图像实时采集（通用10篇）
图像实时采集 篇1
0 引言
接触式图像传感器(CIS)是上世纪90年代初研究和开发的一种新型光电耦合器件。它具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、便于安装等优点,广泛应用于传真机、扫描仪及新型点验钞机等领域。SOPC (System on Programming Chip),即可编程片上系统,它集成了硬核或软核 CPU、锁相环、存储器、可配置I/O接口及可编程逻辑单元,由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能,具有灵活的设计方式,可裁减、扩充、升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。本文设计的实时图像采集系统,采用三通道高速 CIS传感器,结合SOPC技术,使系统集成度更高,开发周期更短,具有较好的实时性。
1 系统概述
根据基于CIS图像采集系统的要求,及PCB制作的考虑,选用Xilinx公司Spartan-3E系列的FPGA完成整个图像采集过程。在FPGA输出的CIS驱动和控制信号、A/D驱动信号共同作用下,CIS输出的三通道模拟信号经三通道A/D转换为数字信号后,进人FPGA控制器,通过多端口总线控制器(MPMC)存入对应地址的DRAM中。在FPGA控制器上主要完成图像的存储、CIS驱动和控制、A/D驱动和配置及对外部信号的响应。Frame_Trig和Line_Trig为外部输入的同步触发信号。系统框图如图1所示。
2 图像采集系统
图像采集是整套系统的基础,它的稳定性直接影响着系统的整体性能。接触式图像传感器(CIS)是一种自带光源的线性传感器,扫描一次仅能得到一行图像信息,因此,图像采集时必须配合横向(垂直于CIS方向)的运动,才能得到一幅完整的二维图像。为保证图像横向分辨率的稳定性,系统采用电机配合光电编码器的方案,精确控制平台的运动速度与CIS行触发信号之间的关系。通常情况下,为保证图像不失真,图像的横向分辨率与纵向分辨率需保持相同。
2.1 运动平台
运动平台由电机、光电编码器和传送机构、分离机构和接收机构等组成。其中光电编码器由光电开关传感器和光栅盘组成,光栅盘与电机同轴运动。电机启动后,传送带以一定速度运行,被检测对象通过分离机构,均匀的分布在传送带上,此时,编码器产生的脉冲信号送给FPGA,作为CIS的行同步信号,触发CIS采集一帧图像。CIS安装位置的前端装有两个红外对管。当被检测对象经过红外对管时,两个红外对管将产生的脉冲的边沿信号将送给FPGA,作为整幅图像的启动、停止控制信号。图像采集系统机械结构示意如图2所示。
2.2 接触式图像传感器
系统所用的三通道CIS图像传感器,其最高工作频率为8Mhz,有效扫描宽度为183mm,有效像素为1440个,物理分辨率最高可达200 DPI,并可单独控制自带光源的曝光时间。CIS信号时序如图3所示。
SI信号为行扫描的启动信号,三通道输出模拟信号SIG1、SIG2、SIG3在SI为高电平后的64时钟周期内输出无效信号,65～495时钟周期内输出信号为有效信号。Tgrn为LED的曝光时间,Tmax为最大曝光时间。
2.3 A/D转换器
A/D芯片选用专用于CIS的三通道高速A/D转换器,16位分辨率,最高采样率可达30MSPS,完全满足系统要求。该芯片工作在三通道SHA模式下,工作时序如图4所示。Analog_Input为三通道CIS的输出模拟信号,CDSCLK2为相关双采样时钟脉冲信号,由FPGA给出。在三通道模式下,ADCCLK为采样时钟输入信号。Output_Data为输出数字信号,连入FPGA数据接口。
2.4 图像存储
MPMC(Multi-Port Memory Controller)全称为多端口内存控制器,是Xilinx公司提供的一种全定制内存控制器,它本身支持SDRAM、DDR 和 DDR2 等多种内存的读写时序,本系统采用的是 SDRAM内存。在系统中,Xilinx公司提供的软核Micro-Blaze是通过 PLB(Processor Local Bus)总线与多端口内存控制器MPMC连接的,有利于在软核上以地址空间的形式直接存取SDRAM 的数据。为保证数据能够实时地传输,对于图像数据的存储和读取,系统采用两个相互独立的可配置NPI 端口分别来存储和读取数据。存储数据用的NPI端口配置成只写模式,而读取数据用的NPI端口配置成只读模式。
2.5 FPGA时序设计
FPGA的时序设计,包括产生CIS驱动信号以及与它相匹配的A/D控制信号。CIS的驱动信号包括SI行扫描启动信号、LEDrgb光源控制信号、CLK工作时钟信号以及CNT分辨率选择信号。相匹配的A/D转换器驱动信号包括CDS参考时钟、CDSCLK1、CDSCLK2和A/D数据采样时钟信号ADCCLK。由于有限状态机的结构模式简单、可靠性强以及容易构成性能良好的同步时序逻辑模块等特点,因此采用有限状态机来实现驱动逻辑设计。
作为整幅图像采集的有限状态机Field_State总共分为Fiedl_Idle、Fiedl_Delay、Fiedl_Valid三种状态。
Field_Idle:Field_State的初始等待状态。当电机未启动或电机启动未有被检测对象通过红外对管传感器时,Field_State处于Field_Idle;此时CIS未启动;当Frame_Trig=1,即被检测对象通过红外对管传感器时,此时Field_State将跳转入Field_Delay。
Field_Delay:Field_State的延时等待状态。此时启动CIS驱动和控制,并以外部码盘信号作为行同步信号触发采图,对行同步脉冲进行计数,当脉冲计数值达到某一固定值,此时Run_Flag=1,Field_State跳转入Fiedl_Valid。
Fiedl_Valid:即Field_State有效采图状态,此状态同时开启CIS驱动和图像储存。当再次检测到红外对管边沿信号时,即Stop_Flag=1时,跳转入Field_ldle,等待下一次红外对管传感器的触发信号。如图5主状态转移图所示。
Line_State为另一有限状态机,用于CIS一帧图像的采集。Line_State总共分为Line_Idle、Line_Delay、Line_Valid三种状态。
当Line_State处于Line_Idle,CIS工作在空闲状态,没有启动采图信号(SI)。当光电编码器的下降沿信号到来时,即Line_Trig=1,Line_State跳转入Line_Delay。Line_Delay为Line_State和Line_Valid状态时,进入Line_Delay状态,该状态是固定时钟脉冲延时,目的是去掉CIS前端的无效像素点;当固定时钟脉冲计数器溢出后,状态跳转入有效行采图状态,即Line_Valid,完成三通道图像数据的采集;当一帧图像的有效像素点完成采集后,状态跳转入Line_Idle,等待下一次行同步信号的触发。如图5中从状态转移图所示。
为了CIS稳定工作及图像信息的准确采集,所编写的各驱动信号必须存在严格的时序关系。在Xilinx开发平台ISE10.1开发环境中,采用Verilog HDL语言进行各种驱动时序及控制信号的设计及编写,仿真结果如图6所示。
3 结束语
本文采用SOPC技术,在单片FPGA芯片上完成了针对接触式图像传感器CIS的实时图像采集任务。系统中图像的采集、判断及存储都通过硬件逻辑实现,充分发挥了FPGA并行处理的能力,很好地完成了系统的强实时性要求。同时,在整个采集过程不需要处理器参与,节省了宝贵的系统运算资源,有利于后续的图像处理。由于仅用了一块FPGA即实现了处理器和各种逻辑的功能,系统集成度较高,进而降低了系统的复杂度,在高速视觉检测领域有着较好的应用价值和前景。
参考文献
[1]夏振春,丁万山.基于CIS与ARM9的条码图像采集系统[J].电子科技,2010,23(3):23-29.
[2]蒋伟林,胡跃明,陈安.基于FPGA的实时图像采集系统[J].计算机测量与控制,2011,19(5):1215-1216.
[3]程开富.接触式图像传感器的发展与应用[J].国外电子元器件,2002,6:62-65.
[4]胡社教,昂鑫,江萍.基于CPLD的CIS驱动电路设计[J].仪器仪表学报,2010,31(8):181-183.
[5]朱均超,刘铁根,王双.一种接触式图像传感器非均匀性实时校正方法[J].光电子,2007,18(9):1036-1038.
