1、 基 于 A R M 的 嵌 入式 车灯 检 测 系 统 的 设计电信 092 22 李钱波该 系 统把 汽 车 前 照 灯 发 出的 光通 过 光 学 系 统 ， 然后 经 CC D 采 集 和 放 大滤 波 ， 通 过 高速 A D 传 输 到 存 储 器 中 ， 由 A R M 进 行 图像 的 处理 分 析 ， 来 判 断 汽 车前 照 灯的 性 能 。 它 采 用 了 以 A R M7T D MI 为核 心 的 芯 片 S 3 C 4 4 B 0 X 配 合 嵌 入 式 多任 务操 作 系 统 u C OS 一 11 I， 既 方便 了应 用程 序 的 开发 ， 也 同 时 保证 了
2、其 上 各 个 任 务 的实 时性 和 可 靠 性 ， 从 而 实现 了该 系统 的 设计 。关 键 词 ： 车灯 检 测 系统 ， A R M， C C D， 实时性 ， iuC O S 一 1 1Ab s t r a c tI n t hi s pa pe r ， a de s i gn of emb edd ed l i ght de t e c t i n g s y s t em b as e d o n ARM i s i n t r odu c ed T he l i gh t i s r e c ei v ed by CCDa n d t r a n s f e r r e d
3、 t o AR M A R M a n a l y s e s t h e g r a p h a n d d e t e c t s t h e p e r f o r ma n c e o f l i g h t S 3 C 4 4 B 0 X c a n i mp l e me n t c o n v e n i e n c e o f d e v e l o p me n t a n d p r o v i d e d t h e e mb e d d e d r e a l t i me o p e r a t i n g s y s t e m i C OS - A t t h e
4、 s a me t i me r e a l t i me a b i l i t y a n d r el i ab i l i t y of t he e m be dde d s y s t e m c an be c on f i r m e dK e y wo r d s ： l i g h t d e t e c t i n g s y s t e m， A R M， CC D， r e a l - t i me i C OS 一随着 汽 车工 业 的 蓬勃 发 展 ，对 前 照灯 也 提 出 了 更高 的要 求 。一个 好 的前 照灯 应 该具 有 合 适 的 发 光 强度 和
5、照 射 方 向 ， 否则 汽车前方 的 情况 就 不 能 清 晰 易见 ， 或者 给 迎 面驶 来 的汽 车 驾 驶员 造 成眩 目， 妨 碍 视野 ， 这些 都 是导 致 事 故 的 因素 。因此 为 了降 低 行 车事故 ， 确保 行 车 安 全 ， 汽 车 在 出厂 前 ， 其 前 照灯 必 须调 整 正 确 。本 系 统 采 用 AR M 丌 D Ml 的 S 0C 芯 片 $ 3 C 4 4 B O X， 依 靠 其强 大 的功 能 和丰 富 的 片 上 资 源 ，同 时 采 用 嵌 入 式 实 时 多 任 务 操作 系 统 C OS 一 1 I ， 通 过 对 灯 光 信 号 采
6、集 并 进 行 图像 处 理 和 分析 ， 完 成 了 对 汽 车 前 照灯 的 质量 检 测 。 1 硬件设计 嵌 入式 车灯 检 测 系统 的原 理 框 架 如 图 1 所 示 ，其 主要 组 成部 件 为 ： 基 于 AR M7T D Ml 的 S 0 C 芯 片 S 3 C 4 4 B 0 X、 C CD( Ch a r g e C o u p l e d D e v i c e ， 电 荷 耦 合 器 件 ) 、 放 大 滤 波 器 、 高 速 A D 转 换 器 、 L CD 显 示屏 、 存 储 器 F L A S H 和 S D R A M 、 I O 通 道 、译码及看门狗电
