采集与存储（精选7篇）
采集与存储 篇1
0引言
数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了“数字时代”。今天, 数字技术产品已走进普通百姓的日常生活之中。
数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等各种媒体信息。其信息处理的流程是:模拟信息→数字化→压缩编码→存储或传输→解码再现。其中, 压缩编码是一个关键环节。数字化的图像和声音信号数据是非常庞大的, 例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色图像 (24 bit/像素) 的数据量约为7.37 Mbit/帧, 如果是运动图像, 以每秒30帧或者25帧的速度播放时, 则视频信号传输速率为220 Mbit/s;如果把这种信号存放在650MB的光盘中, 一张光盘只能播放20多秒钟。所以, 必须对数字化信息进行压缩, 用尽可能少的数据来表达信息, 节省传输和存储的开销。
1视频模型
数字视频就是先用摄像机之类的视频捕捉设备, 将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号, 再记录到储存介质 (如录像带) 。播放时, 视频信号被转变为帧信息, 并以每秒约30帧的速度投影到显示器上, 使人类的眼睛认为它是连续不间断地运动着的。电影播放的帧率大约是每秒24帧。如果用示波器 (一种测试工具) 来观看, 未投影的模拟电信号看起来就像脑电波的扫描图像, 由一些连续锯齿状的山峰和山谷组成。
中国和欧洲采用的是PAL制 (逐行倒相制) , 美国和日本采用的NTSC制, PAL信号有25 fb/s的帧率, NTSC制信号有30 fb/s的帧率。视频信号在质量上可区分为复合视频 (Composite) , S-Vide, YUV和数字 (Digital) 4个级别。复合视频, VHS, VHS-C和VideO8都是把亮度、色差和同步信号复合到一个信号中, 当把复合信号分离时, 滤波器会降低图像的清晰度, 亮度滤波时的带宽是有限的, 否则就会无法分离亮度和色差, 这样亮度的分离受到限制, 对色差来讲也是如此。因此复合信号的质量比较一般, 但他的硬件成本较低, 目前普遍用于家用录像机。S-Vide, S-VHS, S-VHS-C和Hi8都是利用2个信号表现视频信号, 即利用Y表现亮度同步, C信号是编码后的色差信号, 现在很多家用电器 (电视机, VCD, SHVCD, DVD) 上的S端子, 是在信号的传输中, 采用了Y/C独立传输的技术, 避免滤波带来的信号损失, 因此图像质量较好。YUV视频信号是3个信号Y, U, V组成的, Y是亮度和同步信号, U, V是色差信号, 由于无需滤波、编码和解码, 因而图像质量极好, 主要应用于专业视频领域。数字及同步信号利用4个信号:红、绿、蓝及同步信号加于电视机的显像管, 因此图像质量很高。还有一种信号叫射频信号, 他取自复合视频信号, 经过调制到VHF或UHF, 这种信号可长距离发送。现在电视台就采用这种方式, 通过使用不同的发射频率同时发送多套电视节目。
2数字化视频采集
NTSC和PAL视频信号是模拟信号, 但计算机是以数字方式显示信息的, 因此NTSC和PAL信号在能被计算机使用之前, 必须被数字化 (或采样) 。
模拟视频信号携带了由电磁信号变化而建立的图像信息, 可用电压值的不同来表示, 比如黑白信号, 0 V表示黑, 0.7 V表示白, 其他灰度介于两者之间。
数字视频信号是通过把视频帧的每个象素表现为不连续的颜色值来传送图像资料, 并且由计算机使用二进制数据格式来传送和储存象素值, 也就是对模拟信号进行A/D转换后得到的数字化视频信号。
数字视频信号的优点很多:
(1) 数字视频信号没有噪声, 用0和1表示, 不会产生混淆, 而模拟信号要求屏蔽以减少噪声。
(2) 数字视频信号可利用大规模集成电路或微处理器进行各类运算处理, 而模拟信号只能简单地对亮度、对比度和颜色等进行调整。
(3) 数字视频信号可以长距离传输而不产生损失, 可以通过网络线、光纤等介质传输, 很方便地实现资源共享, 而模拟信号在传输过程中会产生信号损失。
一个视频图形适配器 (通常叫做抓帧器或视频采集卡) 经常被用来数字化视频模拟信号, 并将之转换为计算机图形信号。视频信号的数字记录需要大量的磁盘空间, 例如, 一幅640×480中分辨率的彩色图像 (24 b/pixel) , 其数据量约为0.92 Mb/s, 如果存放在650 MB的光盘中, 在不考虑音频信号的情况下, 每张光盘也只能播放24 s, 使用如此巨大的磁盘空间存储数字视频, 是大多数计算机用户所无法接受的。在这种情况下, 将视频带到计算机上, 以有效的帧率播放存储信息, 是使用计算机处理视频能力的最大障碍, 鉴于此种情况, 我们采用数据压缩系统和帧尺寸、色彩深度和图像精度折衷的办法, 对视频数据进行压缩, 以节省磁盘存储空间, 数字化视频采集技术也就变成了现实。
数字化视频的过程, 通常被叫做数字化视频采集。模拟信号到数字信号的转换中通常用8 bit来表示, 对于专业或广播级的信号转换等级会更高。对于彩色信号, 无论是RGB还是YUV方式, 只需用24 bit来表示。因此采样频率的高低是决定数字化视频图像质量的重要指标。
