數(shù)字圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用?微機(jī)圖像處理系統(tǒng)以其使用靈活?性能價(jià)格比高而在醫(yī)療?氣象?工業(yè)視覺等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?在工業(yè)控制中一般采用攝像頭得到現(xiàn)場的圖像，而現(xiàn)在攝像頭輸出的信號多為模擬信號?為了實(shí)現(xiàn)攝像頭和計(jì)算機(jī)的接口，必須采用圖像采集卡?

但是現(xiàn)在市面上的圖像采集卡往往數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)讀取不能同時(shí)進(jìn)行，這給編程和實(shí)時(shí)控制帶來很大的麻煩?本文提供的圖像卡解決了這個(gè)問題，它采用兩片存儲器，計(jì)算機(jī)讀取的內(nèi)存和圖像采集所用的內(nèi)存交替使用，使得圖像采集與計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)可同時(shí)進(jìn)行?

本文先分析了一般圖像采集卡的缺陷，然后給出了新的圖像采集卡的原理和設(shè)計(jì)思想?由于本圖像采集卡基于全電視信號，所以有必要先來簡要地介紹黑白全電視信號?

1 全電視信號及其原理

黑白CCD攝像頭經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換將圖像（光信號）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺渥罱K輸出信號就是黑白全電視信號?它主要由圖像信號（視頻信號）?復(fù)合消隱脈沖和同步脈沖組成?

電視信號其極性可分為正極性和負(fù)極圖像信號?若圖像最亮?xí)r，對應(yīng)其信號電壓的幅度最大，則該信號稱為正極性信號;反之為負(fù)極性信號?這里采用負(fù)極性信號?將圖像信號送到視頻放大器中進(jìn)行放大?處理，同時(shí)加入同步機(jī)送來的行?場同步脈沖和行?場消隱脈沖，就形成了全電視信號?

消隱脈沖主要用于消除行場掃描逆程時(shí)產(chǎn)生的回掃線，同步脈沖保證收端與發(fā)端的掃描點(diǎn)應(yīng)有一一對應(yīng)的幾何位置?

由于場同步期間沒有行同步信號，這會影響在整個(gè)掃描過程中的嚴(yán)格同步?為了解決整個(gè)問題，采取在場同步脈沖中開槽的方法用以替代同步信號?場同步前后兩倍行頻的脈沖稱為均衡脈沖?

電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，全電視信號的幅度比例是：若以峰值白電平到同步電平作為100%，則峰值白電平到消隱？黑 電平的值為75%，峰值白電平為0%，圖像信號介于白與黑電平之間?

信號如圖1所示，從時(shí)間上看，每秒傳送25幀圖像，每幀625行;隔行掃描時(shí)每秒50場，每場312.5行?每一行的周期為64μs？其中圖像占52.2μs，行消隱占11.8μs?行同步脈沖為4.7μs，它比行消隱延遲1.3μs?每一場的周期為312.5H=20ms，其中場消隱信號占25H+1行消隱信號，即等于1600μs+11.8μs?均衡脈沖的寬度為2.35μs，周期為半行，共12個(gè)？前6個(gè)，后6個(gè) ?場同步脈沖的寬度為2.5H的時(shí)間？即160μs ?場同步脈沖有6個(gè)槽脈沖，其寬度為4.7μs?

在全電視信號中，把奇數(shù)場同步信號的前沿作為一場的起點(diǎn)，第1?2?3行是場同步信號，第4?5?6行是后均衡脈沖，7~22行還是場消隱信號，該場消隱信號從前場623行開始，因此，整個(gè)消隱信號是25行加一個(gè)行消隱的時(shí)間?圖像信號從23行出現(xiàn)到309.5行止，共287.5行，這就是第一場或稱奇數(shù)場?從309.5行開始又是下一場的場消隱信號及前均衡脈沖，在312.5行出現(xiàn)下一個(gè)偶數(shù)場的同步脈沖，奇數(shù)到此結(jié)束，偶數(shù)場開始?一個(gè)奇數(shù)場加上一個(gè)偶數(shù)場合在一起稱為一幀?

2 一般圖像采集卡的原理

一般圖像采集卡的結(jié)構(gòu)如圖2所示?

首先對視頻信號進(jìn)行預(yù)處理和同步分離?預(yù)處理主要是進(jìn)行放大?亮度?對比度調(diào)節(jié)?信號限幅（保護(hù)A/D）?同步分離電路主要是分離出信號中的行同步和場同步信號，供采集卡的時(shí)序電路使用?然后由高速的A/D轉(zhuǎn)換器把處理后的視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在時(shí)序電路的控制下寫入存儲器?

