基于图像的液位检测系统硬件设计

张 伟，王郅佶

（1.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连第八中学，辽宁 大连 116021）

液位检测是指用一定的方法对液体的高度进行测量，被广泛应用于日常生产生活的诸多方面[1-2]。现有的液位检测手段按其检测方式大致可以分为接触式和非接触式两种。非接触式液位计主要通过超声波、雷达技术、红外线、激光等测量手段来进行测量，优点在于测量精度高，尤其适用于易燃易爆及腐蚀性液体的液位测量，但其对检测环境的要求较高，且成本高、通用性低、维护麻烦，并未广泛应用在实际测量中。基于图像处理技术的液位检测系统具有非接触性、测量精度高、抗干扰性强、成本低、操作方便等优点。论文设计了采用S3C2440处理器和CMOS图像传感器的液位测量系统硬件部分，采用ARM9处理器S3C2440搭建嵌入式系统平台，研究了OV9650驱动的实现过程和开发方法，并利用平台驱动CMOS图像传感器OV9650达到获取图像信息的目的。

1 图像采集系统硬件选择

1.1 S3C2440处理器

S3C2440芯片具有MMU虚拟内存管理，独立的16 K指令缓存和16 K数据缓存，支持DSP指令集，支持数据Cache和质量Cache，LCD控制器，NAND控制器，3通道UART，4通道DMA，4路带脉宽调制的定时器，I/O端口，具有日历功能的RTC，8路10位ADC和触摸屏接口，IIC总线接口，IIS总线接口，USB主机，USB从机，SD卡座和多媒体卡接口，2路SPI和同步时钟发生器。

1.2 存储器

系统的存储空间按其作用可分为程序运行空间与程序存储空间。为保障程序代码存储器数据在电源正常关闭或意外瞬间断电等系统掉电情况下不丢失，该系统采用了Flash芯片作为程序存储器。考虑到程序运行的效率和速度，选用程序运行空间的运行速度快的SDRAM芯片作为程序运行存储空间。

1.3 CMOS图像传感器

论文采用的是Omnivision公司的OV9650图像传感器。该传感器具有130万像素，包含一个1 300×1 028大小的图像处理阵列一个模拟处理器和8位A/D转换器。每个有源像素传感单元都可被单独选址和读出，并且都具有自己的缓冲放大器。传感器信号要经过放大器放大后才能达到A/D转换器所需的电压值，经过转换后的模拟电压以数字量的形式输出。

2 硬件工作原理与电路设计

2.1 CPU模块

S3C2440支持从Nand fl ash启动和从Nor fl ash启动两种模式，其中Nandflash启动模式下各片选的存储空间分配是不同的。

S3C2440的时钟控制逻辑可以产生FCLK，HCLK和PCLK 3种时钟信号分别用作CPU时钟、系统总线时钟和外围总线时钟。如图1所示，S3C2440的中断源是由外设的内部单元产生，如5个定时器、9个UARTs、2个ADC等共60个中断源，可发送中断请求供中断控制器接收。S3C2440存在源等待寄存器（SRCPND）与中断等待寄存器（INTPND）两个中断等待寄存器，当中断控制器接收到中断请求时，源等待寄存器和中断等待寄存器的中断源对应位将会被置1。

如图2所示，S3C2440的CAMIF单元由7部分组成：图形多路选择器、捕获单元、预览缩放器、编码缩放器、预览DMA、编码DMA、特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）。CAMIF单元的最大输入尺寸为4 096×4 096像素，视频格式是ITU-RBT.601/656 YCbCr 8位标准格式。

CAMIF单元存在两个缩放器用于接收经图像传感器采集及捕获单元处理后的数据，即预览缩放器和编码缩放器，前者生成比RGB格式的图像，这种图像比直接获取的图像更小，此缩放器连接一路DMA通道为预览通道；后者可以产生编码的图像，如YcbCr4∶2∶0等，编码缩放器连接的DMA通道是编码通道。预览通道与编码通道均连接在AHB总线上。捕获图像、设置图像格式等功能的实现需要对特殊功能寄存器进行设置，具体设置方式如下。

图1 中断处理框

图2 CAMIF系统框

2.1.1 设置时钟频率

CAMIF的输出时钟频率由时钟分割寄存器中的CAMCLK_SEL和CAMDIVN决定。当CAMCLK_SEL为1时，输出频率与UPLL的关系由如下等式决定：

CAMCLKOUT=UPLL/[(CAMCLK_DIV)*2]

OV9650传感器的输入时钟为24 MHz，UPLL为48 MHz。所以需将CAMCLK_DIV置0。代入公式可得CAMCLKOUT=24 MHz。

2.1.2 捕获图像

图像捕获命令是由图像捕获使能寄存器CIIMGCPT产生，需在其他寄存器设置好之后再定义此寄存器的设置。若需要同时捕获编码通道和预览通道的数据，可将全局捕获使能控制位，即CIIMGCPT中的ImgCptEn位设置为1；若需要单独捕获编码通道或预览通道的一个数据，则可以通过设置ImgCptEn_CoSc和ImgCptEn_PrSc来实现。

