基于CIS与峰值检测技术的液位图像测量系统

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.06MB 73 页 15积分

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摘要

本设计的目的是要实现自动式的测量出液位的高度，采用非接触式的标准流

量装置，且实现更高的测量精度。

通过与当前国内外相关液位检测技术的研究与比对，根据所设计系统的液位

检测的精确度要求，并依据工作环境的特殊条件，最终确定采用基于 CIS 的峰值

检测与图像液位测量技术。

在经过对 CIS 接触式图像传感器的内部结构、使用特性及工作原理的详细了

解，并对驱动信号进行了分析之后，完成了基于接触式图像传感器的液位检测系

统软硬件设计。硬件系统采用 EP2C5T144C8 FPGA 驱动 CIS 及8位高速 A/D 转换

器件进行 CIS 输出信号的采集，将转换后的数字信号通过多功能缓冲串口送给

TMS320VC5509A DSP 进行图像算法的处理，检测出流量计液位的刻度，并通过

RS232 传送给上位机。软件系统以 Quartus II 和CCS 为集成开发平台，用 Verilog

HDL 语言对 FPGA 进行编程，完成对 CIS 及AD 的驱动；并对 DSP 内部各模块进

行配置，用 C语言完成图像预处理及液位检测算法、串行通信等模块的软件编程

实现，并介绍了峰值检测与图像液位测量的原理。

通过实验证明，基于 CIS 的峰值检测与图像液位测量的方法分辨率可达到

0.1mm。因此该方法具有分辨率高、自动化程度高、实时性好等优点。作为非接触

式测量，它也适合应用于一些特殊的工作环境中。

关键词：CIS FPGA DSP 峰值检测液位测量

ABSTRACT

In order to implement more accurately automatic and non-contacted liquid level

measuring in the flow standard facility,this design will develop a kind of device which

can measure the liquid level automatically with more accuracy.

Relevant domestic and international level by comparing the current detection

technology, the demand for liquid level detection accuracy, combined with

system-specific working conditions, to determine the peak of CIS-based detection and

image level measurement technology.

In the full study and use of CIS works based on the characteristics of its drive

signal analysis, completed the CIS level detection system based on hardware and

software design.EP2C5T144C8 FPGA hardware system uses 8-bit high-speed drive CIS

and A / D conversion devices CIS output signal acquisition, the converted digital signals

sent through the multi-buffered serial port TMS320 5509A DSP for image processing

algorithms to detect the liquid flow meterdigital scale, and transmitted to the host

computer via RS232.Quartus II software and system integration of CCS as a

development platform, using Verilog HDL language to program the FPGA to complete

the CIS and the AD drive; and configure each module within the DSP, using the C

language level of image pre-processing and detection algorithms, serial communications

module software programming, and describes the peak detection and image level

measurement principles.

Proved by experiments, peak detection based on the CIS level measurement

method and image resolution up to 0.1mm.Therefore, the method has high resolution,

high degree of automation, real time and so on.As a non-contact measurement, it is also

suitable for some special work environment.