视频采集中计算机的处理设备通常有3种类型, 即帧采集卡、动态图像连续采集卡、电视节目接受卡。帧采集卡的工作原理是把偶合视频信号解码成RGB或YUV, RGB或YUV信号经过A/D转换后进入帧存体, 帧存体内的数据根据同步信号不断被刷新。帧存体内的数据需要保存时, 计算机给出控制信号, 帧存体数据不再被刷新, 这时计算机可以读出帧存体数据传送到计算机内存或存放到硬盘中。由于视频信号是隔行扫描, 在数字化过程中每帧图像分成两场, 每场的分辨率是228行, 因此高速运动的图像采集后有抖动的感觉, 要解决这一问题可以只采集一场或缩短快门时间。采集连续图像到计算机中是比较困难的, 因为单一帧静止图像的数据量已经很大, 而动态图像是25帧/s～30帧/s, 模拟的视频图像数字化后所得到的数据量巨大, 使传输、存储和处理很困难。解决这一问题的办法一般有3种:
(1) 利用局部数据总线, 提高数据传输速度;
(2) 大大降低分辨率;
(3) 采用压缩编码。
3视频压缩
对视频图像进行压缩编码, 是目前最流行的方法。1980年以来, 国际标准化组织 (ISO) 、国际电工委员会 (IEC) 和国际电信联盟 (ITU) 等陆续完成了各种数据压缩标准和建议, 如面向静止图像压缩的JPEG标准, 在运动图像方面用于视频会议的H.261标准、用于可视电话的H.263标准、用于VCD的MPEG1标准、用于广播电视和DVD的MPEG2标准以及最新的采用基于对象的编码理念的MPEG4标准等。MPEG是运动图像专家组的英文首字母缩写。该专家组成立于1988年, 致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作。
MPEG1于1993年成为国际标准, 它是对1.5 Mbit/s以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准, 适用于CD-ROM、VCD、CD-I (交互式CD) 等。它可对SIF (标准交换格式) 分辨率 (NTSC制式为352×240;PAL制式为352×288) 的图像进行压缩, 传输速率为1.5 Mbit/s, 每秒播放30帧, 具有CD音质, 图像质量基本与VHS家用录像机相当。MPEG1也被用于数字通信网络上的视频传输, 如基于ADSL (非对称数字用户线路) 的视频点播 (VOD) 、远程教育等。
MPEG2于1995年成为国际标准, 其目标是达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG2所能提供的传输率在3 Mbit/s～10 Mbit/s之间, 在NTSC制式下的分辨率可达720×486, 可提供广播级的图像质量和CD级的音质, 适用于数字电视广播 (DVB) 、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。目前, MPEG2已得到广泛应用, 如美国、欧洲在DVD和数字电视广播方面都采用MPEG2压缩技术。
MPEG3最初是为HDTV开发的编码和压缩标准, 但由于MPEG2的出色性能表现, 已能适用于HDTV, 使得MPEG3还没出世就被抛弃了。
MPEG4于1999年初正式成为国际标准。MPEG4是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEG1和MPEG2相比, MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。
在视频编码方面, MPEG4支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。在音频编码, MPEG4是在一组编码工具支持下, 对语音、音乐等自然声音对象和具有回响、空间方位感的合成声音对象进行音频编码的。MPEG4音频编码不仅支持自然声音, 而且支持合成声音。
MPEG4的重要特点包括: (1) 基于内容的普遍性。MPEG4能够直接选取音频、视频内容进行编码, 并对其灵活地进行控制和显示, 用户可以自行选择场景中的物体的解码质量, 进行家庭影视节目制作和编辑。 (2) 以AV为对象, 增强了交互性和扩展性, 从而提高了交互应用的灵活性。 (3) 将各种功能应用在自然的和合成的AV对象上, 增强了节目编辑制作能力。 (4) MPEG4在误码环境中, 尤其是在恶劣误码条件下的低比特率应用中的抗误码性, 有利于节目制作、分配和显示。
4结束语
视频信号被采集到计算机后, 就可进入编辑制作阶段, 由于硬盘录像机、数字摄像机、非线性编辑系统等数字产品的快速发展, 将视频制作带入全面数字化时代, 视频的网络化传输和直接播出技术已成为现实。
摘要：介绍了视频信号采集存储的背景和意义, 从几个方面说明了视频处理的过程和技巧。第三部分主要研究了MPEG系列视频编码标准, 对MPEG的数据结构、编解码算法等作了详细介绍。
关键词：视频编码,图像处理,MPEG
参考文献
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[2]赵荣椿.数字图象处理导论[M].西安:西北工业大学出版社, 1995.
[3]张远鹏.计算机图象处理技术基础[M].北京:北京大学出版社, 1998.