[6]冯晓昱,吴云峰,叶玉堂.基于FPGA与接触式图像传感器的宽幅扫描仪[J].中国科技信息,2009,2:110-111.
图像实时采集 篇2
根据《XX市人民政府办公室关于印发的通知》精神，为推动我县加油站油品销售情况监测逐步实现数据信息实时采集，构建“销、控、进”监管体系，防止成品油经营企业购进和销售非法油品、偷逃税款等违法行为，确保在全县所有民营、联营、私营以及其他国有（除中石化、中石油外）加油站加油机安装数据信息实时采集系统，现结合我县实际，特制定本方案。
一、成立领导小组
为加强组织领导，决定成立县加油站数据信息实时采集系统建设工作领导小组，负责统筹协调并指导加油站数据信息实时采集系统建设工作，协调解决系统建设过程中遇到的问题。
组长：XX县委常委、统战部部长、副县长
副组长：XX县政府办公室副主任、大数据发展和政务局局长
XX县工业信息化和商务局局长
XXXX税务局局长
成员：XX县委网信办副主任
XX县公安局副局长
XX县财政局副局长
XX县工业信息化和商务局党组成员
XX县应急局副局长
XX县市场监管局副局长
XXXX海事处副处长
XXXX税务局副局长
领导小组下设办公室，办公室设在县工业信息化和商务局，办公室主任由XX同志兼任，办公室承担领导小组日常工作，协助县政府办公室统筹推进加油站数据信息实时采集系统的建设，办理县人民政府交办的其他事项。
二、目标任务
2021年10月30日前，在全县所有民营、联营、私营以及其他国有（除中石化、中石油外）加油站加油机安装数据信息采集设备，建设加油站数据信息实时采集系统。
三、重点工作
（一）做好宣传解释。
大力宣传建设加油站数据信息实时采集系统对加强全县成品油市场监管、规范成品油经营行为，打造公平有序、诚信纳税的经营环境的重要意义，宣传解释建设加油站数据信息实时采集系统不增加经营者负担，消除广大成品油经营者顾虑。（二）摸清底数情况。
对本辖区成品油市场情况进行认真分析掌握，尽快组织人员对辖区范围内所有民营加油站数量、加油机品牌、加油机服务厂商联系方式、加油计量器具使用情况、经营状况等方面内容进行摸底排查，并建立明细台账，做到“底数清、情况明”，确保所有民营加油站按时完成数据信息实时采集系统建设。（三）做好安装调试。
各相关部门共同配合，确保在10月30日前完成加油站数据信息实时采集系统建设，并同步做好设备运行和系统调试工作，实现加油站数据信息实时采集系统全覆盖和正常运行。（四）强化日常管理。
各相关部门按照职责分工，强化日常管理，充分利用加油站数据信息实时采集系统实现加油站销售数据实时采集、实时上传、实时监控、实时预警功能，运用数据分析结果，进一步加强全县成品油市场监管和税收征管；及时排查异常装置设备，解决系统后续使用及管理问题，不断优化系统功能；抓好加油机管理、税控设备维护等相关工作。四、职责分工
（一）县工业信息化和商务局。
做好本辖区系统设备推广应用有关工作，收集整理系统推广过程中出现的问题，加强和运营单位反馈协调，不断完善优化；加强本辖区成品油市场监督管理，分析评估全县成品油市场状况，结合全县加油站经营现状，指导系统设备安装工作。（二）XX税务局。
做好数据采集、运用和保密工作，做好纳税服务和宣传辅导；配合做好系统设备的安装建设和推广应用等工作，并运用数据分析强化本辖区成品油税收征管工作；查处税收违法行为。（三）县市场监管局。
配合做好加油站数据信息实时采集系统建设工作，依法加强加油站成品油质量和加油机的计量监管，强化加油机生产企业、建设施工单位、“云端”产品生产企业、成品油销售企业的主体责任，明确各方在加油站数据信息实时采集系统后续运行中持续改进的义务，以确保加油机计量性能准确可靠，依法查处计量作弊等违法行为。（四）县公安局。
配合抓好系统推广运用和安装工作，依法打击破坏系统设备、抗拒行政执法、暴力抗税等违法行为。（五）县应急局。
配合抓好系统推广运用中的应急管理、安全性评估等工作。（六）县委网信办。
负责网络舆情监控，确保数据信息实时采集系统安装工作有序推进。（七）XX海事处。
配合做好水上加油站（趸）加油数据信息实时采集系统建设的推广宣传，配合相关部门依法打击破坏设备、抗拒行政执法、暴力抗税等违法行为。（八）县财政局。
负责统筹保障加油站数据信息实时采集系统建设工作经费。（九）中国移动通信集团XX有限公司XX分公司等运营单位。
及时采购相关设备，提供技术力量支持，确保加油站数据信息实时采集系统按时间要求运行，及时排查、发现、反馈系统异常情况，解决加油站数据信息实时采集系统后续使用、管理问题，确保加油站数据信息实时采集系统正常运转。五、经费保障
（一）争取2021年自治区服务业发展专项资金支持。
根据《自治区商务厅关于做好2021年自治区服务业发展专项资金（第三批）项目申报工作的通知》（X商建发〔2021〕X号）精神，争取自治区财政补助资金。（二）县财政局统筹安排。
建设资金不足部分由县财政统筹安排，具体运营单位由中国移动通信集团XX有限公司XX分公司自行决定，项目实施过程中一律不得要求纳税人承担任何费用。六、运营单位的确定
拟以单一来源采购的方式进行政府采购，确定中国移动通信集团XX有限公司XX分公司为运营商，具体政府采购手续由县工业信息化和商务局按有关规定办理。
七、工作要求
（一）加强组织领导。
各相关部门要加强组织领导，成立工作领导机构，明确目标任务和职责分工，落实专人负责该项工作，确保工作有序推进。（二）加强信息报送。
县领导小组办公室要加强信息报送，每周星期四前向县领导小组报送一次推进信息。报送邮箱：XX@163.com，联系电话：XX。图像实时采集 篇3
关键词 实时数据库 数据采集 系统设计 实现
中图分类号：TP392 文献标识码：A
这些年，企业进行信息化建设是我国一些大型企业所面临的重大问题。自从新世纪以来，烟草企业也逐渐开始信息化建设。随着MES 系统逐渐被人们认可，在接下来的几年之内，卷烟企业进行战略性调整和信息化建设是关键的工作，这直接决定了中国烟草工业的命运。
1 数据中心框架结构和设计
1.1系统设计的目标
设计出来的实时数据采集系统达到的效果如下：能够建设符合各个领域里面的决策系统；集中了很多小规模范围里面的应用；能够有效分担其它的事物处理系统的负担，提高决策和事物处理的效率。这个系统建设是以公司的业务流程建立的一个管理机制，是可以提供准确相同的分析数据。整个系统采用的是大量数据集中在一起的方式，这样就可以实现数据的自动获取和积累，还有就是业务数据和信息在整个行业里面实现共享。这个系统还能够提供一个相当强大的数据处理平台，能够满足不同种类业务的分析。整个系统的建立还能够提高工作的效率和准确性。这个系统能够满足现代的企业管理模式，这样就可以使得业务流程化和规范化。这样就可以通过智能的商业技术对集团的信息进行分析预测，还可以实现业务的自动化，为企业领导分析决策提供一个准确的依据。
1.2系统的性能指标