7、源监测电路。嵌 入式车灯 检 测 系统 的原 理 框 架 如 图 1 所 示 ， 其 主要 组 成部 件 为 ： 基 于 AR M7T D Ml 的 S 0 C 芯 片 S 3 C 4 4 B 0 X、 C CD( Ch a r g e C o u p l e d D e v i c e ， 电 荷 耦 合 器 件 ) 、 放 大 滤 波 器 、 高 速 A D 转 换 器 、 L CD 显 示屏 、 存 储 器 F L A S H 和 S D R A M 、 I O 通 道 、译码及看门狗电源监测电路。 动 与 处理 电路 便 可 以 构 成 一 个 图 像 采 集模 块 。 这 里 采用
8、T CD1 2 O 8 AP 线 阵 C CD 作 为 图 像 传 感 器 ，具 有 2 1 6 O 个 像元 ， 像 元 尺 寸 及 间距 为 1 4 mX 1 4 m ， 具 有 灵 敏 度 高 、 暗 电 流 低等 特 点 ， 工 作 电压 为 单 一 的 5 V， 为 二 相输 出 的线 阵 C CD 器件 。在 本 系统 中 ，汽车 前 照 灯 所 发 出 的 光 经 菲 涅 耳 透镜 成 像 在其 后 的 光 屏 上 ， 经 T C D1 2 O 8 A P 采 集 图 像 后 ， 由 于 所 得 到 的 信 号含 有 脉 冲 及 噪 声 干扰 并 且 信 号 的 幅值 较 小 ，
9、所 以需 要 经 过 放 大滤 波 环 节 ， 消 除 信 号 中的 脉 冲及 噪 声 等 所 造 成 的干 扰 ， 然 后 放 大信 号 并 送 人 高 速 A D 转换 器 。1 I 2 微 处 理 器 S 3 C 4 4 B O AR M 是 一 款 3 2 位 的 精 简 指 令 集 ( R I S C) 处 理 器 架 构 ，S 3 C4 4 B 0 X 是 S A MS UN G( 三 星 ) 公 司 的 一 款 基 于 AR M 丌 D Ml的 S 0C 芯 片 ， 它 一 方 面 具 有 AR M 处 理 器 的 所 有 优 点 ： 低 功 耗 、高性能 ， 同时又具有非常丰富
10、 的片上 资源 。其特点如下 ： 采用A R M 7 T D M I 内核 ， 内核 电压 2 5 V ， l 0 电压 3 3 V ； 内置锁 相环( P L L ) ， 系统 主频最高 可达 6 6 M H z ； 4 种工作模 式 ， 可 以实现CCD高速AD看门狗电源检监门前照灯菲氏透镜成像板放大滤波 LED 显示器通信模块IO 通道外部设备FLASHSDRAMS3C44BOX键盘电源 管 理 以 降低 系 统 功耗 ； ( 内置 彩 色 L C D 控 制 器 、 丰 富 的 l 0接 E l 和 实 时 时 钟 ( R T C) 。 由 此 可 见 S 3 C 4 4 B 0 X
11、非 常适 合 该 嵌 入式 车 灯 检 测 系 统 的 开 发 。1 3 存 储 器 的 选 择系统 采 用 F L A S H 和 S D R A M 作 为存 储 器 ， 由 于 F L A S H 的可 固化 性 ， 将应 用程 序 烧 写 在 F L A S H 中。 在 图像 采 集 系 统 中 ， 对系 统 的 实 时 性 要 求 比 较 高 ， 而 且 数 据 容 量 要 求 比 较 大 ， 而S D R A M 有 较 高 的 工 作 频 率 和 大 的 存 储 容 量 ，所 以 在 系 统 工 作时应 该 选 择 S DR AM 作 为系 统 的 主存 ， 来 存 储 从 A
12、 D 过 来 的数字 信 号 ，并 将 存 储 在 F L A S H 中 的 程 序 拷 贝 到 S D R AM 中来 运行 ， 从 而 提 高 了 系统 的实 时 性 。2 软 件 的 设 计实 时性 是 系统 中一 个 非 常 重 要 的指 标 。 为 了使 得该 检 测 系统 能 够满 足苛 刻 的实 时 性 要 求 ， 在该 系 统 的 软 件 设 计 中 ， 要采 取相应 的 策 略来 保 证 系 统 的实 时 性 。在 系统 中 ， 要保 证 诸 多 任 务 按 时 、 有 序 、 高效 地 完 成 。 如 果 采用传 统 的软 件 设 计 方 法 进 行 设计 ，不 仅 难
13、以保 证 各 任务 对实 时性 的要 求 ， 而且 致 使 代 码 变 得 复 杂 ， 维 护 工 作 量 大 。 嵌 入 式 多 任务 操 作 系统 u C OS 一，将 系 统 上 所 需 完成 的功 能细 化 成 为 几个 任 务 ， 由 uC OS 一内核 进 行 实 时 调 度 ， 实现 了多任 务 的 并 行执 行 ， 使 系 统 的 可靠 性 和 实 时 性 得 到 了 大 幅 提 升 。uC OS 一是 一 种 开 放 源 码 的 实 时 嵌 入 式 操 作 系统 ，它 的全 名 是 Mi r c o C o n t r o l l e r Op e r a t i n g S
