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关键词： CMOS图像传感器   照度测量   STM32F407ZE   嵌入式系统  

摘要： 随着物联网技术的发展,照明系统的智能化成为目前研究的热点之一,传统的光照传感器由于其固有属性无法满足智能照明精确检测和测量范围的要求,开发了一种快速准确的照度及照度分布检测系统,能够达到智能照明系统精准化照明控制的要求,是实现舒适性和节能性照明的前提。本课题围绕智能照明系统中照度检测方法展开研究,通过分析传统的光照传感器存在的弊端和工程应用存在的问题,提出了将CMOS图像传感器应用于照明环境中照度测量的方法。分析了利用CMOS图像处理进行照度测量的可行性；对图像采集、图像预处理、照度的图像测量方法进行了比较深入的研究；设计了基于CMOS图像传感器的嵌入式照度检测系统,实现了实时照度分布测量等功能,并对系统进行了测试。课题主要研究的内容有以下几个方面：(1)提出了利用CMOS图像传感器实现光环境照度的检测方法应用于智能照明的思想,并开发基于CMOS图像传感器的嵌入式系统。从理论上分析了照度与图像灰度、传感器增益、曝光时间、物体反射率等因素的关系,论证了CMOS图像传感器测量照度的可行性。(2)提出了将图像灰度归一化处理,并采用最小二乘法及通过实验数据进行曲线拟合,建立归一化图像灰度与亮度间的函数关系,根据物体亮度和照度的关系,进行参数标定,确立了物体的反射率,实现了照度及分布的检测。(3)完成了系统的总体架构设计,确定了系统开发的技术路线,明确了系统的功能,通过方案对比,确定了以具有高速浮点数据处理能力的STM32F407ZE为核心,以OV7670为CMOS图像传感器,结合图像采集与存储等电路的硬件结构。(4)完成了系统软件设计,确定了硬件驱动层、操作系统层、应用层的三层软件架构,完成了底层驱动编写、μC/OS-Ⅱ实时操作的移植及应用层图像采集、照度测量、参数配置等任务的实现；通过DCMI结合DMA传输单元进行图像的快速采集,使用浮点运算单元(FPU)来提高运算速度,并完成了图像处理相关算法,使系统实时性得到了保证。(5)进行了系统测试,通过开发的上位机配置工具对照度测量系统进行标定及参数配置,实现了照明环境中照度及照度分区测量,并对图像采集、照度测量、参数配置等功能进行测试,测试结果表明,该系统能够满足智能照明系统的照度检测需求,具有一定的实际应用价值。

关键词： 骑行台   无线通讯   嵌入式系统   WPF   Unity3D  

摘要： 随着环境的恶化,室内健身骑行台逐渐开始走进大家的视野范围内,其成本低、使用简单、不受环境因素影响的特性而被大众所接受。目前的骑行台大多属于机械式架构,未能有效地与智能终端连接以及实时控制,尤其无法通过家用Windows平台直接连接和控制。随着经济水平的发展,已经无法满足人们对日常健身训练数据可视化以及训练的互动性、趣味性的需求。在技术的迅速发展的今天,开发一款能在Windows平台的智能骑行台软件训练系统具有较大的实际意义。本文对现有的国内骑行台进行了综合分析,针对现有产品通讯能力差、软件平台单一、趣味性差、功能单调以及互动性不强等问题,设计了开发智能骑行台软件训练系统的方案,该研究涉及了嵌入式、WPF与Unity3D等相关技术。本文的主要工作如下:1.首先设计了嵌入式无线通讯设备框架。通过使用射频模块解决通讯能力上的问题,设计并实现了一对多、低延迟的通讯方案,同时完成了对数据的实时解析和分类功能。2.基于大量前期的测试数据,利用最小拟合误差的傅里叶展开拟合算法对离散的坡度数据进行自适应处理,根据不同行驶情况与训练样本对比实现训练的实时反馈,从而提升室内骑行的真实性与趣味性。3.设计了一个基于XML的轻量级数据库,实现了用户训练数据的存储,提升数据的可读性;考虑到产品的可持续性和产权保护,通过蓝牙MAC地址和CRC16算法设计了一套实用性高、成本低的序列号计算方案。4.基于WPF框架设计了Windows平台的客户端,解决了软件平台单一、功能单调的问题,并使用Unity3D技术设计了一款人机交互的虚拟实景骑行游戏,为用户带来沉浸式的体验感。通过大量实际测试验证了本文的可行性与稳定性,时延被有效地控制在毫秒级以内,并实现了人机交互的多点通讯,为未来全息实景骑行平台提供了支持。