在进行实时数据库系统设计的时候需要保证的系统性能如下：（1）可靠性和及时性，设计出来的系统必须能够二十四小时进行工作。这样就可以保证系统在任何情况之下都可以进行资源的分配，这样就可以保证各个板块的功能能够正常进行。（2）系统的整体性和效率性，设计的系统需要是一个高效的一体化管理系统，系统需要能够容纳大量的数据，而且数据的更新还需要在短时间之内完成。整个系统需要在短时间之内完成对数据的处理，而且还需要高效率高质量完成。（3）系统需要先进和实时，整个系统可以运用充分的资源，然后根据客户的要求，把高的工作效率和好的经济效益当作是主要要求，在这个基础上，为客户提供一系列业务服务平台。（4）系统的安全性和实时性，系统采集的数据安全是十分重要的，在系统的设计过程当中，设计人员需要采取严格的技术来对技术进行保密。设计人员需要通过保密技术来保证用户身份的真实性，数据的完整性。在网络连接良好的情况之下，对每一个IP地址请求的操作处理时间需要控制在一分钟时间之内。（5）整个系统需要支持集群技术，设计人员可以通过多个服务器来完成一个集群，当服务器上面的用户达到最大的时候，其它的服务器会开始工作。（6）整个系统需要有一个完好的信息输出端口，整个系统的目标是为了对数据进行分析，而分析的目的是为了借鉴使用。为了能够进行应用，就需要把分析得到的结果数据转化成不同的输出文本，有的人需要把它变成演讲文稿，有的人就需要获得一个Excel数据。一般的开发格式有Excel， PPT， HTML等。
2 系统的结构
烟草企业对过程的监控和数据出来了是通过紫金桥实时数据库来完成的，它把现场的各种数据集中在一起，这些数据包括了生产上面的数据、设备的数据和质量数据等，在此同时整个数据库还包括一个完整的数据查询和分析功能，这可以为企业的生产和决策提供一个可靠的依据。还有生产过程出现状况的时候，系统还能够随时发出警报，这样就能够很方便采取处理解决的措施。整个系统还需要提供各种接口，比如说S Q L 接口、AP I接口等，通过这些接口就可以把各种组件连接到一起，这样就可以实现数据库能够正常工作。
3 实时数据库的功能
实时数据库的作用是对烟草企业的生产过程实施监控管理，但是它在这个系统的作用不只是储存数据，它还需要处理现场采集获得的数据，对获得的数据进行加工分析，一旦出现异常情况发出警报。它需要实现的功能如下：（1）事故的追忆功能。这就需要系统对和事件有关的状态进行记录，这样在事件产生之后就能够进行原因分析了。事件的数量、时间范围等都是可以自由设定的。（2）数据的压缩备份功能，中心的服务器刷新的时间是1 s ，在这样的情况之下，数据库不进行压缩的话是无法容纳这么多数据的。这就要求数据库进行压缩运算，这就可以解决数据量大的问题。（3）物料平衡，系统需要对实际的投料数据、收率数据等进行计算，然后对不同的时间数据进行统计分析。实时数据库当中的数据也是可以来自现场的，也可以通过人工输入的方式。（4）趋势分析，趋势功能主要包括了用户可以选择查看一些含有PID 数值的趋势图，也可以把趋势图打印出来，或者是把图片保存成图片的格式。用户还可以输入开始和结束的时间来查看数据的走向。趋势图如图1 所示。（5）系统还需要有班组考核功能，主要通过对重要工艺数据的追踪，发现生产过程当中的问题，然后提出改进意见。（6）系统还需要有统计分析功能，这样就可以全程监控产品质量。（7）系统还需要有报表系统，这样就可以制作各种各样的报表。
4 总结
考虑到我国烟草企业的规模大，所以系统的点数要多，这样就要有好的数据采集和储存，还需要制定大量的趋势图和报表。实施数据库需要有良好的性能和繁多的数据接口，这样不仅能够满足项目要求，还能够对烟草企业做出评价，推动烟草企业的信息化发展。
参考文献
[1] 张俊良，薛振兴.烟草企业数据中心系统的设计与实现[J].安徽：电脑知识与技术，2009（5） ： 2316.
[2] 付文，范广辉.实时数据库实现烟草行业过程管理实时监控系统[J].江苏：工业控制计算机，2009（3） ： 17-18.
[3] 徐毅博.烟草一号工程工业数据采集系统设计与实现[J].北京：硅谷，2012（7） ： 170-172.
图像实时采集 篇4
图像采集与预处理系统指的是用设备来捕获客观世界的图像并对得到的图像数据进行预处理和存储的过程,它在当今工业、军事、医学等领域都有着极其广泛的应用。在图像采集与预处理系统中,人们不仅对系统的硬件结构提出了很多设计方案,同时也对图像预处理的方法进行了大量的研究,并取得了一定的成果。在众多预处理方法里,中值滤波作为一种常用的图像预处理方法,能够有效地去除噪声,平滑图像,并且能够有效地保留图像的边缘信息。经过预处理的图像数据为图像拼接、图像目标检测、目标跟踪等算法的实现提供了必要的数字图像信息,可以提高图像拼接、图像目标检测、目标跟踪等算法的准确度。基于现场可编程门阵列FPGA的图像采集与预处理系统,有很强的动态配置灵活性,具有处理速度度快、处理系统通用性与可移植性强的明显优势。本文的图像采集和预处理系统以FPGA为核心,配合视频编码芯片、解码芯片、SDRAM芯片等设计而成,其中FPGA采用Altera公司的StratixⅡ系列的EP2S60芯片。
1 系统的流程及硬件结构[1,2]
整个系统的结构框图如图1所示。
在如图1所示的系统中,通过CCD摄像头采集视频图像,并将其送至整个处理系统中,通过视频解码芯片将模拟视频变成数字形式传送到FPGA中,通过FPGA中SDRAM控制模块对SDRAM的控制,将从视频解码芯片接收到的图像数据存储到SDRAM中,之后按照需要的时序在从SDRAM中将数据读出,将数据送至中值滤波模块进行预处理,将中值滤波后的数据一路送到DSP中,在DSP中对图像进行复杂的算法处理(如图像拼接、目标检测等算法),另外一路送至视频编码芯片,通过视频编码变成模拟信号输出到显示设备上。
由于FPGA在接收、处理和传输图像数据的过程中要与不同的器件打交道,也就是FPGA要配合或控制它们各自的工作时钟、读写时序、复位时序等,因此FPGA的另一个作用就是对不同的器件进行逻辑控制。
2 预处理系统功能的实现
2.1 视频输入和输出模块[3]
系统采用解码芯片SAA7111将输入的模拟视频信号转换为数字信号形式。SAA7111是飞利浦公司生产的9位视频解码器,提供6路模拟输入和2个增强型的模数转换器。通过FPGA对SAA7111的配置,将模拟视频转变为数字图像并将其送入FPGA中,进行存储和预处理等操作。视频编码芯片采用的是SAA7121芯片,经过预处理后的图像数据从FPGA的引脚输出,送到SAA7121芯片的数据管脚上,场、行同步信号分别接到SAA7121的控制引脚上,通过FPGA行、场信号的控制,就能够输出显示正确的视频图像。在SAA7111芯片和SAA7121芯片工作之前,都需要对这两个芯片进行配置,配置的参数都是通过FPGA产生I2C总线来实现的,其连接如图2所示。
2.2 SDRAM存取模块[4]
在图像处理系统中,输入到FPGA的数据的速度和FPGA处理的速度经常不一致,为了解决这一问题,就必须对待处理的数据进行一定数量的缓存,保证数据处理模块能够均衡不间断地获得待处理的数据。在基于FPGA的开发系统中,缓存数据一般有两种方法,一种是利用FPGA芯片内部带有的Block RAM,另一种是利用片外的存储器件。在众多的存储器件中,SDRAM以其价格低、体积小、速度快、容量大等优势,得到广泛应用。
本系统在FPGA中设计了一个对SDRAM控制的模块,是连通FPGA内其他功能模块和SDRAM芯片之间的桥梁,通过这个模块可以方便地对SDRAM进行访问,SDRAM控制器与外部接口之间的示意图如图3所示。
系统选用MT48LC16M16芯片作为SDRAM对数据进行存储。按照存储过程中功能控制的不同将SDRAM控制器模块划分以下4个模块,通过各个模块之间的配合共同完成对SDRAM的操作。
1)sdr_ctrl模块
该模块的作用是产生读写过程中需要的各个状态,由于SDRAM在进行任何读(READ)或写(WRITE)操作之前,都必须通过执行ACTIVE命令激活相应的bank,打开相应的行,然后才能进行读或写操作,当需要打开另外一个行的时候必须通过Precharge命令先把已经打开的行关闭,然后由一个ACTIVE来打开新的行,依次循环来实现读写操作,而sdr_ctrl模块的作用就是按照需要的时序关系分别产生读和写过程中的各个状态,并将其相对应的值存储到寄存器c State中。
