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嵌入式系统设计课程报告

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2020年4月19日
文档仅供参考

嵌入式图像处理系统课程报告
——基于隔离开关水平、垂直度测试

姓 名： 郑亚茹
班 级： 硕3019
学 号：

嵌入式图像识别、处理
一、 研究目的
1. 从项目开发实施——隔离开关水平、垂直度测量控制角度研究嵌入式系统应用技术的一般流程，尝试使用软件工程；
2. 图像处理的研究，开发专用图形用户界面；
3. 研究嵌入式实时图像处理方案。
二、 嵌入式操作系统特点及组成
嵌入式操作系统的特点
1. 专用性强，面向特定应用。这是嵌入式系统与通用型系统的最大区别。嵌入式系统的个性化很强，软、硬件结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。
2. 系统精简。嵌入式系统的软件代码要求高质量，高可靠性，由于嵌入式系统设备所处的环境往往是长期无人值守或条件恶劣的情况，因此，其代码有很高的要求。
3. 嵌入式系统大多采用实时操作系统，而且软件要求固态存储，以提高速度。
4. 嵌入式系统需要专用的开发工具和环境，由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户一般也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。嵌入式系统开发时有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，采用交叉编译的方式开发应用程序。
5. 嵌入式系统的硬件驱动程序必须定制，而且和嵌入式操作系统以及应用程序完全绑定在一起构成一个不可分割的整体。因此，不同的嵌入式产品在开发时必须设计符合自己系统的设备驱动程序。
嵌入式操作系统的组成
1. 底层驱动模块
2. 任务管理模块
3. 任务通信模块
4. 内存管理模块
5. 时钟管理
6. 文件系统
三、 研究内容和方案
本课题研究目的是为了检测隔离开关触头接触是否到位以及装配位置是否达标。
本文主要针对隔离开关相关部件——瓷瓶制造过程中水平、垂直度的测量，准确判断瓷瓶中心轴线与铅垂线之间的夹角，进而指导工作人员进行位置校正控制，最终达到产品的出厂指标。
（一） 常见的水平、垂直度测量方法
（1）基准点、线、面法
机械测试方法
（2）常见水平测试方法
标尺法
液体通管法
（3）垂直度测试方法
激光铅直仪法
导电线锤法
（二） 方案选择：
图像视频检测监控，输出方向控制信息，指导工作人员调节控制瓷瓶的四个螺母的相对位置。
为了提高产品的效率，在和用户进行设计方案交流讨论时，根据用户提出的具有友好界面、直观、具有可参观性的要求。既定方案为：在瓷瓶正上方合适位置配置固定好位置的红外射线发射设备，并校准使得其所发出的直线与铅垂线平行；瓷瓶上套有和瓷瓶上界面相匹配的同心圆靶套头；在红外线设备旁边配置摄像机，拍摄红外线投影斑点和靶心的相对位置。
考虑到图像信息传输时数据的庞大以及图像识别、分析、处理的实时性，决定采用嵌入式系统完成图像的处理部分。
（三） 嵌入式系统环境对于图像处理应用的要求
由于嵌入式系统对于功能、成本、速度、处理能力、可靠性、体积、功耗等都有严格的要求，因此运行于其上的图像处理就受到一定的限制。
（1） 在功能上，由于嵌入式系统都是针对非常具体的应用而进行设计开发的，因此功能上比较具有特殊性，因此根据多种环境下的不同需求，针对具体的应用环境所采用的图像处理技术及特点分别涉及相应的嵌入式系统；
（2） 由于同一时代嵌入式系统的硬件计算能力和速度相较通用计算机系统要低一些，这就要求在设计专用图像处理算法和策略的时候应尽可能的采用产生较少执行代码量以及快速的运算类型的算法；
（3） 嵌入式系统具有很高的系统可靠性，因此，选择图像处理技术及算法设计时应考虑比较成熟可靠的算法和技术；
（4） 在功耗上，由于系统静态时和工作时的功耗差别很大，因此，在设计图像处理应用时，应尽量减少系统工作的时间，同时降低系统的工作强度。
（四） 嵌入式图像处理系统的特点