波形采集、存储与回放系统设计 篇2
1 总体方案设计
本系统实现的是波形采集、存储与回放功能, 易用单片机控制来实现。这里以ISD1420P系列单片机为主控元件, 自身电路结构非常简单, 因此在操作的时候方便使用;由于它具有零功率信息存贮的特点, 因此在使用时可以省去备用电源;ISD1420P芯片较强的选址能力, 使其在管理方面凸显出强大的优越性;存储在此芯片上的信息可以保存10年以上之久, 可反复录放达10万次之多, 并且相关的外围元件少, 只需单一电源供电, 因此成本较低。综上所述, 由于ISD1420P芯片与其他同类电路相比具有以上的优点, 因此在设计中进行选用。
2 单元模块设计
2.1 电源电路
在本次设计中选用直流稳压电源—三端集成线性稳压器作为供电设备, 提供+5V电压输出。选择三端集成线性稳压电源的原因是其具有的基本功能和特性指标符合设计要求。
2.1.1 基本功能
(1) 输出电压值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作。
(2) 输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。
(3) 直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。
(4) 对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。
(5) 对于输出电压值和电流值有精准要求的直流稳压电源, 一般要用多圈电位器和电压电流微调电位器, 或者直接数字输入。
(6) 具有完善的保护电路。
2.1.2 特性指标
(1) 输出电压范围。
符合直流稳压电源工作条件情况下, 能够正常工作的输出电压范围。
(2) 最大输入-输出电压差。
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下, 所允许的最大输入-输出之间的电压差值, 其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。
(3) 最小输入-输出电压差。
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下, 所需的最小输入-输出之间的电压差值。
2.1.3 优点
三端集成线性稳压电源具有调整管工作在线性工作区, 稳定性好、精度高、噪声力小、效率高、体积小的优点, 应用领域也极其广泛。
2.2 ISD1420P芯片
2.2.1 芯片基本构成单元
ISD1420P芯片由时钟振荡器、128K字节E2PROM、微音放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差动功率放大器构成基本功能电路。芯片存储时间为20秒。
2.2.2 芯片操作模式
此芯片的A0~A7引脚功能由A6、A7引脚的电平输入状态决定。当A6、A7引脚中有一个输入的是低电平时, A0~A7的输入全部解释为地址位, 将其功能作为起始地址使用;当A6、A7引脚输入同为高电平时, A0~A7的输入全部解释为模式位, 即代表不同操作模式。在使用中药注意, 地址位只能作为输入端, 在使用中不能输出内部地址信息。
使用操作模式有两点要注意:所有初始操作地址端都是从0开始, 一旦电路进行录放音转换或进入省电状态时, 地址计数器自动复位为0;当PLAYE、PLAYL或REC变为低电平, 同时A6, A7为高电平时, 执行对应操作模式。这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止, 这一刻现行的地址/模式信号被取样并执行。
操作模式中A0端为信息检索, A1端为删除标志, A3端为循环重放信息, A4端为连续寻址, A2、A5两端未用。
3 设计方案实现
在系统左端A通道加入外接信号源获得高电平为4V、低电平为0V、频率约1k Hz的单极性信号, 将其通过输入电路送入到ISD1420P电路中, 进行存储。完成存储功能后, 断电并取消外接信号源的输入, 在系统右端A通道加入示波器, 继续供电后, 通过输出电路观察波形, 将得到与输入端相同的波形, 以证明此系统可以完成波形的采集、存储与回放功能。B通道的工作原理与A通道完全相同, 仅输入信号有区别, 在B通道中输入峰峰值为100m A, 频率为10Hz―10k Hz的双极性信号, 以验证系统的采集、存储与回放性能。
4 系统功能、测试说明
4.1 系统功能
本系统可完成将外接信号源进行波形采集、存储与回放的功能。在输出端显示波形时可进行不同的需求选择。
(1) 进行一段式输出波形, 最长时间为20秒。
(2) 进行循环输出波形, 按一下PE键可循环输出, 按PL键停止;或按住PL键输出, 松开即停止。
(3) 按顺序连续分段输出, 每段输出长度不限。
(4) 按PE键可快速选择输出波形。
4.2 测试说明
(1) 在A通道通过外接信号发生器输入一个频率为1k Hz的单极性正弦波, 接通电源, 20秒内系统进行波形采集和存储过程;断掉电源, 将A通道输出端接在示波器上, 观察输出波形为正弦波, 频率为1k Hz。
(2) 在B通道通过外接信号发生器输入一个频率为100Hz的双极性正弦波, 接通电源, 20秒内系统进行波形采集和存储过程;断掉电源, 将A通道输出端接在示波器上, 观察输出波形为正弦波, 频率为100Hz。
5 设计总结
通过以上报告的说明, 本设计主要完成了波形的采集、存储与回放功能, 虽然波形有部分失真情况发生, 但是已达到设计目的和要求。
设计有待改进的地方为此设计只能存储一次采集的信号, 并且A、B两路信号周期不同时, 不能进行连续回放, 需要进一步完善。
参考文献
[1]李国锋, 王宁会.电源技术[M].大连:大连理工大学出版社, 2010 (05) .