2)sdr_sig模块
该模块的作用是根据sdr_ctrl模块产生的各个读和写控制状态,在适当的时候将输入到SDRAM控制模块中的地址信号及blank选择信号(sys_A)送至SDRAM的地址线sdr_A和blank选择信号线sdr_BA上,将其送到SDRAM芯片中,对SDRAM芯片的读写地址进行控制。
3)sdr_data模块
该模块的作用是根据sdr_ctrl模块产生的各个读和写状态,在写状态的时候将输入到SDRAM控制模块中的数据(sys_D)送至SDRAM的数据线(sdr_DQ)上,将数据信号送至SDRAM中,实现数据的存储过程;在读控制状态的时候将SDRAM的内部存储的数据送到SDRAM的数据线(sdr_DQ)上,再通过控制模块数据端口送到FPGA中进行数据处理,实现数据读取的功能。
4)sdr_rfrsh模块
该模块的作用是产生整个SDRAM控制器模块中的复位信号(rfrsh_req),当输入信号达到一定要求时对整个SDRAM进行复位,使模块的读写操作重新开始。
为了验证SDRAM控制模块能够对芯片进行读写控制,将1~10的10个数字依次存到SDRAM中,之后再将存入的数据依次读出,用Signal TapⅡ采样得到的时序图如图4所示,通过SDRAM的数据线(sdr_DQ)中数据的变化,能够看到数据是按照顺序依次读和写的,这表明通过这个模块能够正确控制SDRAM芯片控制,实现了SDRAM的存储功能。
2.3 中值滤波模块[5,6,7]
在视频图像采集的过程中经常会引入一些随机噪声,这些噪声对图像的质量产生一定的影响,并且会影响图像拼接、目标检测等算法的精确度。本文采用中值滤波的方法去除图像的随机噪声,中值滤波能够在去除图像噪声的同时保持图像原有的清晰轮廓。在系统中设计了2个子模块来实现中值滤波的功能,一个是3×3的窗口生成模块,另一个是中值滤波算法模块。
1)3×3窗口的生成
窗口模版的实现,不仅只是应用在中值滤波中,在卷积、边缘检测等算法中也都需要,因此窗口的实现算法显得很重要。下面以3×3窗口的生成为例,介绍如何在FPGA[8]中生成窗口模版。算法流程如图5所示。
在FPGA中,二维数组以串行方式从第一行第一个数据开始输入,在第一行期间,line2_FIFO的写使能有效,将第一行数据写入line2_FIFO中,在它被写满之前,line2_FIFO不进行读操作;在第二行到来的前一个时钟周期,line2_FIFO的读使能有效,开始读数,1个时钟周期之后,line2_FIFO的写使能有效,开始同时读写过程,在line2_FIFO读使能有效的同时,line1_FIFO的写使能信号有效,将line2_FIFO读出来的数据写入line1_FIFO中;在第三行到来的前一个周期,line1_FIFO的读使能信号有效,开始读数,1个时钟周期后,line1_FIFO的写使能信号有效,开始同时读写的过程,这样就使得3行数据能在时间上对齐。经过每一行后面的3个D触发器缓存3列的数据,便可以同时输出9个数据,于是便能得到3×3的窗口。
为了验证3×3模板生成模块的正确性,分别将序列数字和真实的图像数据输入到这个模块中,用Signal TapⅡ采样得到的波形图如图6所示。从图中可以看出,按照上面的方法能够正确得到一个3×3的窗口,能够为中值滤波以及其他的算法作准备。
2)中值滤波算法的实现
经过窗口生成模块之后同时得到9个数据,在原图像中的位置如图7所示。
按照快速中值滤波算法的要求,首先,分别计算上表中每一行中3个数据的最大值max,中值med,最小值min;然后,计算上面得到的3个最大值中的最小值min_of_max,3个中值中的中值med_of_med,3个最小值中的最大值max_of_min;最后,比较第二步得到的3个值的中间值就是这个3×3窗口的中值middle,即
利用这种排序法的中值滤波仅需17次比较运算,与传统算法相比,比较次数减少了近1/2,且该算法十分适用于在FPGA上进行并行处理,大大提高了滤波的速度。算法的流程如图8所示。
为了验证中值滤波模块的正确性,分别将序列数字和真实的图像数据输入到模块进行验证。用Signal TapⅡ采样得到的时序图如图6所示,时序图中最后一行数据即为得到的中值。整个中值滤波模块中,比较部分的内部RTL图如图9所示。
3 小结
本文主要介绍了以FPGA作为核心器件来完成的图像的采集和预处理系统,该系统具有小型化、集成化且实时性好、灵活性高的特点。该系统将一些单调、不复杂、工作量大且耗费时间的处理交给FPGA来完成,不仅能充分利用FPGA速度高的优越性,也能为DSP提供更多的时间进行更复杂的图像分析,使得分析的结果更为可靠,提高了整个系统的性能。由于本文所介绍的系统是整个数字图像处理系统中的前端系统,属于阶段性工作,后续还有很多工作需要开展,下一步工作应该主要集中在两个方面:
1)将图像处理部分的复杂算法(图像拼接、图像目标检测等)在DSP中实现,以达到整个系统的功能实现;
2)将更多单调不复杂的工作尽量放在FPGA中实现,以减轻DSP的工作量,提高图像的处理速度和DSP中算法的精确度。
摘要：设计了一种以FPGA作为核心器件的视频图像的采集和预处理系统,采用Verilog硬件描述语言具体设计并实现了系统中的视频输入和输出模块、图像存储控制模块(SDRAM控制器)、图像中值滤波处理模块等模块,分别介绍了各个模块的工作原理,以及模块之间的数据传输顺序。在此基础上,采用QuartusII 8.1自带的SignalTapII逻辑分析仪对各个模块的运行结果进行观测和分析,经过反复调试,最终实现了各个模块的功能,为在DSP中进一步实现图像拼接、图像目标检测等复杂算法提供了预处理后的图像数据。
关键词：图像处理,图像采集,中值滤波,FPGA实现
参考文献
[1]马利刚,马铁华.基于FPGA的实时图像采集系统设计[J].计量与测试技术,2009,36(4):51-56.
[2]吴继华,王诚.Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[3]卞九辉.基于DSP+FPGA的视频图像处理[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.
[4]雷明,马游春.基于FPGA的多通道图像采集存储系统设计[J].通信技术,2010,43(4):204-207.
[5]李洋波,赵不贿.基于FPGA的图像中值滤波器的硬件实现[J].现代电子技术,2008,31(22):99-101.
[6]胡斌,殷瑞祥.数字图像中值滤波算法的FPGA实现[J].微处理机,2010(2):10-15.
[7]李春鸣,张焕春,张波.一种基于FPGA的图像中值滤波器的硬件实现[J].电子工程师,2004,30(2):25-26.
图像实时采集 篇5
海底天然地电信号采集的实时级联分样技术
针对海底天然地电场信号幅度小、超长周期的特点,提出对原始地电观测数据进行实时级联分样的技术.运用变采样率的方式进行数据采集.在数存空间内,依据奈奎斯特定理和最大误差最小化的原则,设计多级抗混叠数字滤波器,使实测数据经过滤波器后,达到无失真抽样与存储的目的.在海底测量时,不同级的分样数据对应着不同采样率的测试结果,各级的分样构成全频段的`地电信息.经海试检验证实,本文所提出的实时级联分样技术为海底以下的资源探测提供了一种有效的信息提取手段.
