｡读信号由pc机的外存储器读信号pc_memr和译码信号memcs产生;写信号由系统时钟clk､行､场消隐指示信号h_mr､v_mr生成｡当h_mr或v_mr任意一个为高电平时，表示现在处于消隐状态;只有当h_mr和v_mr都为低电平时，表示处于场正程和行正程，a/d转换的结果才写入帧存储器｡
（5）存储器：为了实时采集和显示，数字图像采集卡中设置了存储器｡一般对图像帧存储器有如下要求：a 高速存取，b 存储量大，c 非同步输入输出的存取｡存储一帧或一场电视信号必须的存储容量可用下式计算：
存储容量=1帧（或1场）的扫描线数×1行的取样数×量化bit数
在本图像采集卡中，一场采集的图像为512×256点，需要存储容量为128k×8bit的存储器｡在前面硬件框图中曾经讨论过，需要两片帧存储器交替工作，也就是需要设置两片128k×8bit的帧存储器，分别用来存放奇数场和偶数场的数据信息，因而选用两片高速静态存储芯sram 628128｡
两片帧存储器的读信号memr1和memr2，写信号memw1和memw2均由控制电路产生｡其中读信号与pc机的读存储器信号pc_memr有关，而写信号与图像采集卡的采样时钟！clk有关｡帧存储器的八位数据线d0~d7通过接口电路与pc机的数据线pc_d0~pc_d7相连｡
上面提到，把帧存储器映射到d0000h~dffffh，这样寻址范围只有64k，而一场的图像数据有128k，故采用地址分段实现，这可通过对帧存地址线a16进行i/o操作实现｡
（6）时序发生电路：主要用来产生图像采集卡所需的帧存储器的扫描地址信号和实现同步并避开行逆程的消隐信号｡
（7）地址切换电路：该电路用于切换时序发生电路产生的扫描地址信号和pc机的地址信号｡需要用二选一的数据选择器来切换pc机的地址信号和采集卡上的地址信号｡通用的集成电路中只找到四位的数据选择器，若选用它则34条地址线需要九片，那将占用了太多采集卡的空间，故而采用gal器件来实现｡每片gal16v8可实现8位数据选择，而gal20v8可实现10位数据选择，从而34条地址线仅需3片gal16v8和1片gal20v8｡
该图像采集卡已制作完成，经测试性能完全达到设计要求｡该图像采集卡可用于dos操作系统､也可用于windows操作系统｡由于采用了可编程逻辑器件大大减少了芯片数目｡
采用摄像头加采集卡作为传感器，可解决许多常规传感器无法实现的场合｡如在铸造厂的自动浇注过程中，为了测量砂模中铁水液位的高度，常规液位传感器难以承受1400°c的高温｡即使有这样的传感器，因为一个砂模浇完以后，又有新的砂模传送过来，不可能在每个砂模都插一个液位传感器｡而采用摄像头拍摄砂模浇口杯的图像，由计算机进行图像处理，就能够计算出砂模浇口杯内铁水液位高度，解决了自动浇注系统中的实时控制问题｡