一种机器人视觉系统模块的设计
四、FPGA接口模块
FPGA采用Xilinx公司的xc2s100，这款芯片内部集成了10000个逻辑门。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)书写。为了提高数据的传输速率，在xc2s100 内部分配了2个双口RAM缓冲区，其大小为127KB，每个双口RAM存储1行的图像数据。两组双口RAM进行奇偶行计数器进行切换。当一行存储完毕后，立即向SH4传生一个读取该行数据的中断的申请信号。FPGA内部结构如图2所示。
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这里主要问题在于FPGA内部的双口RAM读写操作共用同一数据总线和地址总线，当同时进行读写操作的时候就会产生时序问题导致写入或读出的数据错误。在这两个过程中为了防止数据和地址总线冲突，在FPGA内部设计了一个中央总线仲裁器。根据公共数据传输的先后顺序，中央仲裁器先接受图像传感器的总线请求，当图像存储到RAM之中后，中央仲裁器才响应单片机系统的读信号请求。
这里给出双口RAM的构造及读写控制程序：
Entity dual_port_ram is
Generic(d_width:integer:=2;
Mem_depth:integer:=8);
Port(clk:in STD_LOGIC;
CS:in STD_LOGIC;
We: in STD_LOGIC;
Indata: in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
Outdata:out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
Raddr,waddr:in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
End dual_port_ram ;
Architecture data of dual_port_ram is
Type mem_type is array(3 downto 0) of
STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
Signal mem:mem_type;
Begin
Process(clk,we,waddr)
Begin
If(rising_edge(clk))then
If(we='1')then
Mem(conv_integer(waddr))<=indata;
End if;
End process;
Process(raddr,clk)
Begin
If(rising_edge(clk))then
If(CS='0')then
Outdata<=mem(conv_integer(raddr));
End if;
End if;
End process;
End data;
在MAX Plux II中的波形仿真图如图3所示：
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五、单片机模块
本系统采用SH4芯片作为处理器：SH4单片机是日立公司推出的一款低功耗、高性能，RISC(精简指令集计算机)结构的全32位单片机。其处理速度可高达60M IPS一100MIPS，能在2.25v电压下工作，功耗仅400MW片内集成有32位乘法器、4路5KB CACHE、存取器管理单元MMU和其它一些通用接口及时钟电路等。日立公司为SH4系列单片机提供了c及c++语言集成编译工具HIM(Hitachi IntegrationManag)。利用它可以将日立C、C++格式的源程序编译链接为汇编程序或目标机器码.
图像传感器芯片OV7620具有灵活的可编程功能，可通过I2C总线对其进行编程来设置各功能寄存器。由于单片机没有内部硬件I2C总线接口，所以只有采用软件模拟的方法实现I2C总线接口功能。取作为SH4的两个I/O引脚作为I2C总线的SCL和SDA总线器件接口，示例程序如下：
unsigned char rdiic (unsigned char addr);读取数据
void iic_init();初始化
void iic_start();起始信号
void iic_stop ();结束信号
void delay4u();延时
举例
iic_init();/*初始化总线寄存器*/
rstcamera ();/*复位OV7620内部寄存器*/
wriic (0x11,0x15); /*设置OV7620内部寄存器0x11 的值为0x15*/
delay4ux6();
wriic (0x28,0x60); /*设置OV7620内部寄存器0x28 的值为0x60 */
delay4ux6();
本模块采用了人类可以识别的ASCII串口通讯协议从而可以通过上位机方便的和人进行交互通信。当连接到一台计算机上，本模块可通过串口上传整幅原始图像数据，用来进行系统调试或更高级得图像处理。
六、结束语
本文采用大规模集成电路芯片组成了一个简洁，低价的图像采集处理系统。本系统经过编制不同的图像处理算法程序可以应用在足球机器人，农产品检查机器人等不同场合。但其也有些不足，比如SH4处理器，运算速度不够快，只能运行一些相对简单的算法，不支持以太网接口等。下一步工作计划采用双CPU结构，其中DSP专职处理图像数据，ARM负责网络通信，以及对机器人行为的控制等。这样就可将机器人的“眼睛”通过以太网连接成一个复杂的协同处理的视觉系统，以适应更为复杂的场景的需要。
参考文献
1、OV7620 single-chip CMOS CIF color digital camera Data Sheet. OmmVision,2001
2、王红军。机器视觉－现代工业的眼睛。机电一体化。1999.3
3、钟玉琢等。 机器人视觉技术。 北京：国防工业出版社，2002
4、李振玉。图像通信与监控系统。 北京：中国铁道出版社，2001 (end)