Key Word：CIS, FPGA,DSP, Peak detection, liquid level measurement

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................... 1

§1.1 研究背景及研究意义 .........................................1

§1.2 研究现状 ...................................................1

§1.3 本文的主要研究工作 .........................................2

第二章 CIS 技术研究概述 ...........................................3

§2.1 CIS 的发展过程及应用现状 ...................................3

§2.1.1 CIS 的发展过程 .........................................3

§2.1.2 CIS 的应用现状 .........................................3

§2.2 CIS 的结构组成 .............................................4

§2.3 CIS 的工作原理 .............................................5

§2.3.1 光学成像原型 ...........................................5

§2.3.2 传感器工作原理 .........................................6

§2.3.3 CIS 驱动信号 ...........................................8

§2.4 CIS 的特点分析 .............................................9

第三章液位测量系统硬件设计 ..................................... 11

§3.1 硬件平台总体框图 ......................................... 11

§3.2 图像采集电路设计 ......................................... 11

§3.2.1 信号预处理电路设计 ................................... 11

§3.2.2 CIS 驱动控制设计 ......................................12

§3.3 A/D 芯片选型及电路设计 ....................................16

§3.3.1 A/D 器件选型 ..........................................17

§3.3.2 A/D 转换电路设计 ......................................17

§3.4 电平匹配及波形变换 ....................................... 18

§3.5 图像处理电路 ..............................................19

§3.5.1 核心处理器 TMS320VC5509A 简介 ......................... 19

§3.5.2 其它外围电路设计 ..................................... 20

第四章系统配置及初始化 ......................................... 25

§4.1 软件系统的流程图 ......................................... 25

§4.2 寄存器配置及初始化 ....................................... 26

§4.2.1 系统寄存器配置 ....................................... 26

§4.2.2 存储空间和 CMD 文件编写 ............................... 39

§4.2.3 bootloader 设置 .......................................41

§4.2.4 中断向量表 ........................................... 42

第五章图像处理算法原理及软件设计 ............................... 45

§5.1 液位图像预处理算法的原理 ................................. 45

§5.1.1 图像增强 ..............................................45

§5.1.2 图像中值滤波 ..........................................45

§5.1.3 图像位置校正 ..........................................46

§5.1.4 图像直方图分析 ........................................47

§5.1.5 图像自适应阈值的二值化 ................................47

§5.1.6 图像边缘提取 ..........................................48

§5.2 液位图像峰值检测算法的原理 ............................... 49

§5.3 DSP 软件优化 ..............................................50

第六章实验结果分析 ............................................. 53

§6.1 实验平台 ................................................. 53

§6.2 测试结果 ................................................. 53

§6.3 展望 ..................................................... 55

附录 ............................................................ 57

图像增强程序代码 .............................................. 57

图像中值滤波程序代码 .......................................... 58

图像位置校正程序代码 .......................................... 59

图像直方图分析程序代码 ........................................ 61

图像自适应阈值的二值化程序代码 ................................ 62

图像边缘提取程序代码 .......................................... 64

峰值检测算法程序代码 .......................................... 65

参考文献 ........................................................ 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 70