作 者：邓明 张启升 陈凯 王猛 DENG Ming ZHANG Qisheng CHEN Kai WANG Meng 作者单位：中国地质大学,地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京,100083 刊 名：测试技术学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY 年，卷(期)： 22(1) 分类号：P631 P738 关键词：海底探测 大地电磁 数据采集 级联分样图像实时采集 篇6
随着通信技术与计算机技术的发展, 可视电话, 电视会议等以信息采集、处理为核心的图片采集与视频传输系统已得到广泛应用。而就用户使用的时间而言, “图片和视频”应用已成为增长最快的移动应用。而在目前的移动平台中, Android是一个比较活跃和最有前景的手机平台。它是谷歌公司发布的一个开源移动平台, 由Linux内核、中间件、应用程序框架和应用软件组成, 是第一个可以完全定制、免费、开放的手机平台。同时, 利用Android系统的网络通信技术, 可以使得复杂的终端数据处理转移到远程的高性能服务器上, 这使得基于Android的移动终端有了更加宽广的发展空间, 使移动终端成为移动办公、移动商务和移动监控的重要工具。
本文以移动监控应用为背景, 提出一种基于Android平台的实时图像采集与图像的远程存储方案。采用Eclipse集成开发环境和用于Eclipse的Android Developer Tools插件工具作为开发平台, 在分析Android平台上实时捕捉和存储图像数据的基础上, 结合HTTP协议实现一套基于Android平台的实时图像采集与图像的远程存储系统, 以提高实时监控系统的移动性和方便性。
2 系统平台设计
2.1 系统结构图
如图1所示, 本系统采用C/S模式。Client端分为图像数据采集模块、图像数据本地存储模块和远程存储通信模块。Server端包括图像接收模块和管理模块。
图像数据采集模块用来捕获Android图像传感器所获得的数据并存储在位图中。本地存储模块将图像采集模块的位图数据转换成IO流, 创建并写入到新图像文件中。远程存储通信模块将本地存储模块所创建的图像文件转换成IO流并通过HTTP协议发送给远程服务器。远端服务器的图像接收模块通过解析HTTP数据流获得文件IO流, 创建并写入到新图像文件中。
2.2 图像采集和存储模块详细设计
2.2.1 Android手机平台图像采集
通过Android.hardware.Camera类的open方法开始拍照, 通过take Picture方法结束拍照, 最后在相应事件处理函数中处理图像数据。显示照片预览的影像容器一般是Surface Holder对象, 在拍摄时必须实现Surface Holder.Callback接口。Surface Holder.Callback接口中已经定义了surface Created、surface Destroyed、surface Changed三种方法。可以使用A nd roid.view.Su rfa ce Holder.Callback方法来将设置Surface Holder.Callback对象。影像显示在Surface View对象里, 通过get Holder方法来获取Surface Holder对象。在拍摄中使用Camera.auto Focus方法来实现自动对焦功能。
首先, 设置预览格式和Camera参数设置。然后, 启动预览服务。拍照事件被触发时, 停止预览。最后, 拍摄照片并输出位图。
对于本地存储模块的实现, 首先需要把位图转换为JPG格式文件流。然后, 将文件流写入SD上文件中。
Ca mera拍照后所返回的是所捕获帧数据, 通过使用Android.graphics.Bitmap Factory.decode Byte Array () 方法可以把相机传回的裸数据转换成Bitmap对象。使用Android.graphics.Bitmap.compress () 方法可以将位图数据转换成文件输出流数据。具体调用为m Bitmap.compress (Bitmap.Compress Format.JPEG, 100, os) ;整个流程如图2所示。
2.2.2 图像本地存储
图像的本地sd卡文件操作需要一定的权限。权限是一种Android平台安全机制, 旨在允许或限制应用程序访问受限的API和资源。默认情况下, Android应用程序没有被授予权限, 使得它们不能访问设备上的受保护API或资源。权限在安装期间通过manifest文件由应用程序请求, 由用户授予或不授予。
2.2.3 图像远程存储
由于HTTP协议简单, 使得HTTP服务器的程序规模小, 因而通信速度快且灵活。HTTP允许传输任意类型的数据对象, 传输的类型由Content-Type加以标记。协议具有无连接和无状态的特点。无连接:无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求, 并收到客户的应答后, 即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。无状态:HTTP协议是无状态协议。
本系统选用HTTP作为传输协议可以适用于2G、3G和WLAN环境。图像的发送和接受流程描述如下:
⑴客户端创建Http URLConnection, 打开数据连接。然后, 将JPG文件转换为数据流并发送流。
ds.write Bytes ("Content-Disposition:form“"na me="file1";filename=""+new Name+"""+end) , 执行上述语句即可发送参数, 其中发送文件, 用以下语句:ds.write Bytes (two Hyphens+boundary+two Hyphens+end) 。
⑵服务器接收流并还原成文件。
file Items=fu.parse Request (request) ;item write (f New) ;执行上述函数后即可将接收到的流写入文件。
2.3 系统演示
在Android手机终端运行系统后效果如图3所示。系统实时自动捕捉视频图像, 触碰屏幕或按下相机键, 程序捕获图像数据, 输入文件名并触碰保存按钮则保存图像文件至SD卡中, 同时将图像文件自动上传至远程服务器。图4是服务端程序接受图像的运行效果, 表示已成功接受图像。
3 结束语
本文重点叙述了实现基于Android平台的图像采集、处理和存储的关键实现技术。经测试, 基于Android平台的图像实时采集系统能够实时捕捉和远程存储移动终端采集的图像数据, 且图像清晰, 能够满足实时捕捉图像和处理图像应用的需求。
参考文献
[1]耿东久, 索岳, 陈渝, 等.基于Android手机的远程访问和控制系统[J].计算机应用, 2011, 31 (2) .
[2]林朋, 胡博伟.Android平台上图像数据上传及服务器接收图像的程序设计研究[J].计算机光盘软件与应用, 2011 (18) .
生产指挥系统实时数据采集系统 篇7
天然气分公司实时数据采集系统通过覆盖全公司范围的网络, 提取生产装置的运行数据、安全数据、电数据、水数据、仪表风、原料数据、质量数据等原始信息, 建立一个包含全公司范围内的生产管理信息的采集平台, 对生产过程进行实时监控和有效指挥。采集软件采用紫金桥®Realinfo监控组态软件进行开发, 目前共设置数采前置机43台, 人工录入及32台, 囊括分公司九个油气生产单位、两个储运单位、一个销售中心的43个油气生产站队24套装置, 57套控制系统和26个计量系统, 实现了8922个生产数据自动采集、组态, 969幅流程图和25幅装置区三维鸟瞰图的传输与发布。
数据采集系统逻辑结构图如图1所示。
二、生产指挥系统实时数据采集系统的组建
2.1天然气分公司计算机网络建设。通过对局域网和广域网的改造, 分公司机关及所属大队局域网全部利用光纤接入油田公司主干网。大队下属所有小队包括偏远站队、计量间和变电所接入全部利用光纤接入本大队局域网或油田公司主干网。
2.2架设系统硬件设备
架设中心服务器。在信息中心机房架设故障转移集群服务器。计算机通过网线物理连接并通过集群软件实现程序上的连接, 可以使计算机实现单机无法实现的容错和负载均衡。群集的优点是两台服务器工作时都将历史记录、事件记录、报警记录存储到相同的地方, 两台机器不需要频繁同步。集群服务器双机热备过程如图2所示。
在每个装置设立前置机, 负责采集生产装置中控制系统的数据, 将数据传送给中心服务器。同时设置人工录入机, 负责录入不能自动采集的数据, 并将录入数据传送到前置机。
在前置机的设立中采用了断点续传技术。
断点续传技术用于数据库之间以级联方式进行通讯时, 当前置机与服务器间通讯中断, 前置机每隔一定周期, 向服务器发出传输数据指令, 超过超时时间后仍不应答, 将自动保存数据, 在规定时间内如果通讯故障排除, 那么这段时间内的历史会自动从子数据库中恢复到主数据库上。
2.3实施数据采集。通过在数采前置机和工控机间做数据采集的接口, 以工控机做服务器, 以数采前置机做客户端, 把工控机中数据写入实时数据库。生产装置中前置机和工控机的接口主要有以下几种:OPC (FOXBORO、ME) 、DDE (813、BENTLY、燃机) 、DB PLC (PLC) 、力控, 其中数量最多的是OPC和DDE两种技术。
2.3.1OPC接口技术。OPC (OLE for Process Control——用于过程控制的OLE) 定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。OPC技术基于COM/DCOM, COM透过一组一组的接口提供服务, 所有COM组件的使用者必须透过这些接口来访问组件提供的功能。
OPC客户和OPC服务器进行数据交互可以采取同步方式或异步方式。
