基于Linux 的模块化图像采集系统设计.pdf
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1、1522023 年 10 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备基于 Linux 的模块化图像采集系统设计余靓辉1,吴刚1,石金进2(1.三峡大学机械与动力学院,湖北 宜昌 443002;2.福建工程学院交通学院,福建 福州 350118)摘要:【目的】近年来,图像采集技术已广泛应用于各大智能装备领域,但传统图像采集系统因过度依赖PC,导致整个智能机械体积大、成本高,不利于企业研发生产。【方法】研究小组设计了一种基于Linux的模块化图像采集系统取代PC,该系统主要包括硬件设计和系统程序设计。其中,硬件设计主要为外围设备的电路设计,包括图像采
2、集、图像传输、图像显示等硬件模块部分,而系统程序设计主要为嵌入式Linux系统搭建、外围设备驱动程序和摄像头采集图像信息流程。【结果】对系统进行了测试验证,摄像头采集的图像信息在HDMI显示屏上显示正常,并且可以设置摄像头的亮度、曝光、白平衡等信息。网口网速平均可达938 MB/s,稳定且不丢包,满足该系统高速传输功能需求。【结论】该系统各模块工作正常,能够达到预期效果,适合工厂批量化生产,在未来的农业生产、医疗器械、产品检测等智能机械领域有着非常广阔的应用前景。关键词:图像采集;嵌入式;模块化;智能机械中图分类号:TP274 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3
3、872.2023.20.040图像采集技术是利用摄像头实时获取图像信息的手段1,图像信息能够更加真实地反映事物的外观特点,且精确程度较高。因此,该技术在工业和科学领域应用越来越广泛并受到相关研究人员的关注,尤其是在智能机械领域,但也随之呈现出不足之处。传统的图像采集系统依靠摄像头进行拍摄,而后期的显示处理则需依靠个人计算机(Personal Computer,PC),一台智能机器配备一台PC,对于空间有限的工业安装非常不友好,并且成本和功耗都较高。综上所述,本文对传统的图像采集系统进行改进,设计了一种基于Linux的模块化图像采集系统2,该系统所需体积小、成本低,可以满足大部分智能机械需求。1
4、 系统总体架构该图像采集系统设计主要分为硬件和软件两个部分。硬件部分主要包括主控芯片、图像采集模块、图像显示模块和数据传输模块;软件部分主要包括嵌入式Linux系统、外围设备的驱动程序以及图像采集与显示流程。系统总体架构如图1所示。2 硬件结构设计图像采集系统的硬件平台设计方案采用主控开发板加外围设备的方式,硬件结构框图如图2所示。主控芯片使用的是国产厂商瑞芯微生产的RK33993,该芯片一共有6个核心处理器,主频最高可达2.0 GHz。另外,此芯片支持千兆以太网网络通信,接口资源丰富,支持USB3.0、HDMI、MIPI双摄像头等设备接口,整体性能优异。在功能上也有很大的优势,能够播放各种超
5、高清4K视频,能处理复杂的互动操作等。系统通过摄像头采集图像信息,采集完的图像信息经过ISP编码压缩4,而后通过通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)Type-C接口传输至操作系统进行解码处理,系统处理后的图像再通过高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)传输至显示屏进行显示。而最终的图像信息需提供给用户分析储存,因此在上述基础上添加了以太网传输模块,用户可通过以太网网线直连,将图像信息高速传输至PC。其他驱动以太网驱动嵌入式系统(Linux内核)Type-C驱动HDMI图像采集驱动图像显示图1系统总体架构2
6、.1 图像采集模块图像采集模块采用第三代嵌入式图像采集技术5,该技术可以提高图像实时性,增大传输距离,提高图像质量,同时还能够对采集到的图像进行高速压缩作者简介:余靓辉(1999),男,湖北钟祥人,在读硕士研究生,研究方向为嵌入式系统。2023 年 10 月下153Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备处理,来降低视频图像对传输速率和存储空间的要求。在接口设计上采用Type-C接口,它是USB的一种硬件接口标准,集充电、显示、数据传输等功能于一身6。Type-C接口最大的特点是支持正反两个方向插入,传输速度可达10 GB/s,向下兼容USB1.0
7、和USB2.0,并且支持热插拔。在Linux系统下,Type-C有V4L2标准协议支持,并且可以将驱动加载于系统当中,因此非常适合应用在获取和传输图像数据的过程中,其电路原理图如图3所示。USB摄像头USB以太网EMMCHDMIRK3399PCHDMI显示器核心板图2硬件结构框图图3Type-C电路原理图摄像头在 Type-C 接口正常工作只需要 4 根线,两根差分信号线DN和DP用于数据传输,VBUS用于给外围设备提供电源和 GND,保证接口的通信正常。2.2 图像显示模块图像显示模块采用 HDMI 接口,它是一种较新的视频和音频传输接口7,目前在功能上已基本替代 VGA(Video Gra
8、phics Array)接口。相较于VGA,HDMI 可以传输音频且插拔方便,简化了设备的接口和连线,也提供了更高的数据传输带宽,能够传输高清无压的视频和音频信息,其电路原理图如图4所示。开发板先给 HDMI 模块提供 5 V 电源,供电正常后,该模块会检测IIC总线通信是否成功,此处可检测 HDMI 的热插拔功能是否正常。通信成功后,HDMI接口只发送、不接收,以此完成数字图像信息的传输。图4HDMI接口电路原理图2.3 以太网传输模块以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络,它实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法。相较于目前使用广泛的无线局域网,以太网网线直连的稳定性、抗干扰性则要
9、强很多,也正因此特性,常常选择使用以太网进行系统的图像数据传输,其电路原理图如图5所示。图5以太网模块电路原理图该模块含 4 对差分信号线(MDI0+/MDI0-,MDI1+/MDI1-,MDI2+/MDI2-,MDI3+/MDI3-),差分信号线两对发送两对接收,等长设计,旨在解决千兆以太网通信缓慢和丢包的问题。利用修改线长TXDLY/RXDLY使4对差分信号线延时统一,实现千兆以太网的最佳通信8。2.4 其他模块除了以上的图像采集、图像显示和以太网传输模块,还需要其他模块的支撑,例如用于测试的串口模块,通过串口通信的方式实现核心板与PC的连接9,便于程序开发和功能调试;还有开发板必需的存储
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