14、 y s t e m V e r s i o n 2 ，是 基于优 先 级 的 可 裁剪 的抢 占式 实 时 多 任 务 内核 ，它 包 含 了 实 时 内核 、 任 务 管 理 、 时 间 管理 、 任 务 间 通 信 同 步 ( 信 号 量 、 邮 箱 、 消息 队列 ) 和 内存 管理 等 功 能 。2 uC OS 一在 S 3 C 4 4 B 0 X 上 的移 植uC O S 一 的 软 件 体 系 结 构 ， 它 包 括 应 用 程 序 软 件 、 与 应 用相 关 的代 码 、 与 处 理 器 无 关 的 代码 和 与处 理 器 相 关 的 代 码 。应 用 程 序 软件 是 用
15、户 根 据 需 求 来 编 写 的代 码 ，用 来 完 成 用户所 需 的 任 务 。 与 应用 相 关 的代 码 可 以让 用 户 根据 自己 系统 来定 制 合 适 的 内 核 服 务 功 能 ， 通 过 这 部 分 代 码 可 以 实 现 对 u C OS 一的裁 剪 。与 处理 器无 关 的代 码 就 是 通 常 所 说 的操 作 系统的 内 核 ， uC OS 一所 有 系 统 服 务 均 由 内 核 提 供 ， 内 核将 应 用 系统和底层硬件有机的结合成一个实时 系统 。要使 同一个 内核 能适 用 于不 同 硬 件 体 系 ， 就 需 要 在 内 核 和 硬 件 之 问 有 一
16、 个 中间 层 ，这 就 是 与 处 理 器 相 关 的代 码 ， 处 理 器 不 同 ， 这 部 分 代 码 也 不 同 ，所 谓 移 植 ， 就 是 编 写 与 处 理 器相 关 的代 码 。将 c OS 一移植 到 AR M 处 理 器 上 ， 需 要 修 改 5 个 文 件 ：主 头 文 件 I N C L UD E S H、 系 统 配 置 文 件 OS C F G H、 以 及 3 个与 A R M 处 理 器 相 关 的 文 件 ( OS _ C P U H， OS CP U _ A A S M，OS CP U C C) 。它 们 用 来 实 现 相 应 的数 据 类 型 和宏
17、定 义 ， 以 及相 关 的 函数 ( 任 务 堆 栈 初 始 化 函 数 、 钩 子 函数 和 处 理 器相 关 的 函数 ) ， 从 而 实 现 uC O S 一在 S 3 C 4 4 B O X 上 的 移植 。2 l 2 系 统 任务 划分 及调 度uC OS 一的 内核 是 可 剥 夺 型 内 核 ， 对任 务 的 调 度按 优 先级 的 高低 顺 序 来进 行 ，最 高优 先 级 的任 务 一 旦 就绪 ，总 能 得 到CP U 的 使用 权 。在 任 务 划 分 中 ，是将 系统 中所 有 要 处 理 的 事情 划 分 为 一 个个相 对 独 立 的 任 务模 块 ，所 有 待
18、处 理 的任 务模 块按 顺 序 建 立 一个 个任 务 ， 并分 配 任 务 的 优 先 级 。 在 主 程 序 中 ， 所需 要做 的 工 作只是 建 立 这 些 模 块 的任 务 ，然后 每 次执 行 就绪 任 务 队 列 中 优 先级 最 高的 任 务 。该 检 测 系 统 几 个 任 务 的优 先级 从 高 到 低 的 排 列 次 序 为 ： 系统监 控 任 务 、 图 像 采 集 、 图 像 处 理 、 图像 分 析 算 法 ， 键 盘 输 入 、 液晶显 示 。 系统 监 控 任 务用 以 管理 其 它 各 个 用 户 ，因 此优 先级 最高 。其 次 图像 采 集 的实 时 性
19、 要 求最 高 ， 因 此 优 先级 其 次 。其 它各任 务 的优 先 级 按任 务 重 要 的顺 序 依 次 排 列 。 系统 中 每个 任 务 都有 5 种 基 本 状 态 ： 休 眠 、 就 绪 、 运 行 、 中 断 和 等 待 状 态 ， 所 有 任 务都在 这 5 种 状 态 下 进 行 实 时 切换 ，任 何 时 刻 只 能 有 一 个任 务 处于运 行 状 态 。 为 了 增 加 系统 的 可靠 性 ， 使 用 监 控 任 务 来 保 证 重 要任 务 的 正 常 运 行 ， 同 时 使 用 u C OS 一 的 函 数 OS T i me T i c k ( 上接 第 7