同步方式每一次读数据时读取该组中的所有项, 得到返回的数据后在采集周期内再次发出读取申请, 得不到数据就不结束此进程;异步通讯方式中, 客户端把关心的数据点通知Server, 并且提供一个回调函数, 只有关心的数据发生变化时, OPC服务器才调用其回调函数, 通知客户端做相应的处理。
在前期实时数据采集中, 大部分通讯方式采用异步方式, 在后期的测试中发现几个站队数据采集不上的现象。分析原因后发现, 工控机的OPC Server版本比较低, 同时, 数采通讯的优先级别要远远低于工控机本身数据处理的优先级, 在有大量的系统运算时, 就会出现服务缓慢或中断的现象。南一、一大队杏V-I原稳、杏三浅冷、六大队深冷都出现了这种现象, 如果改成同步通讯方式, 不断地发出读取申请, 又会增加工控机和数采机的负荷, 针对此问题, 研发了单组同步通讯方式, 它是同步通讯方式中的一个特例, 这种方式把原数据组中数据项重新分成若干组, 采取少量多次的方式采集, 以牺牲部分采集效率为前提, 既保证数据采集不中断, 又极大的减小了工控机和前置机的负荷。
2.3.2 D D E接口技术。D D E是一种动态数据交换机制 (Dynamic Data Exchange, DDE) 。使用DDE通讯需要两个Windows应用程序, 其中一个作为服务器处理信息, 另外一个作为客户机从服务器获得信息。客户机应用程序向当前所激活的服务器应用程序发送一条消息请求信息, 服务器应用程序根据该信息作出应答, 使用共享的内存在应用程序之间进行数据交换。
数采前置机将通过以上几种接口方式从工控机 (Server端) 采集到数据写入实时数据库, 形成基础数据, 创建生产信息数据仓库, 再通过数据整合, 形成可供各层面人需要的生产信息。
2.4web发布。采集的各种数据被分门别类的存储到数据库中, 通过将各个装置的流程、重要装置、关键参数控制点、重要数据进行合理布局, 做成高仿真的工艺流程图, 并将流程图中的数据与实时数据库中的数据源相关联, 每隔固定周期刷新一次, 使得生产人员可以在网络中的多个终端实时监测生产过程。
目前, 我们公司范围内的任何单位的终端, 为了防止公司的生产数据泄密, 我们给不同单位加了一定的访问权限。
三、存在问题及运行效果
目前, 生产指挥系统的实时数据采集系统还存在一定问题:
工控机对外通讯服务版本低。在前置机和工控机的通讯服务方式中, DDE是微软早期开发支持的一种通讯技术, 由于现在微软转而支持OPC接口技术, 而使DDE处于一个停滞不前的发展状态, 导致目前DDE通讯速度要明显低于OPC。D D E的服务机制也比较脆弱, 在生产指挥系统中8 1 3、BENTLY等系统都使用DDE服务, 导致在这部分的数据采集中更容易出现问题;在实施力控系统数据采集的时候, 由于技术人员很了解力控软件的开发过程, 将力控的系统服务进行了升级改动, 使对外通讯能力达到数采的基本要求, 才保障通讯的正常进行, 所以, 技术相对落后的力控系统对数据采集以及以后的采集能力的升级也是一种制约;目前OPC技术比较成熟, 但我们装置中工控机的控制系统大都是90年代左右的产品, OPC Sever的技术也已经大大落后, 我们不得不采用一些小的技术措施, 在不影响工控机本身的数据处理速度的前提下, 降低它系统资源的需求量, 以满足数采需求。
鉴于以上几种情况, 建议将生产装置中的控制系统进行升级或改造, 保证系统对大量系统运算处理更迅速, 对异常事件反应更及时。
人工录入部分数据量大。系统中有人工录入机32台, 人工数据录入点1202个, 要求每小时录入的数据是854个, 每八小时和二十四小时录入的是348个, 从一定程度上加重了岗位人员的劳动强度, 建议在检修改造中将这些点进行改造, 加装能够远传的二次表, 实现自动采集, 以减少劳动强度, 避免人工录入误差。
从总体上来说, 实时数据采集系统在生产中发挥的作用还是有目共睹的。
图像实时采集 篇8
关键词：道路试验,CAN总线,数据采集,GPRS
前言
整车试验是车辆性能的最终检验,起着至关重要的作用。整车道路试验一般少则数千公里,多则数万公里,而且多会选择在汽车试验场、寒冷地区、高原地区、炎热地区进行,要想获取这些不同地区、不同环境、不同工况下车辆试验的数据,按照传统的方式必须在车辆上安装数采设备,记录各种试验数据。试验完成后再进行数据分析,根据分析结果对车辆性能进行评估和改进。而这种传统数据获取方式有数据获取周期长、试验投入大、获取数据量有限、受试验设备影响数据时效性无法保证等缺点。所以在整车道路试验中非常有必要建立车辆信息的实时采集系统,用来对道路试验车辆数据进行远程获取、远程监控。
通过远程传输系统将采集的试验数据发送到监控中心可以使产品开发工程师及时了解汽车动力系统各部件的运行状况,同时也为多个车辆进行道路试验提供有效的管理手段。针对这种情况本文结合目前先进的车辆CAN总线通信技术、GPS全球定位技术,GPRS移动通信技术,Internet WEB服务技术解决了汽车试验中数据不能实时采集传输的问题,并在重型电控柴油商用车试验中得到了初步的应用。
1、数据实时采集系统的设计
1.1 采集系统功能描述
数据采集系统分成车辆监控、车辆服务、试验路线管理、研发应用、系统管理五个主功能模块,主模块下又有若干个子模块,其具体结构见图1。
车辆道路试验数据实时采集系统,是Telematics技术的具体应用。Telematics将无线通信技术引用到汽车行业,通过无线网络为用户提供导航、定位、交通信息、娱乐信息等内容的服务,实现真正的人-车-路的通信中枢。它集汽车CAN总线通信技术、GPS全球定位技术,GPRS移动通信技术,Internet WEB服务技术等综合应用于一体。
1.2 数据实时采集系统的硬件组成与架构
1.2.1 系统结构
道路车辆数据实时采集系统主要由车载终端、数据库及WEB服务器、服务平台软件、数据分析软件等组成。系统架构如下图2所示:
安装在车辆上的终端模块和传感器,采集车辆定位信息、CAN总线中的ECU数据,通过GPRS网络实时发送到远程管理服务平台的数据库服务器,然后由WEB服务器获取数据库中的数据,为用户提供24小时不间断的WEB服务。用户在任何地点,通过internet网络访问远程管理服务平台,获取车辆的车速、发动机转速、油耗等车辆工作状态数据,随时分析车辆的运行状况。
1.2.2 车载终端
车载终端主要由CPU单元、CAN总线控制器、CAN收发器、GPRS通信模块、GPS模块五部分组成。
电源管理负责车载终端所有部件的电源供电;CAN接口和通信单元一方面负责把整车CAN总线上的车辆状态信息、故障信息读取到车载终端,另一方面把数据采集器采集的信息收集到车载终端;CPU单元负责把综合的CAN信息和接收到的GPS信息以GPRS的方式发送到远程管理服务平台。
1.3 数据采集方式的实现
①多种类型模拟量信号进行采集传输流程的实现
将CAN总线数据采集器或传感器连接到车载终端,终端根据预先定义好的协议获取传感器的参数,这些参数可以是温度、压力、电流、转速、位移等。如果将ECU CAN总线并联接至车载终端,就可以同时获取这两部分的数据。通电后,终端会将这些数据发送到远程的管理服务平台,用户可以在能连接到Internet网络的任意一台电脑上,通过权限认证登录管理服务平台,浏览或下载这些数据。
②故障远程诊断的实现
当车辆在试验过程中发生故障时,ECU会第一时间将故障码发送到CAN总线上,通过J1939协议解析故障报文,获取各个故障代码,然后与其它数据一起进行数据编码,通过GPRS网络发送到远程服务器,远程服务器将这些数据存储到数据库中,以备WEB服务器实时的访问。用户通过管理服务平台查看车辆是否发生故障,如果车辆的故障指示灯变成红色(有故障),就可以点击解析按钮,服务平台软件会自动访问故障码解析数据库,获得这些故障的发生位置、原因和解决建议等信息,并显示给用户。
③DBC文件
DBC文件是CAN报文与车载终端沟通的桥梁,将标准CAN报文转化为终端能够识别的代码。为了使车载终端能够准确的解析发动机、ABS等总成发出的CAN报文信息,我们使用CAN总线协议文件编辑器软件,对汽车总成发出的CAN报文进行编辑,形成了针对该车型的DBC文件,然后嵌入终端的SD卡,实现数据的采集及解析。
2、应用验证
该系统在某公司生产的六个重型电控柴油商用车的试验中得到了初步的应用,其开展的试验有汽车试验场的道路可靠性试验、不同地区的道路适应性试验、油耗对比试验等。解决了试验中数据不能实时传输的问题,实现了对试验车辆的管理,部分试验结果见图3、图4。在应用中我们发现相比传统的GPS监控系统,车辆远程通信系统具有如下多个方面的优势:
可以通过CAN总线连接车辆ECU,获取车辆转速、油耗等参数,可以监控车辆的燃油消耗量,还可以通过CAN总线扩展传感器实现模拟信号的采集,具有更完整的数据采集能力;
具有车辆轨迹回放、按照路况进行统计的功能;
具有远程诊断功能,随时发现车辆存在的故障,解除安全隐患;
本系统是实时监控系统,相比很多采用短信等方式传输的GPS系统,传输速率更快,可以更快更准确的了解每台车的具体位置。
3、总结
(1)本系统完成行驶数据实时监控、记录(包括:瞬时油耗、车速、发动机转速、总油耗、发动机工作时间、巡航时间、百分比负荷、油温、油压等)每辆车的历史记录、行驶轨迹等信息。所有的数据都实时进行存储。为研发人员提供充足的分析数据。
(2)实时获取ECU故障代码,监控中心软件完成故障解析,给用户提供故障产生位置、原因及排查方法。这些数据都会记录在数据库中,研发人员可以实时查看车辆的故障信息,为维护人员提供更多的维修建议,而且也可以为车辆设计改进提供参考依据。
(3)监控中心存储的数据库,为研发人员提供了海量数据,可以在该基础上进行诸如车辆速度统计、车辆行驶里程统计、车辆油耗统计、车辆作业统计、车辆故障统计、多车辆对比等分析,也可以进行设计模型的验证。
参考文献
[1]周建政:GPS定位原理与技术.黄河水利出版社2005.