但這樣的采集卡有一個(gè)問題，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)讀取不能同時(shí)進(jìn)行?不妨設(shè)奇數(shù)場掃描期間，每采樣一次就將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入存儲器，在偶數(shù)場期間，計(jì)算機(jī)將存儲器中的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)?但是，由于在計(jì)算機(jī)讀存儲器時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果并不能同時(shí)寫入該片存儲器，即存儲器不能同時(shí)進(jìn)行讀和寫兩種操作，所以會丟掉偶數(shù)場的信息?

3 基于雙內(nèi)存的圖像采集卡的設(shè)計(jì)

為了解決這個(gè)問題，這里用了兩片存儲器進(jìn)行交替工作?當(dāng)給其中一片存儲器寫數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)讀取另一片存儲器的數(shù)據(jù)，反之亦然?這種采集卡的框圖如圖3所示?下面對各部分電路進(jìn)行介紹?

（1）預(yù)處理電路：實(shí)現(xiàn)把標(biāo)準(zhǔn)的全電視信號轉(zhuǎn)化為0~5V模擬信號，并具有亮度調(diào)節(jié)?對比度調(diào)節(jié)等功能?放大器用的運(yùn)放采用寬帶運(yùn)放LM318?

（2）同步分離電路：為了將數(shù)字化后的圖像信號存入相應(yīng)的幀存儲器，必須獲得行同步信號和場同步信號?由于同步信號的幅度最大，占全電視信號幅度的76%~100%的電平范圍，可根據(jù)這一特征采用幅度分離法先將復(fù)合同步信號分離出來?又因?yàn)閳鐾矫}沖的寬度為160μs，遠(yuǎn)大于行同步脈沖的寬度4.7μs，這樣又可在已分離出的行?場復(fù)合同步信號中 進(jìn)一步分離出行同步和場同步出來?

（3）A/D轉(zhuǎn)換器：圖像采集卡中的A/D轉(zhuǎn)換器選用8bit高速視頻轉(zhuǎn)換芯片CA3318CE完成?它的最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)15MHz?由前面的黑白全電視信號的分析可知，每一行圖像約52.2μs，本卡在電視信號每行的行正程期間需采樣512點(diǎn)，采樣時(shí)鐘約為10MHz.因此選用CA3318CE 完全符合要求，只需將其采樣率選在10MHz即可?

（4）控制電路：控制電路的核心器件是一片通用邏輯門陣列GAL20V8?

該電路產(chǎn)生幀存儲器的讀信號MEMR1?MEMR2和寫信號MEMW1?MEMW2以及圖像采集卡所需的工作狀態(tài)信號PC/LOCAL和！PC/LOCAL，電路原理如圖4所示?U33是一片GAL20V8，它工作在簡單模式，管腳18~22配置成輸出，其它配置成輸入?1~6管腳接PC機(jī)的地址線PC_A4~PC_A9，7~10管腳接PC機(jī)的地址線PC_A16~PC_A19，管腳11接系統(tǒng)時(shí)鐘CLK，管腳13接PC機(jī)的PC_IOW信號，管腳14接PC/LOCAL信號，管腳15?16分別接行消隱和場消隱指示信號H_MR和V_MR，管腳17接PC機(jī)的讀存儲器信號PC_MEMR，管腳18?19輸出幀存儲器RAM1的寫信號MEMW2和讀信號MEMR2，20?21腳輸出存儲器RAM1的寫信號MEMW1和讀信號MEMR1，22腳輸出信號PC/LOCAL_CLK作為觸發(fā)器OP6？B的時(shí)鐘，23腳接PC機(jī)的PC_AEN信號?

控制電路還要產(chǎn)生PC/LOCAL信號?該信號必須由PC機(jī)控制?在這里，PC/LOCAL作為PC機(jī)I/O口的最低一位，口地址是220H~22FH，PC機(jī)只需向220H~22FH任意地址寫1或0即可以將PC/LOCAL設(shè)置為1或0?I/O口地址的譯碼由U33完成，可以用ABEL語言描述如下：

IOCS=！（！PC_A4&PC_A5&！PC_A6&PC_A7&！PC_A8&PC_A9&！PC_AEN

PC/LOCAL_CLK=IOCS#PC_IOW

IOCS是端口的選通信號，低電平有效?當(dāng)PC機(jī)的地址線PC_A9~PC_A4為100010時(shí)，PC_AEN為低電平？PC_AEN為高電平時(shí)指示PC機(jī)處于DMA狀態(tài) 時(shí)，IOCS有效?C/LOCAL_CLK由IOCS和PC機(jī)的I/O口寫地址PC_IOW相或產(chǎn)生，當(dāng)端口未選中時(shí)，它一直是高電平;當(dāng)端口被選中后，由PC_IOW產(chǎn)生一個(gè)上升沿?C/LOCAL_CLK的上升沿將觸發(fā)OP6？B，將PC機(jī)的最低一位數(shù)據(jù)線PC_D0鎖存，產(chǎn)生PCLOCAL和！PCLOCAL?