关键词： 机器视觉   嵌入式系统   色选系统   图像处理   DSP  

摘要： 机器视觉色选系统是集光、电、气、机及图像处理为一体的智能化分选设备,一般分为黑白色选系统和彩色色选系统。目前,彩色色选系统通常采用计算机作为图像处理的核心,该系统具有体积大、筛选效率低的缺点。随着国民经济的不断发展,人们对于彩色色选系统的分辨能力、识别精度和筛选效率提出了越来越高的要求。本文研究基于机器视觉的嵌入式色选系统,嵌入式系统具有集成度高、实时性好、功耗低、可靠性高的特点,将其应用于彩色色选系统具有广阔的应用前景。本文以DALSA的彩色线阵CCD相机为传感元件,以FPGA XC3S500E和DSP TMS320DM6437为处理核心,设计图像采集单元、图像处理单元、图像显示单元和筛选执行单元,完成彩色色选系统的嵌入式平台设计。采用FPGA IP核技术构造双口RAM,实现图像数据存储与读取的分离控制。设计FPGA与DSP的EMIF通信接口,通过VHDL语言编程实现FPGA与DSP的数据交换。编写VGA显示电路的驱动程序,以640?480的分辨率显示相机所采集的彩色图像。以破损花生为试验对象,采用仿真工具MATLAB研究有关的图像处理算法,包括以下几个方面:采用RGB颜色模型统计和分析图像中不同区域的像素值,据此实现破损区域和花生颗粒的识别;研究不同的图像滤波算法,选取并改进中值滤波算法,实现图像中脉冲类噪声的滤除。采用形态学运算,消除图像中的点状和孔状噪声,平滑物体边界轮廓。采用8邻域链码算法实现花生的轮廓检测,识别花生颗粒并计算每粒花生的破损面积。同时根据轮廓线坐标计算花生的周长、面积、长短轴、形心等几何参数。在嵌入式机器视觉色选系统上,移植与测试图像处理算法。建立CCS工程,并配置工程文件,采用C语言编写破损区域检测、中值滤波、形态学运算和连通域检测的程序。通过编写的程序处理工业相机采集的图像,测试每个程序的处理效果和运行时间。最后,实现两种破损检测算法,并根据试验结果分析两种算法的适用范围。

关键词： 嵌入式系统   图像处理   QR码  

摘要： 嵌入式图像处理系统在日常生活、商品流通及工业生产中使用广泛,作为一个嵌入式系统,其使用简单,功耗小,作为图像处理系统其在指纹识别、条码识别、文字识别、人脸识别等领域皆有应用,其中条码识别是本论文的应用立足点。随着条码技术发展产生的各种一维、二维甚至多维的条码出现在各个商品及移动支付端上,成为物联网的核心和机器视觉一大应用领域,而在国内目前应用最多的二维码是由日本公司"Denso Wave"发明的QR码（Quick Response Code）,本论文讨论的即是图像处理下的QR码识别,内容上主要包括使用SoC（System On Chip）实现图像视频采集显示终端,并开发QR码译码算法,实现QR码识别显示。本论文选择的SoC平台为DM8127,并对平台及其在Linux下开发环境搭建的方法,以及嵌入式开发过程进行了介绍。同时设计了基于IPNCRDK V3.8开发包的DM8127数据采集流程,使用LINK进行串接的方式实现从前端MT9J003CMOS输出YUV数据以及后续的核内核间数据处理。作为系统计算单元的DM8127是多核芯片,主核心Cortex-A8运行Linux系统,控制VPSS M3进行视频采集,同时控制Video M3编码视频流为H.264格式,最后再通过Cortex-A8将图像数据发送到网络。为了控制处理过程和对处理结果进行观察,基于QT开发了显示客户端,使用FFmpeg进行编解码,最终实现自定义协议控制和网络图像数据显示。针对采集到的包含QR码的图像数据,设计了QR码识别算法,并移植到SoC平台,实现了QR码嵌入式实时识别显示。在QR码采集识别过程中,采集到的实际图像一般都存在缺陷,包括变形、倾斜、照度不均等,因此本论文在分析了QR码结构特征以及编码方法的基础上,设计了QR码图像处理方法,实现了一幅图像中多个QR码图像的准确分割,以及缺陷图像的校正,保证了译码的准确度,最后完整地完成了SoC嵌入式系统上的QR识别译码流程。