[2]李艳晴等:基于GPRS/CPS的车辆监控系统的设计微计算机信息2004年第20卷第4期.
[3]谢振东:智能交通系统体系结构中的通中山大学学报2000年6期.
[4]于国光、刘锦高:基于车载系统CAN总线技术的应用计算机科学第36卷第4A期.
图像实时采集 篇9
该系统主要由心音信号采集电路、A/D转换、USB通信和上位机显示部分组成。实验结果表明该系统可以高效、实时地显示采集到的心音信号, 并且可以达到视听合一的目的, 得到的信号信噪比高, 利于后续的研究。
1 心音信号采集电路
利用自制的心音传感器采集到的信号为毫伏级信号, 经过前置放大电路进行初步放大, 对放大后的信号进行低通滤波, 然后经过中间级放大, 通过耳机输出, 因为此时的信号仅有几百毫伏, 为了便于后期处理, 需经过后级可调放大, 得到伏级信号可经过A/D等后期处理。
1.1 前置放大电路设计
由于心音信号十分微弱, 而前置放大电路又是微弱信号检测的第一级, 担负着将微弱信号放大的任务, 应该尽量减少测量过程中引入的观测噪声。而前置放大器则是引入噪声的主要部件之一, 所以要求前置放大器应该具有很好的低噪声性能[4]。又因为处理的是声音信号, 所以选取了具有超低失真低噪声的OPA2134运算放大器, 同时还具有高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特点。前置放大电路如图2所示。
J2为传感器输入接口, 作为前置放大, 为了抑制噪声, 放大倍数不应该太大, 此电路的放大倍数为1+R2/R1。电容C1的作用是平滑滤波, 降低高频增益。
1.2 低通滤波器的设计
从前级放大电路得到的信号十分微弱, 并且掺杂着听诊头与衣服或者皮肤摩擦的噪音以及一些高频的机械噪声, 所以需要通过低通滤波器来滤除高频成分。
低通滤波器电路如图3所示。设计中采用二阶压控型低通有源滤波器, 相比一阶滤波器, 可以使输出电压在高频段以更快的速率下降, 以改善滤波效果。为了使电路稳定工作, 滤波器的增益应该小于3[5]。
电路增益, 截止频率, 其中R=R6=R7, C=C6=C7, fo≥800Hz。
1.3 中间级放大电路设计
图4为中间级放大电路, 由于需要驱动耳机输出, 采用了适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道中的放大器NE5532AP。考虑听觉的舒适度, 这一级的放大倍数也不能过大。为了得到更好的效果最好采用双电源供电, R8可以调节耳机音量。
1.4 后级放大电路设计
由于从中间级得到的信号只有几百毫伏, 不便于后期的处理, 所以在这里又加了一级放大, 可以得~-5 V到+5 V之间的信号, 便于A/D采样。
2 A/D转换
本系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。该单片机自带8路10位高速A/D转换器, 速度可达250k Hz (25万次/s) 。STC12C5A60S2系列单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10 bit DAC、转换结果寄存器 (ADC_RES和ADC_RESL) 以及ADC_CONTR构成。
STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成, 通过逐次比较逻辑, 从最高位 (MSB) 开始, 顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较。经过多次比较, 使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高、功耗低等优点。
3 USB通信
本文采用南京沁恒公司的USB芯片CH372, 该芯片可以实现1 MB/s的传输速度, 全速USB设备接口, 兼容USB V2.0, 即插即用, 外围元器件只需要晶体和电容。提供一对主端点和一对辅助端点, 支持控制传输、批量传输、中断传输, 具有简便的内置固件模式和灵活的外部固件模式。内置固件模式屏蔽了相关的USB协议, 自动完成标准的USB枚举配置过程, 完全不需要本地端控制器作任何处理, 简化了单片机的固件编程。本文中采用STC12C5A60S2来控制CH372实现下位机与上位机的USB通信。
4 上位机软件的编写
上位机利用VS2010平台开发, 开发的界面要比Microsoft Visual C++6.0美观。主要采用MFC的位图双缓冲机制对采集到的数据进行图形绘制[6], 得到的图形是连续的, 而不是一屏一屏地刷新。双缓冲的原理可以形象地理解为:把电脑屏幕看作一块黑板。首先在内存环境中建立一个“虚拟”的黑板, 然后在这块黑板上绘制复杂的图形。图形全部绘制完毕时, 再一次性地把内存中绘制好的图形“拷贝”到另一块黑板 (屏幕) 上。采取这种方法可以提高绘图速度, 极大地改善绘图效果。
5 实验结果
该系统已经成功采集了多例心音样本, 采集时需保持现场安静, 轻压传感器。图5所示为一例正常心音, 从该图可清晰地分辨出心音的各种成分, 其中的有效成分得到了很好的保留。
实验结果表明, 该系统能够很好地显示采集到的心音波形, 利于医生对心音进行分析。该系统采用廉价的STC12C5A60S2 (市场价6元) 作为单片机, 利用其自带的AD大大降低了设备的成本。同时可以进一步完善该设备, 使之成为大众可用的便携式医疗器械。
摘要：设计了一款基于USB的心音信号采集系统。该系统包括心音采集电路、USB通信和上位机显示。通过心音传感器将采集到的数据进行放大去噪处理, 经由A/D转换通过USB将数据传送到上位机, 并以波形的形式实时显示采集到的数据。该系统可以准确、实时地显示并听到采集到的心音信号。
关键词：USB,A/D转换,心音信号
参考文献
[1]陈天华.基于现代信号处理技术的心音与心电信号分析方法[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[2]韦哲, 李战明, 程自峰.基于声卡的心音信号采集与处理系统的实验研究[J].中国医疗设备, 2008, 23 (10) :7-10.
[3]王晓燕, 曾庆宁, 粟秀尹.基于FPGA的心音信号采集[J].微型机与应用, 2012, 31 (11) :28-30.
[4]刘俊, 张斌珍.微弱信号检测技术[M].北京:电子工业出版社, 2005.
[5]高吉祥.模拟电子技术[M].北京:电子工业出版社, 2008.
