叶面积测定仪的嵌入式系统硬件设计
来源： http://www.grainyq.com/ 类别：实用技术 更新时间：2013-01-24 阅读次
【本资讯由中国粮油仪器网提供】 叶面积测定仪的嵌入式系统硬件设计，使得在测量植物叶面积的时候，十分便利，下面我们就看看该嵌入式系统硬件是如何设计，叶面积测定仪的系统硬件设计以CycloneⅡ系列EP2C70F896C6芯片作为核心，器件具有68416个逻辑单元(LE)，250个M4KRAM存储资源，150个内嵌硬件乘法器和4个锁相环，支持NiosⅡ处理器，可以满足系统设计要求。系统工作流程是：KEY1控制CMOS采集模块开始图像采集，将RGB格式数据存入SDRAM，做图像处理后，由TFT_LCD实时显示图像；KEY2控制结束图像采集，定格显示一帧图像；KEY3控制将处理后的图像数据写入SSRAM，NiosⅡ软核处理器完成叶面积的计算，叶面积数据显示在16×2LCD上。由于系统实时性要求，对于图像采集单元、图像存储单元和图像处理单元用Verilog硬件描述语言设计，由硬件实现相应功能，叶面积计算和系统流程控制用嵌入式NiosⅡ处理器以软件方式实现。
1、叶面积测定仪的图像采集单元
叶面积测定仪的图像采集单元采用Micron公司生产的CMOS图像传感器MT9P031，像素尺寸为2．2μm×2．2μm，信噪比为38dB，动态范围为70dB。图像采集单元包括I2C配置模块、CMOS采集模块、色彩还原模块。I2C配置模块用于配置CMOS的参数。按照I2C总线的写时序，用状态机设计串行时钟信号线I2C_SCLK和串行数据信号线I2C_SDAT，对CMOS寄存器写操作。给地址为03H寄存器配置0x03BF，设定行宽为1600；04H寄存器配置0x063F，设定列宽为960，所以，CMOS的输出分辨率是1600×960。
CMOS采集模块检测来自NiosⅡ的信号capture_start开始采集数据，capture_stop结束采集数据。按照CMOS的输出时序，当帧有效信号FVAL和行有效信号LVAL同时为高电平，在像素时钟信号PIXCLK的上升沿开始采集12位有效叶片图像数据D［11∶0］。采集的叶片图像数据是便于传输的Bayer格式，经过色彩还原模块将其转换成RGB格式。在Bayer格式中，每个像素只表达R，G，B中的一种颜色，要借助这个像素点周围的像素对它进行插值填充另外2种颜色，将图像恢复成全彩色RGB图像。这里用到的插值算法是将2×2模板里的4个像素合并为1个RGB像素，模板中包含1个R，1个B、2个G像素点，先判断像素点所在的行和列是奇数还是偶数，然后取1个B像素为输出的B分量，1个R像素为输出的R分量，2个G像素的均值为输出的G分量，合成RGB格式输出。经过处理后，RGB图像的像素变为原来的一半，即800×480。
2、叶面积测定仪的SDRAM控制器单元
外扩的SDRAM芯片是ISSI公司的IS42S16160B，芯片结构为4M×16bit×4Bank，16位数据宽度，最高工作频率达到166MHz。根据SDRAM内部操作状态之间的联系，用状态机实现SDRAM控制器设计。
在SDRAM数据读写的控制中，由于前端CMOS数据采集工作频率是27MHz，而SDRAM工作在100MHz，TFT_LCD的时钟是33MHz，为了系统的稳定性，在SDRAM控制器模块中，使用FIFO作为读写数据缓存，FIFO的容量大小为512，数据宽度16bit，FIFO采用双时钟、双端口异步操作方式以防止数据丢失。FIFO与SDRAM之间的数据传输采用全页突发传输方式，系统LENGTH设置为256，如果图像采集单元存入write_FIFO中的数据量大于256个字，write_FIFO发出写数据命令，将256个字写入SDRAM指定地址，相应的SDRAM行地址加1，列地址归零，收到Precharge命令之后进行预充电和刷新以保持SDRAM的数据，对下一行进行第二次突发传输，直到图像数据写入完毕，行、列地址计数器归零。当收到读数据命令并且此时写命令无效，控制器从SDRAM中读出256个字到read_FIFO，行地址加1，列地址归零，对下一行读操作，依此类推到图像全部读完，行、列地址计数器归零。
3、叶面积测量仪的图像处理单元
叶面积测量仪获取叶片图像后，为了将叶面与背景有效区分，需要对原始叶片图像进行处理。图像处理数据量大，用软件方式速度慢，以硬件方式做图像处理，可以发挥FPGA的并行处理能力，充分利用EP2C70F896C6丰富的逻辑资源。将RGB图像转换为灰度图像，通过提取RGB图像的单分量图像，即R分量图像、G分量图像、B分量图像，发现B分量图像中目标与背景差异最大，以此将RGB图像转换为B分量图像。对得到灰度图像进行阈值分割，得到二值化图像，由于叶片图像与背景的灰度值差异明显，观察图像的灰度直方图，有很好的双峰特性，所以，用双峰之间的谷底灰度值作为阈值T将灰度图像二值化，大于T的像素值为255，显示为白色；小于等于T的像素值为0，显示为黑色。这样得到了背景为白色，叶片为黑色的二值图像，使叶片从背景中分离出来。