20、页 )的 ； 辐 射 噪声 水平 的上 升 是 由于 数 字 控 制 器 引 入 了 高 频 成 分 ，导致 高 阶模 态 被 激 发造 成 的 。4 结 束 语本 文 基 于 MA T L A B x P C T a r g e t 硬 件 平 台 、 对 一 表 面 粘 帖 有压 电传 感 器 和 执 行 器 的 复合 材料 薄壳 结构 进 行 了 振 动 主 动控 制实 验 研究 ， 实 验 结果 表 明 了基 于 MA T L A B x P CT a r g e t 硬 件 平 台构 建 的 实 验 系统 能够 方 便 地 用 于 实时 控 制 。H o o k ( ) 来实现苛刻
21、的实时性任务。2 3 图像 处理 任 务从 C CD 所 得 到 的 图像 不 仅 仅 含 有 前 照 灯 的 图 像 ， 而 且 还 包括 前 照 灯 的 图 像 以外 的 图像 ， 所 以首 要 的 任 务 是 ： 从 C CD 所 得到 的图 像 中 提取 前照 灯 图像 的轮 廓 。所 谓 轮 廓 就 是 指 图像 局 部亮 度 变 化 最 显 著 的 部 分 ，它 是 检测 图像 局 部 变 化 显 著 变化 的最 基 本 的运 算 。 对 于 数 字 图像 ， 这 个显 著 变 化 可 以用 梯 度 来 表示 。对 于 数 字 图 像 ， 可 以用 一 阶 差 分代 替 一 阶微
22、分 ， 有 ：Ax f ( x ， y ) = x ， y ) 一 f ( x -1 ， y )Ay f ( x ， y ) = ， ( x， y ) - f ( x ， y -1 )求 梯 度 时 对 于 平 方 和运 算 及 开 方运 算 ，可 以 用 两 个 分 量 的绝对值 之和表示 ， 如( 1 ) 所示 。这里提取 轮廓 的任 务采用 S o b e l梯 度算 子 ， 该 算 子 是 先 做 成 加 权 平 均 ， 再 微 分 ， 然 后 求 梯 度 ， 如( 2 ) 、 ( 3 ) 和( 4 ) 所示 ：G【 f ( x， y )l =【 Ax f ( x ， y ) J +【
23、 Ay f ( x ， y ) J I Ax f ( x， y ) I + l Ay f ( x ， y ) I ( 1 )Ax f ( x ， y ) = f ( x -1 ， y +7 ) + 。 ( x ， y +1 ) + ， ( x +1 ， y +7 ) 一 f ( x 一 1 ， Y 一 1 ) 一 2 f ( x ，y -1 ) - f ( x +7 ， Y 一 7 ) ( 2)Ay f ( X ， y ) = f ( x -1 ， y -1 ) + 2 f ( x -1 ， y ) + ， ( x 一 1 ， y +1 ) 一 ， ( x +1 ， Y 一 1 ) 一 2 f
24、 ( x +1 ， y ) - f ( x +1 ， y +7 ) ( 3)G【 f ( x ， y ) J = I Ax f ( x， y ) + ( x ， y ) I ( 4 )图 像 处 理 任 务 先 将 从 C CD 得 到 的 图 像 中所 有 的像 素 点 的梯 度 值 都 求 出 来 ， 采 用 一 个 合 理 的 阈值 ， 梯 度 小 于 这 一 阈 值 的像素点 表 示 前 照 灯 图 像 轮廓 上 以 外 的 图 像 ，这 样 就 可 以得 到 图像的边 缘 轮 廓 了 ， 为后 面 的 图像 分 析 任 务 做 准 备 。2 4 图 像 分 析 任 务提 取 出 前
25、照 灯 图 像 的 轮 廓 后 ，图 像 分 析 任 务 用 于 判 断 所 得到 的前 照 灯 的 图 像 与 前 照 灯标 准 之 间 的 差 异 ，它 通 过 遍 历 前 照灯 的 图像 像 素 的 光 强 ， 与 标 准 中 的值 做 比较 ， 从 而 得 出 汽 车 前 照灯 质 量 的好 坏 ， 并 可 以报 警 通 知 且 通 过 L CD 显 示 屏 显 示 出 哪 些区域 质 量 不 合 格 。3 结 束 语该 嵌 入 式 车 灯 检 测 系 统 能 够非 常 方 便 地 检 测 出 汽 车 前 照 灯质 量 的好 坏 ， 可 以在 汽 车 下 线 时 迅 速 地 对 其 前照 灯 做 出判 断 。 因为 采 用 了 S 3 C 4 4 B O X 微 处 理 器 ， 又 以 实 时 嵌 入 式 多任 务 操 作 系统 u C OS 一为 核心 进 行 系统 的 程 序 设 计 ，既满 足 了 系统 的实时 性 的要 求 ， 同 时在 其 上 也 方 便 了程 序 的开 发 和 维 护 ， 因此 具 有非 常 良好 的 市 场 前 景 。