采集与存储 篇3
随着科学技术的发展, 视觉技术被广泛应用于军事、工业以及测控领域。视觉是人们主要的信息源,通过图像采集系统对周围环境图像数据进行采集,这样机器能够替代人类获得环境信息,此种系统被广泛应用于测控系统,以获得飞行器的环境参数。 利用高性能的FPGA控制图像数据的采集与图像数据处理,通过交错双平面技术对处理后的图像数据进行存储, 通过USB总线, 将处理后的数据传输给上位机进行解包并显示。
1系统的总体设计
系统工作过程:采集存储模块的FPGA通过模拟IIC时序, 对CMOS模拟传感器进行初始化与配置, 并采集图像数据,通过信号调理电路将采集的模拟信号进行滤波放大, 并将调理放大的信号进行A/D转换后输出给FPGA , FPGA将接收的数据通过内部FIFO缓存后传输给Flash芯片进行存储。 FPGA回读Flash芯片内的数据, 通过LVDS总线( 型号DS92LV1023) 发送给监控读数模块, 通过USB接口( 型号CY7C68013) 传输给上位机, 由上位机对图像进行解码显示。 系统的原理框图如图1所示。 FPGA采用XILINX公司的XC3S1400AN,内部包含有丰富的RAM资源,便于数据采集[1,2,3]。
2 CMOS图像数据采集模块
通过FPGA对CMOS图像采集模块进行逻辑控制。 其中采集模块主要完成对视频图像的采集, 对采集到的信号进行模数转换, 并对此信号进行低通滤波及放大后[4,5,6,7]传输给图像数据存储模块进行存储。
在本文的系统设计中,对图像数据的采集是核心模块。 视频前端应用CMOS图像传感器(型号OV7670),输出的图像数据最高为30帧/s,30万像素,芯片内部的寄存器达201个, 通过FPGA控制单片机对传感器寄存器进行配置。 单片机采用IIC总线为传感器寄存器串行传输数据,在对IIC总线时序控制中,利用54个SDA时钟传输32 bit的配置数据, 其中前两个时钟周期完成时序模块的初始化,延时4个周期后,启动串行数据的传输, 传送完一个字节数据后等待从接收器(CMOS图像传感器)的应答信号,当单片机确定从接收器正确接收后,启动发送下一个字节的配置数据,直到发送完4个字节的配置数据后,发送终止信号, 结束IIC总线的传输, 完成传感器的初始化, 从而控制图像数据的质量、 图像数据的制式以及数据的传输方式。 其中IIC总线传输模块的时钟为30 k Hz。
CMOS图像传感器将采集到的光信号转换为模拟信号, 被转换的模拟信号很微弱, 为达到A/D转换芯片对处理信号电平的要求,需要对传感器输出的模拟信号进行放大处理, 经A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号输出。 FPGA的解码部分通过控制3种同步信号(像素时钟同步信号、行同步信号和场同步信号),进而得到8 bit的RGB制式的图像数据信号。 图像传感器的分辨率为640×480,行同步信号为 “1”时有效, 每行显示的有效数据是640 bit; 每列显示的有效数据是480 bit, 场同步信号为 “0” 时输出转化后的有效数据, 当其变为 “1” 时, 表明一帧图像数据传输完成。 采集到的数据通过FPGA芯片的内部FIFO缓存。
3图像数据存储模块
本文采用的FPGA片内存储器有限,考虑到大数据量的图像数据, 需要外部扩展存储器, 选用K9WBG08U1M型号的Flash, 此Flash最大存储4 GB图像数据, 以页为单位对数据进行读写, 以块为单位对数据进行擦除,包含3种地址控制信号(列地址、行地址和块地址)。 图像存储模块在上电初始化后,FPGA控制时序擦除Flash内存,并等待存储视频前端采集到的图像数据。 采用交错双平面式对接收到的图像数据进行存储, 将1片4 GB的Flash分成2片2 GB的Flash, 对其中一片Flash进行写操作的同时对另一片Flash进行读操作, 此种交错方式使输入输出不间断, 实现图像数据的无缝处理, 提高数据传输与处理的效率。
为了方便对图像数据进行读写操作, 引入3种控制信号:地址使能信号、命令使能信号和数据锁存信号。 在FPGA的逻辑时序控制中, 当地址使能信号有效为 “ 0 ” 时,FPGA的8个I/O口并行输出地址, 在对Flash芯片进行寻址时写入32 bit地址(13 bit是字节地址,19 bit是页地址和块地址),分5次输出;当命令使能信号有效为 “ 0 ” 时, 8位I / O口输出命令, 当数据锁存信号有效为 “ 0 ” 时, 8位I / O口输入8 bit图像数据。 图2所示为Flash存储模块工作时序流程图。
4监控读数模块
通过综合考虑,图像数据存储模块与监控读数模块通过低压差分传输方式(LVDS) 进行数据的传输, 此种传输方式适用于高速短距离传输, 但是, 在利用普通双绞线进行数据的传输时,信号的传输损耗随着信号频率的增加而增加。 基于此种限制,在图像数据的发送端加入驱动以增强信号,在图像数据的接收端采用均衡补偿法补偿信号在传输过程中的损耗。