致谢 .......................................................... 71

第一章绪论

§1.1 研究背景及研究意义

目前国内一般的液位在线自动测量大多基于光电检测方法，这些方法中光透

射法则被应用在不同的测量系统中。但是这种方法存在着限制了光源及光电探测

器的物理尺寸的缺陷，在很多地方被限制应用。根据这种状况进行改进过的方法

是使用机械扫描的方式来实现大量程的连续测量。但是这种扫描方式必须采用精

密导杆来控制测量的精度，因此系统的测量速度计精确度都普遍被降低了一个档

次，并且系统的维护变得更加困难。所以一种结构合理、使用可靠、维护简单、

测量速度高的光电液位检测方法变得更加迫切、必要。

为了满足快速、高精度的液位测量要求，本系统提出了一种基于 CIS( Contact

Image Sensor)接触式图像传感器，以及 FPGA（Field Programmable Gate Array）和

DSP（Digtal Signal Processor）的液位图像数据采集与处理的测量系统。该液位图

像测量系统具有使用方便、系统简单、速度快、精度高、体积小等特点。

基于图像的液位检测系统可以实现工业上大量应用的玻璃液位计的信号远

传，提高玻璃液位计的测量精度，抗干扰较强。例如，该系统可以应用在静态容

积法液体流量标准装置中，以实现标准容器液位高度的自动测量，因而具有广泛

的应用价值和取得较好的经济效益。

§1.2 研究现状

液位的图像测量法有较多的优越性，它在国内外越来越得到重视，在各个行

业也越来越被广泛应用。例如，1998 年，由日本的 Yoichi Takagi 等人提出了基于

图像处理技术的一套可以直接测量水、油等不同液体液位的检测系统[1]。它通过一

片倾斜的铁片配合液面反射效果，经过图像处理与分析得到液位。2001 年，由斯

洛文尼亚 Ljubljana 大学的 Valentin Batagelj 等人提出了使用图像测量的方法，自动

识别水银温度计的读数，大大提高了温度计检测的自动化程度[1]。哈尔滨工业大学

的矫德强等人提出在啤酒生产过程中，通过图像测量啤酒液位高度的方法判断产

品是否合格。上海交通大学潘俊民等人使用计算机视觉测量技术，实现自动化方

式的浇注。该方法将摄像机安装到口杯上面，拍摄图像中白色液体部分，通过图

像算法计算白色液体部分的面积，再通过中间转化计算得到杯子的液位高度值。

南京理工大学刘治锋等人用图像法测量了河流水位高度，这种方法提高了河流水

基于 CIS 与峰值检测技术的液位图像测量系统

位检测的自动化水平和精确度[1]。根据上述研究我们可以看出当前图像采集、视频

分析等大多采用较高分辨率、较高景深的 CCD 或者 CMOS 图像传感器，这些图像

传感器可以得到高质量的图像或者视频，但是采用 CCD 或CMOS 图像传感器将会

大范围的提高产品的成本，并且使用起来比较麻烦，不适合对系统简单成本敏感

的产品中。

在90 年代一些国家的研究机构研究和生产了一种叫做接触式图像传感器 CIS

的新型光电传感器，它的条状方形盒内集成了光电传感阵列、LED 光源阵列、柱

状透镜阵列、移位寄存器和模拟开关等器件[2]。其工作原理与 CCD 传感器比较相

似，但与 CCD 传感器相比，接触式图像传感器有体积较小、价格较低、结构简单、

使用方便等优点，目前大多被使用在传真机、扫描仪及条码解码器等领域。

本研究运用 CIS 图像传感器在对液位进行图像采集时避免了采集到过多的冗

余信息，给后来的图像处理减轻了负担，在算法实现上也较容易。

§1.3 本文的主要研究工作

本设计构建了运用 CIS 接触式图像传感器进行液位检测的测量系统，在均匀

白光源的照射条件下，液位图像成像到高分辨力的 CIS 图像传感器上，通过 FPGA

对CIS 的驱动采集液位图像信号，经过 A/D 转换后输入 DSP，DSP 通过峰值检测

算法判断液位的高度，并通过 RS232 串行口将数据传输给计算机。系统具有非接

触、实时、高精度及自动化等特点。

第二章 CIS 技术研究概述

CIS 接触式图像传感器是最近几年被研制出的新型光电成像产品。本章将介绍

CIS 接触式图像传感器的发展和应用现状，分析 CIS 接触式图像传感器的组成结构

及工作原理，并总结 CIS 接触式图像传感器的特点。

§2.1 CIS 的发展过程及应用现状

§2.1.1 CIS 的发展过程