关键词： 水土保持   数据采集   嵌入式系统   GPRS DTU  

摘要： 水土保持自动数据采集综合了通信、电子和微计算机等多学科技术,是对水土保持信息进行实时测报的自动化系统。水土保持监测范围广,大部分监测点都在野外,环境恶劣且无人值守。水土保持监测设备采集到的数据需要实时传回数据中心,但目前大多使用RS-232串口协议进行通信,其最大传输距离不超过15m,显然不能适应远程水土保持监测的通信需要。因此,设计出一套能够实时、稳定、远距离将串口数据传回水土保持数据中心的系统十分必要。基于我国水土保持采集数据传输的特点和需求,论文选择GPRS通信方式,设计出了面向水土保持自动数据采集的GPRS DTU。GPRS具有覆盖广、永远在线、费用低等特点,应用于水土保持数据的远程传输是一种较为合理的选择。该GPRS DTU将串口设备采集到的数据转化成TCP/IP数据包并通过GPRS网络传回数据中心,以低廉的代价解决了水土保持数据的远程传输问题。根据ISO七层网络模型,串口实际上只包含了物理层和数据链路层,而TCP/IP属于传输层和网络层,串口转以太网的本质是将串口的数据作为TCP/IP的应用层数据用TCP/IP封装的方式进行传输。GPRS DTU在获取水土保持监测设备的数据后,即通过水土保持监测中心的IP地址和端口号向监测中心发起TCP连接请求,监测中心接收到请求后与GPRS DTU建立TCP连接,水土保持监测设备即可通过GPRS DTU与水土保持监测中心建立起通信。测试表明,论文设计的GPRS DTU可实现预期功能:水土保持串口设备向GPRS DTU发送的数据,最终服务器端能够成功的与该GPRS DTU建立通信并发送数据。

关键词： 嵌入式系统   混合高斯模型   改进的卡尔曼滤波   DM6446   达芬奇技术  

摘要： 智能交通系统作为跨世纪的经济增长点,早在20世纪中期就已经得到众多发达国家的关注。就目前我国交通运输系统的现况来讲,智能交通系统的建设已成为一种必然性。本文以基于OpenCV的车流量检测与跟踪算法的开发为基础,提出了一种基于改进的kalman滤波自适应混合高斯背景建模和基于目标特征与kalman滤波器相结合的团块跟踪算法。并利用实地交通监控视频对算法进行检测,将检测后有效的算法移植到开发板DVS6446中,以完成基于达芬奇技术的嵌入式车流检测与跟踪系统的研究。论文的关键内容与工作有以下方面：1、提出了一种基于改进的kalman滤波自适应混合高斯背景建模和基于目标特征与kalman滤波器相结合的团块跟踪算法。主要是针对传统混合高斯背景建模进行分析,并做了算法改进。同时对现有主要跟踪算法做了比较,选择了适合本文应用系统的目标跟踪算法。2、深入学习芯片DM6446的软硬件结构与软件开发流程。完成DM6446开发环境的搭建。如Linux开发环境搭建,SDK开发套件的安装及开发板启动程序和内核的裁剪与烧写。同时对开发环境参数进行了具体配置。3、算法的移植及嵌入式系统的移植。要完成这两项,首先认真学习包括Codec Engine、Codec .Server、xDM和xDAIS等相关内容,通过算法创立,引擎的配置,Codec Server的生成,以及引擎的集成,最终生成ARM端应用程序。4、对该系统进行效果检测。统计实验数据,给出误检与漏检的分析结果,并结合数据,做出城市交通车流量变化趋势图。