随着现代电子计算机技术的进一步飞速发展以及图像处理相关学科和理论的发展，图像处理技术的应用范围有了进一步的扩大和延伸，数字图像处理系统也发生着重大的变化。图像处理的对象从单色黑白图像到彩色图像的处理识别：从静态的图片处理发展到动态影像处理；从单一的图像处理发展成为集图像采集、加工、处理、识别、匹配一直到决策支持的整合的现代智能系统。因而，对于数字图像处理计算机系统也提出了更高的要求。
由于处理数据信息量出现了几何级数的增长，大幅度的提高图像处理系统的处理速度成为了至关重要的一个课题，除了运用最先进、快速的处理器和海量的内存之外，还必须经过调整计算机系统的体系结构，采用并行计算技术、多处理器技术等等，提高计算机计算单元同外部图像输入输出设备之间的数据交换速度，高速高效的图像处理算法，友好智能的人机对话界面的研究等等工作，进行新型专用图像处理计算机系统的开发。
由于新一代的图像处理计算机系统要求快速高效，就必须搭建嵌入式的专用平台，采用适合与图像处理的高速处理器，全面提高图像处理的速度及图像任务处理的实时性能；采用高校的高级语言编写嵌入式操作系统以及应用程序，并保证系统的稳定性和实时性：采用专用的外部图像输入输出设备及总线结构等，不断提高中央计算单元与外部图像输入输出设备的数据交换速度；针对具体的待处理图像的特点提供高效的图像处理算法；建立图像基础数据库，为图像匹配等智能化模式识别技术提供支持；积极开发图像处理专用的图形用户界面，使其具有简单易用、功能强大、运行高速等特点。
（五） 嵌入式图形用户界面
（1） 用户界面的发展趋势
以用户为中心
多通道
智能化
高带宽
可视化编程
（2） 当前实时嵌入式系统GUI的实现方法
尽管实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，但当前GUI的实现方法各有不同：有的采用比较成熟的GUI系统，比如MinuGUI或者其它GUI系统；有的根据自己的需求开发满足自身需要的GUI系统。我们认为GUI系统是一个类似于操作系统的基础软件，需要遵循一定的标准，而且应该是开发源码的自由软件，从而能够让我们自己开发程序。
（六） 嵌入式图像处理系统的实时性
现代嵌入式系统对于重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证各个人物及时调度的关键，单纯经过提高处理器的速度是无法完成的，这种任务调度只能由优化编程的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。
此次课题中由于一次性要进行大量图片信息的传输、分析识别和处理，包括边缘识别，圆心定位以及红外射线斑点提取，最终经过运算输出相对位置的关系，除此之外，对于在控制过程中发生的具体工况的变化依然能够实时响应、分析、处理，是进行合理任务调度设计的关键。因此对图像处理的实时性要求较高。
（七） 本次图像处理系统的关键技术
本次进行图像处理需要编写应用程序
应用程序是针对需求编写的只适用于本操作系统的专用程序，由于有操作系统的支持，在应用程序的开发过程中开发者只需要关注软件功能的实现，而不用注意具体的硬件细节。如果操作系统相同，应用程序能够很容易移植到其它硬件环境。
根据需求，本系统的应用程序开发主要是对图像采集任务和图像处理算法的研究，包括两部分:首先是利用建立的嵌入式平台和操作系统实现对图像信息的采集、显示、编码、存储以生成数字图像文件，其次，对生成的数字图像文件进行处理，包括灰度化、二值化、边缘检测等。具体如下：
（1） 图像数据的实时显示
（2） JPEG图像的编码格式
（3） 图像信息的存储过程
（4） 数字图像处理的算法设计
A. 图像边缘检测
B. 根据识别出的边缘进行质心的确定
C. 斑点提取
四、 系统展望
基于嵌入式技术的图像处理系统是嵌入式应用领域发展非常迅速的一个方向，开源操作系统运行稳定，系统整体成本低廉，最终系统能够作为基础平台研究数字图像处理领域的复杂算法和模式识别，也可适用于更广泛的嵌入式系统方面的研究。
1. 操作系统还需要进一步完善，管理太简单，操作系统的调试工具太少。
2. 操作系统的图形用户接口功能更强大，需要支持更广泛的人机交互界面。
3. 图像采集算法部分需要支持视频流编码，不是只能实时显示图像和采集静态图片。