在90 年代一些国家的研究机构研究了一种叫做接触式图像传感器 CIS 的新型

光电传感器[2]。

国外的一些研究机构在二十世纪九十年代后期首先研制出来 CIS 接触式图像

传感器，并对其进行了详细的测试，使人们逐渐对该传感器有了清楚的认识。时

至1998 年底，我国台湾著名的扫描仪制造商中晶科技公司首次采用 CIS 接触式图

像传感器作为扫描仪的传感器，推出了世界上第一台超薄型平台扫描仪 Simscan C3

[2]。CIS 接触式图像传感器的内部光学结构是由一个长方形条形状透镜列阵，通过

这些透镜阵列可以将所扫描到的物体投影直接投射到硅材料的表层上面，按物体

的原倍比例对物体进行扫描，以此来使得保持物象比例一样，从而获得较小的失

真度，并且不需要特别的景深，安装方便快捷且节能环保[2]。

近些年来，较多的外国公司开始致力于 CIS 接触式图像传感器相关技术的研

究、生产工作。最近一些年来，CIS 接触式图像传感器的发展速度比较迅猛，

200~600dpi 分辨率的黑白和彩色的 CIS 接触式图像传感器已经完全实现了产品化

[3]。目前从事 CIS 接触式图像传感器的研究及生产的机构主要分布在美国和日本国

家的一些公司，例如美国矽感集团、三菱公司等。但目前我国还缺乏这方面的研

发和制造能力，其主要原因是制造工艺达不到生产要求[3]。

§2.1.2 CIS 的应用现状

由于 CIS 有益于实现小型化、降低功耗、提高系统抗振动/冲击性能、提高系

统可靠性及降低成本，故而特别适用于需在恶劣环境下使用的仪器，如军用电子

设备。一些发达国家军队的传真机、多功能打印机中已经广泛的采用了 CIS 接触

式图像传感器进行图像的扫描采集。

基于 CIS 与峰值检测技术的液位图像测量系统

CIS 技术应用扫描仪、传真机后，仅仅几年时间内，已经在美国、日本、欧洲

市场已经得到了广泛的应用。

近些年来，很多国内厂商也开始使用 CIS 接触式图像传感器用来开发相关的

数码产品。例如北京汉王科技、联想集团、清华紫光集团等已经将 CIS 接触式图

像传感器应用到自身的产品当中，开发了如扫描仪、传真机、具有文本识别功能

的“图文通”、“随身识”等[3]。

另外通过文献查阅，发现已经很多科研单位和高等学院将 CIS 技术应用于位

置检测、液位检测、流量检测、轮廓扫描等领域，如华中科技大学机械科学与工

程学院熊烽副教授将 CIS 用于高速运动平带边缘位置的检测，天津大学精密仪器

与光电子工程学院张国雄教授也曾研究基于线阵 CCD 的液位测量，华中科技大学

能源与动力工程学院过程装备与控制研究所陈良才副教授曾研究基于 C I S 的微小

流量实时测量系统[3]。

随着 CIS 技术的不断发展，该技术已经在机票、银行支票和货币、条形码、

名片、信用卡凭证、钞票辨伪等领域得到了广泛应用。相信随着 CIS 技术水平的

进步，其必将在生产生活的各个领域发挥越来越重要的作用。

§2.2 CIS 的结构组成

CIS 接触式图像传感器的内部集成了光源与感光系统，这些模块都是由单件组

成，统一构成了一个集成的传感器模块。其中内部由许多硅质的正方形感光单元

构成了传感器的感光系统，而光学系统是由许多条形的透镜阵列组成。

图2-1、图 2-2、图 2-3 分别是 CIS 的实物照片、正面俯视图、内部结构剖视

图。从图中可以看出，CIS 接触式图像传感器的各个部分都集成在条状外壳内部，

外观紧凑；而内部由照明光源、光学成像元件、传感器及电路、保护玻璃、外部

接口、外壳等部分组成。

图2-1 CIS实物图

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摘要：

摘要本设计的目的是要实现自动式的测量出液位的高度，采用非接触式的标准流量装置，且实现更高的测量精度。通过与当前国内外相关液位检测技术的研究与比对，根据所设计系统的液位检测的精确度要求，并依据工作环境的特殊条件，最终确定采用基于CIS的峰值检测与图像液位测量技术。在经过对CIS接触式图像传感器的内部结构、使用特性及工作原理的详细了解，并对驱动信号进行了分析之后，完成了基于接触式图像传感器的液位检测系统软硬件设计。硬件系统采用EP2C5T144C8FPGA驱动CIS及8位高速A/D转换器件进行CIS输出信号的采集，将转换后的数字信号通过多功能缓冲串口送给TMS320VC5509ADSP进行图像算法...

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