此监控读数模块采用LVDS接口和422接口与图像数据存储模块进行通信。 LVDS接口主要负责存储命令的下发和回读存储模块的图像数据,422接口主要负责对存储模块状态的监控,通过回读存储模块的状态信息以确定存储模块是否正常工作。 图3所示为监控读数模块与数据存储模块的LVDS接口示意图。 存储模块接收到读数命令, 通过LVDS接口, 将数据传输给监控读数模块,监控读数模块通过检测数据的高两位判断是否为有效数据。 若为有效数据,将此数据存储到外部的FIFO中,若为无效数据,则丢弃。 监控读数模块向存储模块发送启动存数数据命令后,数据存储模块通过422接口将本身的状态信息发送给数据监控模块,通过这些状态信息能够判断存储模块是否正常工作。
5系统测试结果
在对本系 统的硬件 和软件模 块调试成 功后 , 对系统的总体功 能进行测 试 。 CMOS模拟传感 器对图像 数据进行 采集后 ,通过数据 存储模块 对采集到 的数据进 行存储 , 由监控读 数模块通 过LVDS接口回读 图像数据 , 并将此数 据通过USB接口上传 给上位机 , 上位机对 此数据进 行解码并 显示 , 图4所示为还 原后的图 像数据 。 其中FAF6为帧开始 标志 , 帧标志前 面的3个字节是 帧计数 。
6结论
本文利用CMOS传感器实现了对图像数据实时采集的要求。 应用K9WBG08U1M型号的Flash芯片通过交叉双平面技术对此图像数据进行存储,实现了数据的无缝传输,以流水线的数据传输方式提高了本系统的传输效率。 监控读数模块通过LVDS接口和422接口对存储模块的数据进行回读并在上位机上显示。 系统充分利用了具有高性能的XC3S1400AN(所用FPGA型号)芯片, 提高了系统的运行速度,具有很高的参考价值。
摘要：设计了一种针对具有大数据量特点图像数据采集、存储及长线回读的测控系统。在控制信号的作用下,此测控系统将CMOS传感器采集的大容量数据存储到Flash芯片中。存储完成后,通过LVDS总线,将Flash芯片中存储的数据回传到上位机进行存盘并显示。实验证明,此系统稳定性高,在工业控制领域具有借鉴意义。
关键词：图像数据,FPGA,Flash,数据存储
参考文献
[1]吴萌.一种高速、大容量图像存储系统设计[D].西安:中国科学院西安光学精密机械研究所,2009.
[2]邢彦梅,董晓倩,张园.一种基于JPEG2000算法的图像传感器设计[J].电视技术,2012,36(11):44-46.
[3]王小艳,张会新,孙永生,等.Camera link协议和FPGA的数字图像信号源设计[J].国外电子元器件,2008,16(7):59-61.
[4]任伟,张彦军,白先民.基于LVDS的高速数据传输装置的设计[J].科学技术与工程,2012,12(29):7759-7763.
[5]郭铮,刘文怡,冯妮.基于FPGA多通道高速数据采集存储器设计[J].电视技术,2012,37(17):55-57.
[6]蒋鹏,吴建峰,董林玺.一种改进的无线多媒体传感器网络分布式图像压缩算法[J].传感技术学报,2012,25(6):815-820.
采集与存储 篇4
Matlab是一种基于矩阵运算的交互式数值计算软件, 作为“第四代”计算机语言, 具有极高的编程效率, 在高等教育领域正发挥着日益重要的作用[1]。Matlab下的GUIDE[2]是内嵌在Matlab环境中面向对象的图形用户界面开发工具, 通过GUIDE用户可以方便地设计程序界面, 在GUIDE自动生成的应用程序框架内, 用户可以方便地编写事件代码, 进行GUI程序的开发。在测试技术实验教学中, 传统的实验数据采集程序往往是一个封闭的环境, 几乎不可能增加、修改现有程序的功能。此外, 采集程序得到的实验数据以文本文件的格式存储, 无形中减低了数据精度。本文采用Matlab语言, 实现实验数据的采集与存储, 不仅可以方便地增加、修改程序的功能, 而且由于采用.mat文件格式存储实验数据, 保证了数据精度, 同时也节省了存储空间, 提高了数据传递的效率。
二、实验平台的组成
本文采用8051系列单片机实现实际的数据采集, 通过RS-232C串口向上位机发送采集到的实验数据, 通过Matlab GUI程序实现数据的接收、显示和保存。一套这样的单片机系统价格不过百余元, 还可以作为单片机课程教学的实验装置, 降低了总体实验成本, 有利于不同课程之间的衔接。作为上位机程序的Matlab GUI, 可以根据不同的下位机采集模块, 实现不同实验的数据采集。学生在MATLAB环境下, 利用获得的实验数据, 可以方便地进行信号分析和实验数据的处理。
单片机与PC机RS-232C串口的连接如图1所示, 这里采用可在线编程的AT89S51单片机。AT89S51的串行口RXD、TXD分别对应数据的接收端和发送端, MAX232实现TTL与RS-232C的电平转换, SIN、SOUT分别对应PC机串口的数据接收端和发送端[3]。
三、实验平台的软件实现
在Matlab外部接口中, 提供了一组对于串口操作的API函数, RS-232C串口被当作特殊的文件, 对串口的打开、读写、关闭利用了Matlab下文件操作的函数。