关键词： 嵌入式系统   串行RapdiO   IP核   验证  

摘要： 随着嵌入式处理技术、通信和网络技术的飞速发展,各类嵌入式系统对系统内部高速互连提出了更高的要求,在传统的数据总线已经不能满足高速率要求的情况下,出现了RapidIO系统内部互连技术,其具有高带宽、低延时、高可靠性、低引脚数和结构灵活等优点,为嵌入式系统高速率数据传输提供了一种理想的解决方案。本文针对RapidIO协议,主要进行了以下工作：1.对RapidIO 2.1协议进行研究：结合文中RapidIO IP核的具体设计和实现方法,分析了RapidIO协议的三层体系结构：逻辑层、传输层和物理层以及它们各自的功能；分析了协议中所规定的事务操作类型、各种操作的具体执行过程和承载事务的数据包格式；以及用于用于流量控制、包定界、错误管理的控制符格式。2.对串行RapidIO 2.1协议的实现：在对协议分析和研究的基础之上,运用Verilog硬件描述语言实现了串行1x/4x模式的RapidIO IP核的RTL级设计,其中包括逻辑层发送和接受模块、发送缓冲器和接收缓冲器模块、以及串行物理层模块,其中串行物理层模块又分别包括串行协议层模块、物理编码子层模块（PCS）和物理介质附属层（PMA）模块,给出了各个模块的RTL级综合电路图、详细分析了各个模块的功能和信号端口,并给出了各个模块功能验证的仿真结果图。3.对IP核进行验证和仿真：将设计的RapidIO核作为整体与Xilinx公司的商用RapidIO核进行互连操作以验证其能够正确描述RapidIO协议,具体测试了其作为主器件和从器件模式下的读（NREAD）、写（NWRITE）、带响应写（NWRITER）、流写（SWRITE）以及本地和远端维护读／写（MAINTENANCE READ/MAINTENANCE WRITE）等协议中常用基本操作；由对其作为主和从器件模式下的验证可知其能够正确发起请求事务以及处理接收到的对方发送过来的事务,成功建立了高速数据发送和接收通道。由设计的IP核与成熟的商用RapidIO核互连操作仿真的结果可知,其能够正确实现RapidIO 2.1协议规定的基本操作,各项性能达到了预期效果,为后续嵌入式芯片的高速串行通信接口的研制和应用奠定了良好基础。

关键词： 定位浮标   嵌入式系统   现场可编程门阵列   存储器  

摘要： 水声定位浮标是长基线定位系统的水下工作设备,负责检测与定位水下目标以及和母船指挥系统的通信与数据传输。浮标需要实现原始声源信号的采集、处理、存储以及和母船指挥系统的通信等众多功能。本论文围绕着原始信号的采集、存储以及通信控制功能设计展开。水声定位浮标的数据存储和通信控制平台采用ARM作为主控单元,并由FPGA来扩展ARM的接口能力和逻辑控制。在ARM中移植了 Linux操作系统,方便实现ARM的事务层多任务管理能力。通过Linux下应用层编程和底层设备驱动编程,使得ARM具有网络通信、与FPGA通信、电量监测、系统值班等功能。FPGA主要完成接口扩展和逻辑控制,接口扩展主要是和信号处理平台的McBsp通信接口。逻辑控制主要包括控制AD采集、控制数据的缓存与传输、控制Nand Flash存储、ARM总线的管理逻辑以及系统同步脉冲的逻辑。FPGA是数据的采集、缓存与传输的重要节点,配合ARM实现数据的高速存储与传输。论文首先对数据存储和通信控制平台涉及的相关技术及发展状况作简单的综述,其次结合系统需求的指标,给出了核心器件的选型以及主要功能模块的硬件设计方案,在此基础上完成了与显控平台的通信指令和数据传输、与浮标内数字信号处理平台的通信控制、同步脉冲触发、浮标的电量监控和值班控制以及原始数据的采集、分发和存储功能的软硬件调试。本论文所完成的软件模块和硬件平台经历了松花湖湖试试验,试验结果表明浮标能够很好的实现数据的采集、存储与传输,完成了和指挥平台的指令通信与数据交换,该平台的数据传输速率和误码率均能达到工程实用需求,湖试结果证明了本论文所完成内容的可行性和实用性。