通过实验验证，叶面积测量仪用于离体叶片的叶面积测量稳定可靠。系统可以在原有的硬件架构下改进应用程序，测量叶片其他参数，体现了系统的灵活性。
1、叶面积测定仪的图像采集单元
叶面积测定仪的图像采集单元采用Micron公司生产的CMOS图像传感器MT9P031，像素尺寸为2．2μm×2．2μm，信噪比为38dB，动态范围为70dB。图像采集单元包括I2C配置模块、CMOS采集模块、色彩还原模块。I2C配置模块用于配置CMOS的参数。按照I2C总线的写时序，用状态机设计串行时钟信号线I2C_SCLK和串行数据信号线I2C_SDAT，对CMOS寄存器写操作。给地址为03H寄存器配置0x03BF，设定行宽为1600；04H寄存器配置0x063F，设定列宽为960，所以，CMOS的输出分辨率是1600×960。
CMOS采集模块检测来自NiosⅡ的信号capture_start开始采集数据，capture_stop结束采集数据。按照CMOS的输出时序，当帧有效信号FVAL和行有效信号LVAL同时为高电平，在像素时钟信号PIXCLK的上升沿开始采集12位有效叶片图像数据D［11∶0］。采集的叶片图像数据是便于传输的Bayer格式，经过色彩还原模块将其转换成RGB格式。在Bayer格式中，每个像素只表达R，G，B中的一种颜色，要借助这个像素点周围的像素对它进行插值填充另外2种颜色，将图像恢复成全彩色RGB图像。这里用到的插值算法是将2×2模板里的4个像素合并为1个RGB像素，模板中包含1个R，1个B、2个G像素点，先判断像素点所在的行和列是奇数还是偶数，然后取1个B像素为输出的B分量，1个R像素为输出的R分量，2个G像素的均值为输出的G分量，合成RGB格式输出。经过处理后，RGB图像的像素变为原来的一半，即800×480。
2、叶面积测定仪的SDRAM控制器单元
外扩的SDRAM芯片是ISSI公司的IS42S16160B，芯片结构为4M×16bit×4Bank，16位数据宽度，最高工作频率达到166MHz。根据SDRAM内部操作状态之间的联系，用状态机实现SDRAM控制器设计。
在SDRAM数据读写的控制中，由于前端CMOS数据采集工作频率是27MHz，而SDRAM工作在100MHz，TFT_LCD的时钟是33MHz，为了系统的稳定性，在SDRAM控制器模块中，使用FIFO作为读写数据缓存，FIFO的容量大小为512，数据宽度16bit，FIFO采用双时钟、双端口异步操作方式以防止数据丢失。FIFO与SDRAM之间的数据传输采用全页突发传输方式，系统LENGTH设置为256，如果图像采集单元存入write_FIFO中的数据量大于256个字，write_FIFO发出写数据命令，将256个字写入SDRAM指定地址，相应的SDRAM行地址加1，列地址归零，收到Precharge命令之后进行预充电和刷新以保持SDRAM的数据，对下一行进行第二次突发传输，直到图像数据写入完毕，行、列地址计数器归零。当收到读数据命令并且此时写命令无效，控制器从SDRAM中读出256个字到read_FIFO，行地址加1，列地址归零，对下一行读操作，依此类推到图像全部读完，行、列地址计数器归零。
3、叶面积测量仪的图像处理单元
叶面积测量仪获取叶片图像后，为了将叶面与背景有效区分，需要对原始叶片图像进行处理。图像处理数据量大，用软件方式速度慢，以硬件方式做图像处理，可以发挥FPGA的并行处理能力，充分利用EP2C70F896C6丰富的逻辑资源。将RGB图像转换为灰度图像，通过提取RGB图像的单分量图像，即R分量图像、G分量图像、B分量图像，发现B分量图像中目标与背景差异最大，以此将RGB图像转换为B分量图像。对得到灰度图像进行阈值分割，得到二值化图像，由于叶片图像与背景的灰度值差异明显，观察图像的灰度直方图，有很好的双峰特性，所以，用双峰之间的谷底灰度值作为阈值T将灰度图像二值化，大于T的像素值为255，显示为白色；小于等于T的像素值为0，显示为黑色。这样得到了背景为白色，叶片为黑色的二值图像，使叶片从背景中分离出来。
通过实验验证，叶面积测量仪用于离体叶片的叶面积测量稳定可靠。系统可以在原有的硬件架构下改进应用程序，测量叶片其他参数，体现了系统的灵活性。
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