基于Matlab面向对象的概念, 首先要创建串口对象, 并进行必要的配置。建立串口的方法如下:
其中变量s即为所创建的串口对象, 它对应于计算机上的COM1口。当PC机上有多个串口时, 应根据需要, 对串口进行选择和设置。
为此, GUI界面上有一个“串口设置”按钮, 可以根据实验条件对串口参数进行设置, 如图2所示。
对串口对象的操作, 主要通过文件操作API函数实现[4]。下面以两通道的信号采集为例, 说明对串口对象操作的方法。首先, 用fopen函数打开串口, 由Matlab发送采集数据命令, 命令标识为"readblock";然后检测单片机的响应信息, 收到"ready"后, 由Matlab发送要采集的数据数目num;最后, 单片机按要求发送数据, 由Matlab接收, 完成一次数据采集, 并用fclose函数关闭串口。
主要的实现代码如下:
采集到的数据可以保存为.mat数据格式, 数据保存的实现代码如下:
四、应用实例
应用本文所开发的数据采集与存储实验平台, 对两路不同幅值和频率的电压信号进行了采集, 程序运行界面如图3所示。图中“采集”按钮实现数据采集与显示, “保存”按钮将实验数据保存为.mat格式文件。默认条件下, 实验数据被保存在data.mat文件中。在Matlab下, 可以随时读入实验数据, 进行进一步的信号分析与处理。
五、结论
1.本文通过计算机串行口, 实现了Matlab环境下实验数据的采集、波形显示与存储。所开发的GUI实验平台, 以Matlab的串口控制API函数为核心, 运行稳定可靠, 操作方便。
2.实验数据保存为.mat格式, 存储精度高。便于用户充分利用Matlab的数值计算功能, 提高信号分析与数据处理的效率。
参考文献
[1]薛定宇, 陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 2002
[2]陈垚光, 毛涛涛, 王正林, 等.精通MATLAB GUI设计[M].北京:电子工业出版社, 2008.
[3]李朝青.单片机原理及串行外设接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.
采集与存储 篇5
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) .
采集与存储 篇6
本文提出了一种基于FPGA高采样率深存储的设计方案,并可实现飞行器在飞行过程中的各项原始数据的记录、分析和回放。而且可以通过上位机软件在计算机中读取出飞行的原始数据并将数据拆分以及绘图,供试验后进行分析。
1 总体设计方案
本设计采用型号为XC3S400E的FPGA芯片作为逻辑控制单元,该芯片拥有400 K逻辑门,288 KB Block RAM,I/O数量达到了141个,其低成本、低功耗和可灵活配置的特性能够满足设计要求[2,3]。引脚支持高速数据通信,能够完成高速采集和存储接口的设计,设计总体框图如图1所示,其中信号调理电路完成模拟信号的放大和滤波,模/数转换器完成模拟信号到数字信号的转换功能。为了提高电源的抗噪声性能,在给系统模拟电路和数字电路供电之前需要经过滤波处理。存储模块由4个深存储的三星Flash组合成一个16 GB的Flash阵列,实现数据的大容量存储功能。总线接口完成与计算机之间控制指令、数据、地址等信号的通信。
系统工作原理:计算机通过USB总线接口给系统下发控制指令,指令在FPGA逻辑控制单元进行译码,之后完成相对应的采集、存储等操作。参数信号经过信号输入接口后进行调理和模/数转换,将采集到的数字信号存储到Flash阵列中,以备计算机对数据进行回放和分析。
2 硬件电路设计
采集模块主要由信号调理电路、单端转差分电路和模数转换电路三部分组成,采集模块的电路原理图如图2所示。信号调理电路的作用是把传感器输入的相对较小的电压信号进行放大,使其适合于模/数转换芯片的输入要求[4]。单端转差分电路将传感器输入的单端模拟信号转换成差分信号,以满足模/数转换芯片THS1408转换的输入信号要求[5]。FPGA控制模/数转换芯片把模拟信号转换成数字量,并将符合条件的数据进行编帧,写入16 GB Flash阵列。其中运放采用AD8028,当输入信号频率不大于1.5 MHz时,运放跟随后的波形效果仍然很好,满足设计要求。最初设计阶段,电阻R12选用10 kΩ阻值,在实际电路调试过程中发现A/D运放的容性负载随着输入信号频率的增大不断减小,当输入信号频率达到1 MHz以上时,AD8028的输入电容值C和容性负载由下式得出:
由式(1)可知,AD8028的容性输入阻抗与R12在同一数量级,电阻R12阻值过大,会对输入信号进行分压,使得输入信号的幅值衰减。把电阻R12更换成1 kΩ以后,输入信号幅值的衰减几乎可以忽略不计,保证了信号的采集精度。THS1408采用具有三态缓冲的并行数据接口,可以直接连接到数据总线接口,通过驱动OE为低可以将数据输出使能,使得电路设计更加简单。