當(dāng)幀存儲器的地址由PC機(jī)產(chǎn)生時(shí)，需要譯碼邏輯?C機(jī)低于1M的內(nèi)存空間分配如表1所示?為了不發(fā)生地址沖突，從表中可知，可以把D0000H~DFFFFH空間作為幀存儲器的映射地址?這部分譯碼工作也由U33完成，用ABEL語言描述：

MEMCS=！（PC_A19&PC_A18&！PC_A17&PC_A16

由式子可知當(dāng)PC_A19~PC_A16為1101時(shí)，MEMCS有效？低電平 ?

幀存儲器的讀信號MEMR1?MEMR2和寫信號MEMW1?MEMW2也由控制電路產(chǎn)生?當(dāng)PC/LOCAL為0時(shí)，PC機(jī)讀幀存RAM1，同時(shí)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入幀存RAM2;反之亦然?讀信號由PC機(jī)的外存儲器讀信號PC_MEMR和譯碼信號MEMCS產(chǎn)生;寫信號由系統(tǒng)時(shí)鐘CLK?行?場消隱指示信號H_MR?V_MR生成?當(dāng)H_MR或V_MR任意一個(gè)為高電平時(shí)，表示現(xiàn)在處于消隱狀態(tài);只有當(dāng)H_MR和V_MR都為低電平時(shí)，表示處于場正程和行正程，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果才寫入幀存儲器?

（5）存儲器：為了實(shí)時(shí)采集和顯示，數(shù)字圖像采集卡中設(shè)置了存儲器?一般對圖像幀存儲器有如下要求：A 高速存取，B 存儲量大，C 非同步輸入輸出的存取?存儲一幀或一場電視信號必須的存儲容量可用下式計(jì)算：

存儲容量=1幀（或1場）的掃描線數(shù)×1行的取樣數(shù)×量化bit數(shù)

在本圖像采集卡中，一場采集的圖像為512×256點(diǎn)，需要存儲容量為128K×8bit的存儲器?在前面硬件框圖中曾經(jīng)討論過，需要兩片幀存儲器交替工作，也就是需要設(shè)置兩片128K×8bit的幀存儲器，分別用來存放奇數(shù)場和偶數(shù)場的數(shù)據(jù)信息，因而選用兩片高速靜態(tài)存儲芯SRAM 628128?

兩片幀存儲器的讀信號MEMR1和MEMR2，寫信號MEMW1和MEMW2均由控制電路產(chǎn)生?其中讀信號與PC機(jī)的讀存儲器信號PC_MEMR有關(guān)，而寫信號與圖像采集卡的采樣時(shí)鐘！CLK有關(guān)?幀存儲器的八位數(shù)據(jù)線D0~D7通過接口電路與PC機(jī)的數(shù)據(jù)線PC_D0~PC_D7相連?

上面提到，把幀存儲器映射到D0000H~DFFFFH，這樣尋址范圍只有64K，而一場的圖像數(shù)據(jù)有128K，故采用地址分段實(shí)現(xiàn)，這可通過對幀存地址線A16進(jìn)行I/O操作實(shí)現(xiàn)?

（6）時(shí)序發(fā)生電路：主要用來產(chǎn)生圖像采集卡所需的幀存儲器的掃描地址信號和實(shí)現(xiàn)同步并避開行逆程的消隱信號?

（7）地址切換電路：該電路用于切換時(shí)序發(fā)生電路產(chǎn)生的掃描地址信號和PC機(jī)的地址信號?需要用二選一的數(shù)據(jù)選擇器來切換PC機(jī)的地址信號和采集卡上的地址信號?通用的集成電路中只找到四位的數(shù)據(jù)選擇器，若選用它則34條地址線需要九片，那將占用了太多采集卡的空間，故而采用GAL器件來實(shí)現(xiàn)?每片GAL16V8可實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)選擇，而GAL20V8可實(shí)現(xiàn)10位數(shù)據(jù)選擇，從而34條地址線僅需3片GAL16V8和1片GAL20V8?

該圖像采集卡已制作完成，經(jīng)測試性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求?該圖像采集卡可用于DOS操作系統(tǒng)?也可用于Windows操作系統(tǒng)?由于采用了可編程邏輯器件大大減少了芯片數(shù)目?

采用攝像頭加采集卡作為傳感器，可解決許多常規(guī)傳感器無法實(shí)現(xiàn)的場合?如在鑄造廠的自動澆注過程中，為了測量砂模中鐵水液位的高度，常規(guī)液位傳感器難以承受1400°C的高溫?即使有這樣的傳感器，因?yàn)橐粋€(gè)砂模澆完以后，又有新的砂模傳送過來，不可能在每個(gè)砂模都插一個(gè)液位傳感器?而采用攝像頭拍攝砂模澆口杯的圖像，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，就能夠計(jì)算出砂模澆口杯內(nèi)鐵水液位高度，解決了自動澆注系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)控制問題?

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