气象要素实时采集与显示系统设计 篇10
用毛发湿度计或干湿球湿度计测量精度不高,常见的基于水银的气压计和温度计精度低,携带不便而且容易损坏。普通的气象要素检测设备基于模拟式的数字温湿度计与数字气压计,以单片机作为控制核心,通过温湿度传感器和气压传感器将采集到的温度、湿度和气压信息输入到A/D转换器进行模数转换,经过转换后的数字信号送到单片机中进行处理,最后通过显示屏进行显示,这种方式过程烦琐、电路复杂、功耗高、测量精度低,校准和标定的标准十分复杂,而且显示单一。本文设计了一种用于测量温度、湿度和气压,并能实时显示的气象要素实时采集与显示系统。以单片机MSP430作为控制核心,数字温湿度传感器DHT11和数字气压传感器BMP085来采集温度、湿度和气压,时钟芯片D13302提供时间信息,LCD1602显示时间、温度、湿度和气压。本文采用的温湿度传感器和气压传感器采用专门的数字模块技术,无需单独进行A/D转换,降低了电路的复杂性,提高了系统的稳定性和可靠性,同时本设计能实时显示温度、湿度、温度和时间,丰富了设计的功能。
二、系统的硬件设计
系统的硬件设计采用了功能模块化的方法,主要功能模块包括:单片机模块、温湿度采集模块、气压采集模块、时钟模块和液晶显示模块。气象要素实时采集与显示系统框图如图1所示。通过温湿度采集模块与气压采集模块将检测到的外界温度、湿度和气压信号经传感器内的A/D转换器转换成对应的二进制存储于芯片的RAM中,单片机通过发送读取温湿度采集模块和气压采集模块的温湿度命令码和气压命令码,就返回对应的参数值,经过单片机MSP430进行处理,由时钟模块提供时间信息,然后通过与单片机模块相连的液晶显示模块实时显示出温度、湿度、气压和时间。
系统的硬件设计采用了功能模块化的方法,主要功能模块包括:单片机模块、温湿度传感器模块、气压传感器模块、时钟模块和液晶显示模块。
以下介绍各个模块的具体设计。
1.单片机模块的设计。单片机模块包括时钟模块、复位模块和单片机MSP430。时钟模块为单片机提供时钟信号,本文采用10MHz的晶振作为晶振电路的芯片。复位模块主要对系统进行复位清零。
作为系统的控制核心,本文选取了美国德州仪器公司(Texas Instruments)生产的MSP430系列芯片[1],它具有体积小、运行速度快、数据处理能力强、抗干扰性能好和低功耗等优点。芯片的工作电压为1.8~3.6V;具有48个可编程I/O端口;CPU运行16位的精简指令集,片内寄存器资源丰富,通过存储器可以实现多种运算;12位的A/D转换器,具有自动扫描和采样保持等特点;150ns的指令周期;16位的定时器,有4种工作模式,可同时进行捕获/比较功能;片内具有JTAG调试接口和60KB的FLASH存储器;可进行串行通信;开发环境支持C语言和汇编语言。因此,特别适合应用在智能仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域等。
2.温湿度采集模块的设计。温湿度传感器模块采用的传感器芯片是广州奥松电子有限公司推出的DHT11[2]数字温湿度传感器,是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用于专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,具有很高的可靠性与稳定性。其中温度测量范围为0℃~50℃,测量精度为+1.0℃;湿度测量范围为20%~90%RH,测量精度为5.0%RH,响应时间小于5s。DHT11数字温湿度传感器与微处理器之间的通信采用单总线[3]数据格式。输出的数据格式为:8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位校验与数据。通过DATA端口,DHT11将采集到的温度和湿度数据送到单片机MSP430中进行处理,如图2所示。
3.气压采集模块的设计。气压采集模块采用的是BOSCH公司的BMP085数字气压传感器。该芯片主要由电阻式压力传感器、AD转换器以及控制单元构成,控制单元主要涵盖了EEPROM与I2C接口。BMP085[4]采用I2C协议进行通讯,系统通过I2C接口直接连接到处理器上。该芯片采用1.8~3.6V的供电电压,适用气压范围是300h Pa~1100h Pa。BMP085具备低功耗、低电压的电学特性,使其适用于户外环境。此外,由于该芯片是基于压阻效应技术的,具有稳定的电磁兼容性、线性、稳定性以及高精度。单片机MSP430为BMP085提供了时钟信号,BMP085采集到的外界气压数据通过串行数据总线端口SDA传输到单片机的P25端口进行数据处理,连接方式如图2所示。
4.时钟模块的设计。时钟模块选用的是美国DALLAS公司推出的一款高性能时钟芯片DS1302[5],该时钟芯片最大的优点是精度高,能完整地提供年、月、星期、日、时、分、秒,而且每个闰年的天数和月的天数可以自动调整。
通过晶振芯片为DS1302[6]提供时钟信号。时钟芯片DS1302的SCLK端口与单片机的P3.1端口相连,控制数据的输入与输出;I/O端口与单片机的P3.0端口连接,进行数据的输入与输出;CE端口使能端口与单片机的P3.2端口连接,在读写数据期间必须为高电平。连接方式如图3所示。
5.液晶显示模块的设计。液晶显示模块采用的是LCD1602液晶显示器。LCD1602采用标准14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,本文采用的是16脚接口。LCD1602显示容量为16×2个字符,工作电流为2.0mA(5V),最佳工作电压为5V。LCD1602具有体积小、功耗低、显示内容丰富、外围电路配置简单、价格便宜等优点。本文LCD1602主要实现了气压、温度、湿度和时间的显示功能。图4为液晶显示模块电路连接图。
LCD1602[7]的8位数据总线D0~D7与单片机的I/O接口P4.0~P4.7连接,进行数据的传输;RS端口与单片机的P6.3端口连接,为高电平时选择数据寄存器,为低电平时选择指令寄存器;RW端口与单片机的P6.4端口连接,为高电平时进行读操作,为低电平时是写操作;E端口为使能端,与单片机的P6.5端口进行连接,当由高电平变为低电平时,液晶模块执行命令。
三、系统的软件设计
本系统采用C语言进行编写,软件设计采用了模块化的思想,分为主程序模块和子程序模块。主程序模块主要进行系统的初始化、任务的切换和实现各个模块间的参数传输。子程序主要包括湿度采集模块、气压采集模块、LCD显示模块和时钟模块。图5为整个软件的工作流程图,程序执行过程如下。
1.对单片机、DHT11、BMP085、DS1302和LCD1602进行初始化,清除各模块预留信息。
2.执行读时间程序,确定此刻的时间。
3.执行读气压的程序、温度程序和湿度程序,采集气压、温度和湿度。
4.执行LCD显示程序,显示出气压、温度、湿度和时间。
5.存储气压、温度、湿度和时间信息,然后循环执行以上程序。
四、结论
本文介绍的气象要素实时采集与显示系统的设计,创新点在于把单一的温度、湿度、气压测量和时间显示集成化,具有便携、易读、精确的特点。针对传统的温度、湿度和气压测量,这里选用DHT11数字温湿度传感器和BMP085气压传感器,可以直接连接单片机,由于其集成化程度高,简化了外围电路的复杂度,提高了电路的稳定性和可靠性,因此该气象要素实时采集与显示系统能满足日常的生产和生活,具有很大的市场前景。
摘要：针对现有的气象要素检测设备显示单一、精度较低、体积过大、不便于维修和更换等问题,以单片机MSP430为核心,通过硬件系统和软件系统的配合,设计出一套气象要素实时采集与显示系统。首先通过DS1302时钟电路采集时间信息,然后通过温湿度采集模块和气压采集模块将采集到的温度、湿度和气压信号送到单片机中进行处理,实现精密测量以及实时采集传输,最后通过LCD1602显示。
关键词：MSP430,温湿度采集模块,气压采集模块,实时采集,LCD1602
参考文献
[1]MSP430F1X Data Sheet.Texas Instruments,Inc.,Dallas,USA,2006.
[2]韩丹翱,王菲.DHT11数字式温度传感器的应用性研究[J].电子设计工程,2013,21(13):83-88.
[3]陈龙,邓光灿,孙麒.基于MSP430单片机的多路采集系统的设计[J].现代电子技术,2006,29(20):107-109,112.
[4]方刘海,文继国.基于BMP085的精密数字气压计设计[J].电子设计工程,2014,22(24):69-71.
[5]孙艳玲,刘亚丽.基于MPX4105芯片的数字气压计[J].中国仪器仪表,2007,(11):62-65.
[6]应建华,陈艳,郭艳.一种I2C总线接口的串行时钟芯片[J].华中科技大学(自然科学版),2006,5(34):62-64.