3 软件设计
3.1 FPGA逻辑设计
逻辑控制中心FPGA主要完成THS1408内部寄存器的初始化和数/模转换控制、数据采集的控制、数据有效性判断以及Flash阵列芯片的读写控制功能。内部程序框图如图3所示。
FPGA作为高速采集和深存储模块的中心控制器,主要负责控制A/D转换器、外部FIFO、Flash阵列以及内部总线间的相互通信,各个模块的作用如下:
(1)A/D控制以及FIFO写控制模块:系统上电后,该模块主动实现A/D转换器的初始化、FIFO的初始化,在采集状态下,控制A/D转换器的采样,并将数据写入FIFO中。
(2)接口控制以及FIFO读控制模块:系统上电后,将内部总线发送过来的命令转发给各个子模块,在采集状态下,读取FIFO中的数据,并对数值进行判断,满足条件时,将数据传输给Flash阵列控制模块。在读数状态下,接收Flash阵列控制模块传递过来的数据,并通过内部总线将数据通过接口模块上传给上位机,进行数据的分析、判断。
(3)Flash阵列控制模块:系统上电后,该模块对Flash无效块进行扫描,并生成列表。在擦除状态下,该模块控制Flash阵列的擦除流程;在采集状态下,该模块将前一级送过来的数据进行存储;在读数状态下,该模块读取Flash阵列中的数据,并传递给前一级模块。其FPGA具体的控制流程图如图4所示。
3.2 Flash读写
本设计中,存储芯片选用三星公司的K9WBG08U1M。Flash的写入过程需要进行页编程,页编程的最大时间为700μs,典型时间为200μs,经实际测试页编程时间为150μs~250μs。在页编程时间内,不能对Flash进行操作。K9WBG08U1M拥有两个片选信号,在chip1进入编程后,对chip2进行写入操作,从而错过编程时间。K9WBG08U1M可以将内部存储空间分为4个存储平面,每个平面由2 048个块和4 KB的页寄存器组成,每个平面可以进行单独的擦除和编程操作[6]。设计中,Flash采用交替双平面编程方式,可以大大提高存储芯片的写入速度。在进行双平面操作时,必须选择plane0和plane1或者plane2和plane3同时进行操作。如令chip1中plane0和plane1为第1组,chip1中plane2和plane3为第2组,chip2中plane0和plane1为第3组,chip2中plane0和plane1为第4组,交替双平面编程方式流程图如图5所示。当写完第1组页寄存器以后,将进入200μs的编程时间,此时再对第2、3和4组加载数据。当第4组加载完数据以后,第1组已经完成了编程,可以继续对第1组加载数据[7]。
为了方便对块地址的统一管理,每次上电后先扫描Flash内部无效块,并生成无效块列表,存放于FPGA内部ROM中。只要不断电,Flash的擦除、读、写操作都按照列表操作,不再进行无效块检测[8]。若对应的块地址为有效块,则将数据写入该块中。
3.3 模/数转换
根据THS1408的采样时序和采样率确定A/D采集时序,如图6所示。系统时钟clk为60 MHz,通过计数器对系统时钟进行十分频,产生A/D采样时钟ad_clk为6 MHz,在时钟上升沿对输入的模拟信号进行采样并进行模/数转换,在时钟下降沿输出数字量,数据输出延时25 ns。通过控制数据输出使能out_oe完成转换后的14 bit数字量的输出,并将其缓存入外部FIFO中。当符合触发条件时,将数据存入对应的16 GB Flash阵列中。
4 实验结果与验证
为验证系统的功能,将采集与存储系统接入地面测试系统,如图7所示。
在地面检测模式下,地面测试台向系统提供模拟信号供其采集(这里提供频率为3.8 Hz的正弦模拟信号)。采集与存储系统对此正弦模拟信号进行采集、A/D转换、编帧和存储。当采集存储结束之后,地面测试台向采集和存储系统下发读数命令将系统转换存储后的数据读回测试台,并通过USB将数据上传给上位机。上位机软件对数据采集模块采回的数据进行数据处理和分析,在数据的帧校验准确无误后,对分解后的数据进行绘图分析,绘图结果如图8所示,可以清楚地看到正弦波形。通过10次连续的采集和Flash读取测试,验证了系统的可靠性和准确性。
本文介绍了一种基于FPGA的高速采集和深存储的模块设计,整个设计在实现高速数据采集的同时也实现了大容量的数据存储。物理层上采用高速的模/数转换器,同时增加了放大、滤波等调理电路,在硬件电路上降低了信号的噪声,并且采用了构造Flash阵列的方法,提高了数据的存储深度。该设计已可实现采样率为6 MHz的数据采集以及高达16 GB的存储容量,并具有实现简单以及功耗低的特点,在高速数据传输应用中具有很高的应用和参考价值。
摘要：为了实现飞行器在飞行试验状态下对空间噪声信号的记录,设计了一个基于FPGA的超声数据采集与存储模块。该模块以FPGA芯片XC3S400作为主控制器,使用THS1408芯片作为模/数转换器,将采集到的模拟信号转换为数字信号并进行存储。在超声数据采集模块FPGA软件方案中,对软件的功能、实现框图以及软件流程做了相应的介绍。Flash芯片采用交替双平面页编程方式,提高了数据的写入速度。通过试验验证了该采集与存储模块功能的有效性。