在CAMIF开始捕获图像后，IRQ中断请求由进行图像捕获的DMA通道在每一个帧同步信号CAMVSYNC的下降沿发出，在处理器中进行中断处理。可以通过向编码或预览DMA通道控制寄存器的相应位写1来结束图像捕获。

2.1.3 图像格式的设定

为了提高接收到的图像数据的准确率，传感器接收图像格式要与输入图像格式保证相互匹配，所以CAMIF单元必须设定接收图像格式。源帧寄存器CISRCFMT是用来确定源垂直/水平像素数及接收图像的模式分辨率等信息的。通过设置窗口选择寄存器CIWSOFST，可以把采集到的原始图像的中间部分保留成更低分辨率的图像。首先打开窗口偏移功能，将CIWSOFST[32]的WinOfsEn置1。图像两侧对中心的偏移量是通过CIWSOFST[26∶16]来设置；图像上下对中心的偏移量通过CIWSOFST[10∶0]来确定。经过裁剪的图像的像素大小为：剪裁后垂直像素值=接收图像的垂直像素值－2×WinVorOfst；剪裁后水平像素值=接收图像的水平像素值－2×WinHorOfst。

S3C2440 RISC微处理器可以支持一个多主控IIC总线串行接口。IIC总线的总线主控和外设之间的信息传输由一条双向的专用串行数据线（Serial Data Line，SDA）和一条双向的专用串行时钟线（ Safety Check List，SCL）传递连接。在多主控IIC总线模式中，串行数据可在多个S3C2440 RISC微处理器与设备之间双向传输。主机S3C2440启动和结束数据传输的功能可通过使用标准总线仲裁步骤的IIC总线来实现。

S3C2440具有130个管脚，可以分为8类多功能输入/输出端口（GPA～GPJ）。为满足不同的系统配置和性能设计需求，每个端口都可以简单地由软件配置。需要注意的是，在主程序未开设时定义完所需的每个引脚的功能，若引脚的复用功能未使用可将此引脚配置为I/O口。

2.2 电源和晶振

系统的电源部分主要分为两块：从外部引入的5V直流电源为整个系统电路提供的电源是系统总电源；主要为处理器、存储器、周边设备等提供所需的工作电压是各模块供电源。

总电源可以直接对连接在LCD和USHosts等接口上的设备供电，也可以通过低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片将其转成较低的电压对其他模块供电。选用National公司生产的LM1117芯片作为系统的低压差线性稳压器。

不同的模块如处理器和存储器，周边设备、图像传感器等所需的工作电压大小和数量不同，需要各模块供电电源提供。为保证处理器和存储器运行的稳定性，供电方式其采取单独供电。SDRAM，JTAG，UART，Flash存储器和复位电路等周边设备的工作电压为3.3 V；对于处理器S3C2440需要3.3 V和1.3 V两组不同的工作电压。而图像传感器OV9650需要1.8 V，2.8 V，3.3 V 3组不同的工作电压。

2.3 存储模块

根据性能需求该系统采用Nandflash和SDRAM作为系统存储器。Nandflash选用64 MB的KgF1208芯片。SDRAM存储器系统，由两片16位的K4S561632N并联构建成32位，两片K4S561632N分别连接32位CPU数据总线的高16位DATA[31∶16]与低16位DATA[15∶0][3]。K4S561632H的地址总线A[12∶0]与CPU的地址总线ADDR[14∶2]相连；CPU的ADDR24，ADDR25与Bank选择地址BA0相连，CPU的ADDR25，ADDR26与BA1相连；CPU的SCLK0，SCLK1时钟线与系统时钟SCLK相连；数据输入/输出掩码信号LDQM／UDQM分别与CPU写使能nWBE[3∶0] 相连；nRAS行地址选通信号、nCAS列地址选通信号nWE允许写入信号分别连接至CPU对应管脚。具体连接如图3所示。

图3 SDRAM电路原理

2.4 摄像头接口电路

为了方便更换和调试图像传感器周围电路和软件驱动及应用电路，灵活更换不同型号的图像传感器扩展板的需求，图像传感器硬件电路可设计成扩展板方式。通过20针Camera接口，扩展板中的OV9650管脚与主控制板中CAMIF的各个接口相连。电路原理如图4所示。

3 结语

文章给出图像采集系统所采用的主要硬件的特点以及性能，对比了CCD和CMOS图像传感器的特点，并对CMOS图像传感器OV9650的成像原理进行了剖析。分析了S3C2440处理器各个模块的工作原理以及控制方式，对整个图像采集系统的电路原理以及具体的电路设计进行了详细的说明。

图4 摄像头接口电路

[参考文献]

[1]赵刚，唐得刚.几种常用的液位在线检测方法的比较[J].中国仪器仪表，2005（5）：35-38.

[2]任开春，涂亚庆.20余种液位测量方法分析[J].工业仪表与自动化装置，2003（5）：12-16.

[3]飞凌嵌入式.飞凌开发板配套教程[M].保定：保定飞凌嵌入式技术有限公司，2008.