应用OV6620数字摄像头实现小车的智能控制

第 26 卷第 1 期 2013 年 2 月 常 州 工 学 院 学 报 Journal of Changzhou Institute of Technology Vol． 26 No． 1 Feb． 2013 收稿日期:2013-02-02 基金项目:2012 年国家大学生创新创业训练项目(201211055002) 作者简介:杨家树(1957— ) ，男，讲师。 应用 OV6620 数字摄像头实现小车的智能控制 杨家树，庄志红，郁春丽，杨欢欢，顾开祥 (常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002) 摘要 文章介绍了带摄像功能的智能小车系统的结构: 在 MC9S12XSl28 独立控制下，通过 OV6620 数字摄像头，主要实现摄像头功能控制、图像数据的采集和处理等; MSP430F449 单片机作 为主控器，通过 CPU 内 16 位 CCR模块，对左右轮电机实现电机差速控制，以及车速检测、人机交 互、测距等控制。该系统由于采用双 CPU 结构，图像处理和执行机构分别独立控制，系统控制的精 度和响应的实时性得到较大提高。另外，借助 LCD 可及时了解系统的工作状态。该系统不但能实 现循迹、避障，也可用于遥控搜索等场合。 关键词 OV6620 数字摄像头;智能小车; MC9S12XSl28; MSP430F449 中图分类号:TP368． 1 文献标志码:A 文章编号:1671 － 0436(2013)01 － 0028 － 05 Application of OV6620 Digital Camera in Intelligent Control of Multi-functional Car YANG Jiashu，ZHUANG Zhihong，YU Chunli，YANG Huanhuan，GU Kaixiang (School of Electronic Information ＆ Electric Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002) Abstract This article introduces the structure of intelligent car system with camera function:Under the independent control of MC9S12XSl28 MCU，OV6620 digital camera is used to realize the pick-up head control，image data acquisition and processing，etc． With MSP430F449 CPU as a main controller，the 16 bit CCR module integrated in CPU is utilized to achieve the differential-speed control of left and right wheel of the motor as well as the car speed detection，human-computer interaction，distance measurement，etc． This system adopts double CPU structure，and the image-processing and actuating mechanism can be controlled by the each CPU independently． This method greatly improves the precision of system and the real time of re- sponse． In addition，the real-time working state of the system can be known through the LCD． This system can not only fulfill the functions of tracking and obstacle avoidance;but also be used for the occasions such as remote-searching，etc． Key words OV6620 digital camera;intelligent car;MC9S12XSl28;MSP430F449 0 引言 智能小车是一种集多功能于一体的综合系 统，集中运用到自动控制、模式识别、传感器技术、 汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科领 域［1］，是典型的高新技术综合体，具有很高的研究 和应用价值。 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，已 第 1 期 杨家树，庄志红，郁春丽，等:应用 OV6620 数字摄像头实现小车的智能控制 成功举办了七届，吸引了包括清华大学、上海交通 大学等多所全国著名高校学生的参与，形成了大 量有较高实用价值的作品。大赛注重提高学生实 践能力和创新精神，这已成为人才培养共同追求 的目标。［2］ 该系统基于上述背景，通过智能多功能小车 的设计和研究，激发学生的创新热情，在实践中学 习并掌握有关设计和控制的关键技术。 