在TFDS-2T设备中使用的Dalsa HM1400型摄像头是通过RS232串口接口传输方式将所采集的图片传送到采集计算机的。（)

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第1题

面阵CCD的数据采集与微机接口实验目的（1)掌握对面阵CCD输出的复合视频信号进行A／D数据采集的原理和方法

面阵CCD的数据采集与微机接口

实验目的

(1)掌握对面阵CCD输出的复合视频信号进行A/D数据采集的原理和方法；

(2)学习应用面阵CCD进行图像数据采集过程中的系统调整；

(3)学习面阵CCD图像数据采集的基本操作软件；

(4)掌握面阵CCD图像数据的读、写文本文件，数据读写操作与利用文本文件分析图像性质的方法；

(5)学会从大量的图像数据中，找出对应图像边沿和图像特征的方法，为应用面阵CCD进行图像测量打好基础。

实验内容

(1)将面阵CCD输出的视频图像转换成数字图像输入到计算机内存。

(2)将所采集的图像数据以文本文件的方式保存起来。

(3)将所保存的数据文件打开，观察所采的图像数据。

(4)对所采图像按软件提示的方法进行调整与处理。

(5)从图像中各像素点的灰度值中找到实际图像的边界，分析边界数据的特征。

实验所需的主要仪器设备

(1)带有USB2.0输入端口的计算机，推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024×768分辨率，24或32位真彩显示。

(2)彩色面阵CCD多功能实验仪YHACCD-Ⅱ型一台。

实验基本原理

面阵CCD图像传感器输出的信号与线阵CCD不同，它的输出信号不但具有与像面照度成函数关系的图像信号，而且还具有行、场同步信号，这就是视频信号或全电视信号。将图像信号数字化，通常也称为视频信号的A/D数据采集。

视频信号的A/D数据采集方法很多，在图像识别与图像测量等应用领域，常将视频信号的A/D采集数据方法分为“板卡式”和“嵌入式”两种。所谓“板卡式”是指在计算机系统中插入专用的图像采集卡构成的视频信号A/D数据采集系统；而“嵌入式”是指采用具有图像采集与图像处理功能的单片机系统、DSP，或者将计算机系统微型化，而构成的专用视频信号A/D数据采集系统。“嵌入式”系统通常与图像传感器安装在一起成为具有机器视觉功能的传感器系统。

1．基于PC总线或ISA总线的图像采集卡

基于PC总线的图像采集卡(或说以存储器为核心的图像卡)的原理方框图，如下图所示。它也是一种典型的PC总线接口方式的面阵CCD视频信号的A/D采集。

CCD图像传感器输出的全电视视频信号(也可为录像机输出的视频信号)，通过BNC插头送入A/D数据采集计算机接口系统(简称图形卡)，进行数字图像采集工作。送入图形卡的全电视信号被分为两路：一路通过同步分离电路分离出行与场同步脉冲，并将其送入鉴相器，使之与卡内的时序脉冲发生器输出的同步信号相比较，并使卡内时序脉冲发生器产生的行、场同步脉冲与图像传感器输出的同步脉冲同相；另一路视频信号经预处理电路，将视频灰度信号由峰一峰值为1的标准电视信号放大到A/D转换器所需要的幅度，并调整好白电平和对比度后，送给A/D转换电路转换成数字量。时序控制器将数字信号存于帧存储器。考虑到PC总线数据传输的速度低，必须在卡内设置8片64KB的帧存储器，以便适应视频图像频率的要求。

为了能够实时地观察A/D转换后的数字图像，采用查找表与D/A转换器配合，将数字图像转换为模拟图像，经同步合成处理成视频信号输出，供监视器观察。帧存储器存储的数字图像，在时序脉冲发生器和控制电路的作用下，通过PC总线或ISA总线接口，传入计算机内存，从而使计算机在软件的作用下，通过图像卡可以方便地对数字图像进行存储、检测和加、减等各种运算处理。

2．基于高速PCI总线的图像采集卡

随着PCI高速接口总线的出现和完善，使基于PCI接口总线的图像采集卡的结构大大简化。还可以使A/D转换以后的数字视频数据只需经过一个简单的缓存，即可直接存到计算机内存，供计算机进行图像显示和处理；甚至还可以将A/D输出的数字视频图像经PCI总线直接送给计算机显示卡，在计算机终端上实时显示活动的图像。

基于高速PCI总线图像采集卡的原理方框图，如下图所示。

图中的数据缓存器代替了基于PC总线的图像卡硬件原理图中的帧存储器，这个缓存器通常是一片容量小、速度快、控制简单的先进先出(FIFO)存储器，起到图像采集卡向PCI总线传送视频数据时的速度匹配作用，使得插在计算机PCI插槽内的图像采集卡与计算机内存、CPU、显示卡等设备之间形成高速数据传送。

3．基于DMA技术的USB数据采集接口

传统的基于USB的数据采集系统，是采用单片机采集数据再把数据转发到USB总线接口的结构。由于单片机的运行速度较低，数据传输的速度受到单片机读取速度的影响，往往出现由于低速MCU(单片微型计算机)而导致的“瓶颈效应”，从而严重限制了USB高速特性的发挥。因此，在面阵CCD高速图像采集系统中，利用DMA方式对数据进行读写，采用无外部缓冲区的硬件电路结构，用CPLD来控制数据传输的地址和时序，从而实现了高速传输。

DMA(Direct Memory Access)技术是一种代替微处理器完成存储器与外部设备或存储器之间大数据量传输的方法，也称直接存储器存取方法。

下图所示是USB2.0接口的硬件电路示意图，在系统中，采用Philips公司最新推出的ISPl581USB 2.0接口芯片，并应用增强型51单片机AT89C52作为本地CPU，承载固件程序，实现对接口电路的全局控制。

此外，DMA控制器(DMAC)，选用Altera公司的CPLD，负责DMA信号的发出和读取，并控制DMA方式下的数据传输。在对USB总线的控制方面，采用了单片机和CPLD轮流控制的方法，即单片机和CPLD分别在不同的时刻作为接口电路的控制器件。单片机主要完成设备的枚举、DMA请求处理、设置DMA控制器、中断处理、USB协议等方面的工作；而在数据传输阶段，单片机将总线控制权交给DMA控制器，精确控制时序，保证通信成功。因此，DMA控制器是整个数据采集阶段的控制核心，即使是采用低速的本地CPU，也能实现高速数据传输。

4．实验仪用USB图像采集卡的原理与结构

USB图像数据采集卡的基本原理与PC总线图像数据采集卡的原理基本相同，其区别在于，它采用USB总线管理系统对所采的图像数据信号进行串行数据传输，计算机对采集系统的管理和控制，也由USB总线管理系统进行串行数据管理和控制。USB总线A/D数据采集系统的基本原理与结构，如下图所示。由于目前USB2.0系统的运行速度已经很高，已基本能满足面阵CCD输出视频图像A/D数据采集的要求。尤其是USB总线图像数据采集系统，具有“离机”、体积小重量轻、自带电源和各种计算机都能兼容的特点，因此应用更加广泛。并且，它能与“笔记本计算机”兼容，从而使得可在野外进行图像采集。