关键词： 轻武器   校准   嵌入式系统   图像处理   Hough变换  

摘要： 枪械验收的重要指标之一是其击打目标的准确度,瞄准装备被誉为“轻武器之眼”,其瞄准的精确与否直接影响武器性能的发挥。但目前的瞄准装备存在着使用不便,校准精度不高,对枪膛造成磨损等缺点。本文将嵌入式系统与图像处理技术巧妙地结合在一起,设计了一种新型的轻武器电子校瞄系统。系统利用图像处理算法,通过获取瞄具与枪体的相对位置关系,来完成对轻武器的校准。本文主要工作如下:1.完成了轻武器电子校瞄系统的硬件电路设计。硬件系统能够实现图像的采集,解码,编码,并且能利用图像处理算法获得枪口中心轴线坐标,准星基座相对于0°基准线的偏移角度,同时获取枪口中心位置与十字光标的相对位置关系,并存储在FLASH中。2.根据校瞄系统的要求,设计了枪口中心位置识别算法。系统算法采用Hough变换,首先对已有的Hough变换算法进行了分析,然后结合本系统的功能需求,设计了一种基于随机Hough变换的改进算法,可准确识别枪口位置。3.设计了轻武器电子校瞄软件系统。根据系统功能需求完成了底层驱动的设计,实现了枪口中心位置识别算法由基于PC的MATLAB环境向基于DM642的嵌入式软件环境的移植,完成了图像处理的硬件实现方法,对软件系统进行了优化设计,最后在实验室的条件下对所设计的系统进行了验证。本文所设计的轻武器电子校瞄系统通过CCD图像采集设备采集枪口图像信息,利用Hough变换算法获取瞄具与枪体的相对位置关系来完成校准,属于一种无损校枪装置,可以延长轻武器的使用寿命,为轻武器的校准提供了新的方法,并且可在狙击现场对轻武器进行校准,提高武器射击精度。

关键词： 挖掘机   数据链路   轨迹规划   三维仿真   负载口独立控制   嵌入式系统   阀芯位移  

摘要： 液压挖掘机是功能典型、结构复杂、用途广泛的工程机械之一。随着计算机控制和通讯技术的飞跃,挖掘机也正在向更节能、更智能演进。智能挖掘机可提高作业精度与效率,也可应用于危险、恶劣的特殊环境。负载口独立控制技术利用两个换向阀分别控制执行元件的进、出油口,进而控制执行元件的运动速度。将负载口独立技术应用于挖掘机,利用增加的控制自由度提升挖掘机液压系统的节能性以及控制性能,是负载口独立技术研究的重点之一。本文以挖掘机智能控制系统及负载口独立阀控制器为研究对象。首先架构系统各节点的软硬件方案,并重点对数据链路的设计实现进行研究。接着,建立工作装置的运动学模型,研究其轨迹规划方法。搭建挖掘机实体三维仿真环境,采用骨骼动画方法实现模型的精确控制。最后,提出负载口独立多路阀控制器的功能需求并进行软硬件设计。搭建模拟负载测试回路,通过实验进行主阀芯位移闭环控制的研究。本文各章节主要内容如下：第一章为绪论部分,提出本文的研究背景和意义,介绍了国内外四个层次的挖掘机智能控制系统以及负载口独立控制系统的研究现状。在此基础上,提出本文的研究内容。第二章基于系统各设备端的功能和控制流程,提出数据链路信息流程,讨论各节点的硬件选型及软件功能架构。对数据链路中Redis数据库服务、基于TCP的数据传输服务、基于CAN总线的数据传输服务、Server/Client网络通讯的设计实现进行了研究,提出提高数据传输时效性和无线设备连接可靠性的措施。第三章基于D-H坐标系,建立了工作装置(含回转)的运动学模型,推导其驱动空间与铲斗齿尖笛卡尔空间坐标系之间的正逆解解算算式。通过编写轨迹规划程序,研究加速度连续的铲斗齿尖直线轨迹和单关节轨迹的规划方法。第四章基于OGRE图形引擎与骨骼动画方法,搭建目标挖掘机可运动学操控的三维实体仿真环境,实现精确的模型运动参数化控制和反馈。通过在仿真环境中复现轨迹规划结果,分析了仿真误差及其来源。第五章基于负载口独立多路阀控制器的设计需求,选型控制核心和传感器,设计相关电路原理并制作控制器电路板。基于DSP TMS320F28335控制核心和SYS/BIOS嵌入式操作系统,进行阀控制器多任务实时控制软件架构的研究。搭建基于溢流阀与节流阀的模拟负载测试回路,通过主阀芯位移阶跃响应和正弦信号跟随实验,分析中位卸荷机能先导阀的主阀芯控制问题并提出优化方案,还探讨了多种改进PID算法对阀芯控制效果的提升。第六章总结全文,对下一步工作进行展望。