1 智能小车控制系统的硬件组成 小车控制系统采用双 CPU 结构，1#CPU 以飞 思卡尔公司的 16 位 MC9S12XSl28 为控制核心， 主要实现图像采集、数据处理、图像识别等功能;2 #CPU 以 TI 公司超低功耗的 16 位 MSP430F449 为核心，作为主控芯片，主要实现电机执行机构控 制、人机交互、参数显示等功能。小车控制系统框 图如图 1 所示。 图 1 小车控制系统框图 2 硬件系统设计 小车硬件系统采用模块化设计，这样既可以 实现简单的温度、距离等参数测量、显示功能，也 可以实现如循迹、避障、追踪等复杂功能，各部分 主要功能如下: 2. 1 双 CPU单片机控制结构 为了减轻主控芯片的运算工作量，简化软件 编程复杂度，提高系统响应的实时性，系统将图像 信号的处理独立出来，作为一个独立模块子系统， 单独进行控制。系统分别选用 MC9S12XSl28 和 MSP430F449 两款单片机。 MC9S12XSl28 是 Freescale 公司 S12X 家族 中的一员，是一款 16 位 CPU，内集成 128 kB 程序 Flash、8 kB RAM、8 kB 数据 Flash、2 个异步串口、 16 通道 12 位 A /D、8 通道 8 位 PWM 等模块，最 多有 91 个独立 I /O 线。S12X 系列单片机其最大 特点是内集成一个并行处理的外围处理器 XGATE模块，可实现外设和 RAM 间的高速数据 传输。［3］ MSP430F449是 TI 公司的一款 16 位单片机， 集成60 kB Flash ROM、2 kB RAM，可直接驱动160 段液晶，自带内部基准电压的 8 路 12 位 A /D;16 位定时器 A 和 B，其中 Timer_A 有 3 个捕获 /比 较器(简称 CCR)模块、Timer_B 有 7 个 CCR 模 块，CCR 模块最高可实现 16 位精度的 PWM 控 制。MSP430F系列单片机最大特点是超低的功 耗，如，MSP430F449 最低工作电压可达 1. 8 V，若 在 2. 2 V、1 MHz 条件下，其活动模式时电流只需 280 μA，掉电模式时仅需 0． 1 μA［4］，这样极大地 延长了系统电池的工作时间。 2. 2 图像信号采集 摄像头中关键部件之一是图像传感器，一般 图像传感器产生的都是模拟信号，经过 A /D 转 换，可得到相应的数字图像数据。A /D 电路的分 辨率和转换速度是图像效果的重要指标。 OV6620数字摄像头采用 353 ×288图像阵列， 分辨率可达 101 376 像素，能实现 60 帧 / s 图像捕 捉;通过 SCCB(Serial Camera Control Bus)接口， 可实现色彩饱和度、亮度、对比度、增益、白平衡、窗 口等功能控制，图像输出格式也可通过编程实现选 择。利用 OVA6620 作为图像采集模块，大大简化 了系统复杂性，提高了图像识别的准确度。 2. 3 电机控制和速度检测 2． 3． 1 电机控制 直流电机转速取决于加在其电枢绕组两端的 工作电压，电机转向取决于电压极性，H桥驱动和 PWM 调速是最方便实用的控制。该系统选 用英飞凌公司的 BTS7960 芯片作为驱动器。 92 常州工学院学报 2013 年 BTS7960 是大电流半桥结构芯片，最高驱动 电流可达 43 A;2 片可组成 H 桥结构，实现电机 正反转控制;芯片自带过温、过压、过流、短路等保 护(参见 BTS7960 手册) ，其 IS 引脚具有电流检 测功能，通过 CPU 的 A /D 转换可获得负载信息。 电机控制原理图如图 2 所示。 图 2 电机控制原理图 2． 3． 2 速度检测 小车要快速、平稳地运行，实现良好的调速性 能，速度检测是关键因素之一。为了降低成本，该 系统采用“红外对管 +编码盘”的检测方案。 编码盘为 32 份黑白相间的圆盘，将其紧贴在 车轮的内侧，随车轮同步旋转。反射型红外对管 安装在铝合金车架上，接收编码盘黑白条纹产生 的不同强度的反射信号，经整形得到脉冲信号。 通过采用低速时测周期、高速时测脉冲数，可计算 出小车运行速度。 2. 4 超声波测距和测温 小车避障采用超声波测距方案，在小车前后 各安装一对超声波传感器，测量前后方向的障碍 物距离。超声波测距的方法有多种，如，时间渡越 法、相位检测法和声波幅值检测法［5］，其中时间渡 越法实现较方便。 采用时间渡越法测量其距离 S 的计算方法 如下: S = v cΔt /2 (1) 其中，v c 为超声波在空气中的传播速度;Δt 为超声波从发出至收到反射波的时间。 由于超声波速度 v c 受环境温度 T影响，则速 度(m /s)为: v c = 331． 4 + 0． 61T (2) 系统通过测量环境温度，补偿计算出超声波 的速度。测温电路采用 DS18B20 单总线、数字温 度传感器，其最高分辨率达 0． 062 5 ℃。 超声波发送、接收传感器分别选用 CSB40T、 CSB40R，通过发送时启动定时 Timer_B，收到反 射信号产生外部中断，在中断服务程序中关闭定 时器，其中 TBR单元数据存放的就是超声波传播 时间，按式(1)、式(2)可计算出距离;若定时器溢 出，则认为周围无障碍物。 2. 5 人机交互 通过键盘和显示，可实现人机交互。该系统 采用红外遥控器实现小车的控制和参数设置， 如，小车手动运行控制、摄像头亮度调整、固定 轨迹参数设置等。采用 LCD12864 对温度、速 度、距离、工作状态等，实时显示运行过程中不 同状态信息。 3 软件设计 1#CPU 主要实现以下功能:通过 PORTA 与 OV6620 相连，实现图像数据的采集，利用 SCCB 接口设置 OV6620 中相关参数;通过 PORTB 等端 口与 2#CPU 相连，实现两 CPU 间的信息交换;接 收 2#CPU 的命令或向其传送经识别后的决策参 数等。 