采集与存储 篇7
一、数字档案数据的采集
(一) 宣传新闻类数据。宣传部设专人负责将网络、微博、微信公众平台等网络媒体中有关学院报道的数据下载到本地存档, 要求做到平时随时采集, 并于每年年终对本年数据文件以时间为单位进行统一整理, 通过硬盘存储的方式统一归档。
(二) 业务系统数据。学院综合档案室要求各单位兼职档案员, 在每年年终对所在单位的业务管理系统数据进行一次完整性采集备份, 包括依赖系统环境、软件平台版本等支持信息的元数据, 并通过刻录蓝光盘和硬盘拷贝的方式进行双套式归档保存。
(三) 视频监控系统数据。该系统数据由于实行24小时实时摄录, 容量巨大, 我们由学院保卫部门兼职档案员在日常工作中, 将涉及案件部分的数字数据信息与案件其他文件材料一起进行随时收集, 每年年终进行归档, 其余不作为归档数据。
(四) 学术报告厅视频摄录数据。学术报告厅是学院主要学术活动、重大会议等进行的主要场所, 配备有专用视频摄录设备系统, 为保证日后使用的质量, 各项活动均要求采用高码流、全高清的格式进行多角度全程摄录。为此, 学院综合档案室专门在学术报告厅配置高性能抗震型大容量移动硬盘, 由摄录人员将录制视频存入移动硬盘, 并对各视频数据的“时间-地点-人物-事件”等信息逐一进行详细记录, 并以“时间” (20160101) 为单位对摄录视频进行分类整理, 于每年年终进行归档。
(五) 学院重大活动的数字多媒体数据。随着学院的发展, 各种重大活动越来越多, 仅产生的多媒体数据量就以“T”的单位量逐年增长, 已非CD及DVD光盘等传统载体可以承载。我们通过统一采购大容量抗震型硬盘, 根据归档部门实际需求有针对性地进行配置, 并要求兼职档案人员对本单位重大活动数字多媒体数据进行及时采集和整理, 详细著录时间、地点、人物、事件等基本要素, 于每年年终将数据硬盘归档。
(六) 学院传统载体档案数字化数据。随着全省档案数字化的不断推进, 我们通过招投标的形式进行外包, 对传统载体档案进行集中式的数字化转化采集, 目前已完成80%的数字化档案数据的采集工作。
二、数字档案数据的存储
在当前全媒体时代, 随着数字化校园建设的推动, 学院每年所产生的数字信息的种类、数量以及容量与日俱增, 给产生的数字档案信息量带来了几何倍数的增长。如学院每年产生的各种重大活动的数字媒体数据 (包括视频、声音与图片等) , 还有不断建立和完善的各级网站、微博及微信平台等新媒体数据信息, 同时各职能部门为完善服务、拓展功能而建立的业务系统也产生很多数据。因此, 为应对迅猛增加的数据库容量的现实情况, 近年来, 学院综合档案室一方面通过配置具有RAID结构和容灾能力的磁盘阵列存储系统来实现高速稳定的在线存储。另一方面, 通过配置容量大、可靠性强、安全性高的移动硬盘存储设备和档案级蓝光光盘, 解决数字档案信息数据的脱机存储与备份问题, 较好地保证了档案信息的安全性、可靠性。
三、数字档案数据的利用工作
传统载体档案由于具有利用时空、利用主体的单一性局限, 给档案信息的利用工作带来了很大的不便。随着数字化校园的到来和数字媒体技术的引入, 我们依托局域网络平台, 通过网络管理数字档案信息, 搭建了用户与档案数据的沟通交互的桥梁;针对直接产生的及通过数字化技术转化而成的数字档案数据, 一方面通过著录目录形成详细检索信息, 以对应挂接的形式加载到网络化的档案管理系统中, 并赋予与各单位相匹配的有限访问权, 突破了档案利用时空和利用者数量的限制, 在保证信息安全的前提下, 实现了数字档案信息的有效、有限网络共享。另一方面, 我们对数字化档案信息进行二次识别, 将数字化图像转化为计算机可处理和分析的数据化信息, 依托多元化的检索信息, 极大地提高了检索、利用效率。通过对海量数字档案信息数据进行二次分析, 从中挖掘出对学院的建设与发展具有高贯穿性、高价值性和高利用率的信息, 实现数据利用从低层次的简单查询向从数据中挖掘知识转变, 可以为学院的发展、领导决策以及日常教学、科研及管理工作提供翔实且有价值的数据。
综上所述, 数字化校园建设开启了高校档案管理的一次重大转型, 成为数字档案管理工作创新的动力和源泉, 改变着人们对现代档案管理的理解, 同时档案数据也为我们提供了一种新的工作思维方式以及宏观、系统、跨界的工作视角。档案数据的核心价值, 从根本上来说, 还是基于数据本身, 数据的价值并不局限于特定用途, 更在于其价值体现的多元化。因此, 如何加强高校数字档案信息的采集、存储、利用等工作的创新, 实现档案数据的未来潜在价值显得尤为重要。
摘要：目前, 数字化校园建设是高校教学、管理、科研等工作信息化的最主要途径。在建设过程中, 以计算机、互联网等信息技术为核心的建设载体必然会产生大量类型丰富的数字档案信息数据。在此背景下, 作为高校档案管理部门, 如何转变观念, 运用信息技术, 实现档案信息数据的有效采集、存储和利用显得非常重要。