2#CPU 主要实现以下功能:接收并处理红外 遥控器发出的动作指令;测距，带温度补偿的超声 波测距;测速，测量小车左右方向的转速;控制直 流电机运转、LCD 显示等。 3. 1 OV6620 通信控制 OV6620 通过 SCCB 接口实现对其初始化和 相关功能控制。SCCB 是简化的 I2C ，SCL 为时钟线、SDA 为数据线，数据从发出起始位开 始，直到发出结束信号为止，一般数据读 /写采用 三相格式，即 ID 地址、目标地址和数据。 利用 VSYNC 同步信号产生中断，通过中断 03 第 1 期 杨家树，庄志红，郁春丽，等:应用 OV6620 数字摄像头实现小车的智能控制 服务程序可读取图像信号数据，OV6620 图像输 出时序如图 3 所示(参见 OV6620 手册)。 图 3 OV6620 时序图 读取 OV6620 图像信号数据的程序如下: #define Const_zs 200 / /每行读 200 点 interrupt 25 void RD_6620(void) {unsigned int pointzs; Disable Interrupts;/ /关中断 Hline + +;/ /行号加 1 PIFH =1;/ /清中断标志 if( ! (Hline% 5)＆＆Hline ＞ = 20＆＆Hline ＜ = 210)/ /选择行号 {pointzs = Pixels_p + Const_zs;/ /总点数控制 for( ;Pixels_p ＜ pointzs;) while( !(PTP＆ 0x08) ) ;/ /等待 HREF变高 * (Pixels_p + +)= PORTA;/ /读取 Y 亮 度像素 } } 3. 2 双电机差速控制 该系统采用双电机差速控制方案，即左右轮 电机速度若相等则直行，速度有差值则实现转弯。 小车行走时根据不同运行轨迹，利用单片机直接 控制两电机的速度，并对速度进行测量。图 4 为 小车实现 90°转弯控制的轨迹图，假设小车车体 宽为 w，小车中心点转弯半径为 r。根据图 4 所 示，右轮从 A 点到 B 点行走距离 SR 为: SR = π(r － w /2)/4 (3) 左轮从 C 点到 D 点行走距离 SL 为: SL = π(r + w /2)/4 (4) 图 4 90°转弯轨迹图 距离除以速度则得时间，根据两轮时间相等 原则，并结合式(3)、式(4) ，得: π(r － w /2)/4 v L = π(r + w /2)/4vR (5) 其中，v L、vR 分别为左右电机绝对速度。 将式(5)简化，得: v L vR = r － w /2r + w /2 (6) 由式(6)可知，即左右轮绝对速度之比，与转 弯半径 r 和车体宽 w 有关，通过 PD 算法调节输 出不同占空比的 PWM 信号，来实现驱动电机不 同的转速控制，进而实现小车差速转向功能。［6］ MSP430F449 中 Timer_A 的 CCR 模块主要 由输入分频器、16 位定时器、模式控制、捕获 /比 较单元、输出单元等组成，此模块可以产生 PWM 信号。 13 常州工学院学报 2013 年 通过 TACTL 可设置时钟源、分频系数、工作 模式等信号，通过 CCTLx 可设置捕获 /比较模式、 输出信号模式等，CCR0 用于控制 PWM 的周期， CCR1 或 CCR2 控制占空比。其初始化程序如 下: void init_Timer_A(void) {WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;/ /关 WDT P1SEL = 0x04;/ /选择 P12 外围模块功能 TA1 P1DIR =0x04;/ /设置 P12 输出方向 TACTL = TASSEL _ 2 + ID _ 0 + MC _ 1;/ / SMCLK 直通增计数 TACCTL0 = 0;/ /比较模式 TACCTL1 = OUTMOD _7;/ /比较模式复位 / 置位 TACCR0 =7690;/ /PWM 周期 TACCR1 =0;/ /高电平占空比 } 4 结语 该系统 OV6620 数字摄像头由 MC9S12XSl28 独立进行控制，仅将运算结果直接送主控单元，大 大减轻了主控 CPU 的工作量，图像分辨效果、动 作响应实时性都得到改善，提高了小车系统控制 质量。 MSP430F449可以作为独立的控制单元，实现 小车的自动避障、测温、测距等功能，利用红外遥控 功能，也可应用于类似机器人的无线搜索场合。 采用模块结构进行设计、组装，系统稳定、可 靠，但由于受电机性能、编码器分辨率、超声波测 距精度、CPU 速度等因素限制，总体控制效果还 可进一步提高。 ［参考文献］ ［1］蔡述庭．智能汽车竞赛设计与实践［M］． 北京:北京航空航天 大学出版社，2012． ［2］庄志红，黄文生． 电气专业实践教学环节的研究与实践［J］． 常州工学院学报，2009(5) :86 － 88． ［3］孙同景． Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技 术［M］．北京:机械工业出版社，2008． ［4］魏小龙． MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例［M］． 北京:北京航空航天大学出版社，2002． ［5］张攀峰，王玉萍，张健，等．带有温度补偿的超声波测距仪的设 计［J］．计算机测量与控制，2012，20(6) :1717 － 1732． ［6］周杰，詹灯辉．基于 MC9S12DG128 的智能车的控制系统的设 计［J］．自动化技术与应用，2011(1) :77 － 81． 责任编辑: 张秀兰 23