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树莓派硬件结构

树莓派4B硬件结构

  • DSI(Display serial interface)视频信号传输接口，将视频信号从处理器传输到显示器的一种高速串行接口
  • POE(Power Over Ethernet)以太网供电，是一种在同一根以太网电缆上传输数据和电力的技术，这种技术使得网络设备如AP、IP摄像头等无需单独的电源线，只需要通过以太网电网缆线就能获得电力供应 以下是树莓派引脚图

  • 彩色编号为BCM编号，使用的是Boardcom SOC上的编号
  • 灰色为BOARD编号，是树莓派上实际的物理编号

PWM(Pulse-width modulation)

脉冲宽度调制器，简称脉宽调制，PWM技术是一种将模拟信号电平进行数字编码的技术。

不同于模拟电路，数字电路只需要通过电流/电压的通断形成的重复脉冲序列就可以进行信号表示，而模拟电路表示的模拟信号有诸多问题：难以调制、功耗大、易受噪声和环境干扰等。PWM技术则通过调制方波的占空比来实现对模拟信号的数字编码，

方波：方波是一种非正弦曲线的波形，理想方波只有高低两个值，下图第二个是方波示例

占空比(duty cycle)：表示在一个周期内，工作时间和总时间的占比。这是一个宽泛的定义，以下是在不同情境中具体的定义

  • 在一串理想的脉冲序列（方波）中，占空比表示正脉冲持续时间和脉冲总时间的比值
  • 在周期性现象中，现象发生时间和总时间的比值

通过PWM技术对模拟信号进行数字化调制，我们可以使用数字信号进行更加准确的传输，并在最后将数字信号调制为准模拟信号，以下是PWM调制过程（有点积分的感觉，方波积分得到模拟信号bushi）

I2C通信协议(Inter-Integrated Circuit)

通信方式

I2C通信协议是一种半双工同步通信协议

  • 同步：接收端和发送端时钟频率一致
  • 半双工：能够双向通信，但通信双方不能同时进行数据收发，在同一时刻只有一方发送另一方接收

数据格式

I2C通信的数据包大小为8bit，分为三类

  • 指令：7位从机地址 + 1位读写命令
  • 数据：8位数据
  • 字节地址：8位字节地址，从这个地址开始读数据

信号含义

I2C使用串行通信方式，使用数据线SDA和时钟线SCL两条线进行同步半双工通信，由SDA和ASCL两条线确定的信号状态分为以下5种

  • 空闲状态：当I2C的SDA和SCL两条线都处于高电平时，规定总线为空闲状态
  • 启动信号：当SCL中处于高电平，数据线SDA走向下降沿，表示一次数据传输的开始
  • 停止信号：当SCL中处于高电平，数据线SDA走向上升沿，表示一次数据传输的结束
  • 数据传输（按位串行）：在SCL每一个高电平期间对SDA数据线中的一位数据进行采样，这要求SDA在SCL高电平期间不能改变；只有在SCL低电平期间，SDA上的数据才能改变
  • 应答信号：I2C所有数据都是8bit传输，发送器(transmitter)每发送一个字节，在第9个时钟开始时释放数据线，由接收器（receiver）反馈一个接收信号。在第9个时钟脉冲之前（高电平之前），接收器改变SDA电平，当应答信号为低电平时为有效应答位(ACK)，当应答信号为高电平时为无效应答位(NACK)

SDA和SCL数据线均通过上拉电阻接入VCC

上拉电阻

下拉电阻

其他通信协议

  • SPI(Serial Periperal Interface)串行外设接口：是一种同步、全双工、串行、主从结构的通信协议，通过四根总线通信

    • CS：主机对从机的片选信号，因为SPI允许多个从机连接至主机
    • SCLK：主机向从机发送的时钟信号
    • MOSI：master 发送给 slave的数据信号
    • MISO：salve 发送给 master 的数据信号

  • 1-Wire单总线协议：主机和从机采用一根总线进行通信，该总线可以传输时钟和数据，却传输方向是双向的。使用该协议的传感器模块有DHT11温湿度传感器和DS18B20温度传感器

第三方库RPi.GPIO库编程

引脚用法

GPIO.setmode(mode)

  • @brief： 用于设置GPIO引脚编码方式

  • @param：设置可用的引脚编码方式，可以用GPIO.BCM和GPIO.BOARD两种

GPIO.setwarnings(bool)

  • @brief：用于忽视GPIO端口的警告
  • @param：可设置为True和False两种

GPIO.setup(channel, mode)

  • @brief：通道设置方法，可以设置一个或者多个管脚的输入输出模式
  • @param pins： 可以使用单个引脚编号，或使用列表或者元组组合的引脚组
  • @param mode：可设置为GPIO.IN GPIO.OUT GPIO.BOTH三种

GPIO.input(channel)

  • @brief：获取引脚的值
  • @return：0/GPIO.LOW/False 或 1/GPIO.HIGH/True

GPIO.output(channel, val)

  • @brief：输出到引脚的值，参数同理GPIO.input

PWM脉冲使用

p = GPIO.PWM(channel, freq)

  • @brief：获取对管脚的PWM控制权，创建PWM实例
  • @return：p = GPIO.PWM(pin, freq)

p.start(dc)

  • @brief：设置该管脚PWM的占空比
  • @param：100 >= dc >= 0

p.ChangeFreqency(freq)

  • @brief：改变管脚的脉冲频率
  • @param：freq单位为Hz

p.ChangeDutyCycle(dc)

  • @brief：改变管脚的PWM占空比

传感器模块

蜂鸣器

​ 有源蜂鸣器 无源蜂鸣器

有源蜂鸣器发出单一的提示警报，没有频率变化。无源蜂鸣器的驱动为脉冲频率驱动，可以发出各种有频率的声音

旋转编码器

管脚介绍

  • GND/VCC：接地/电源接口
  • SW管脚可用于实现按键效果，当按下旋转编码器的轴时，SW的电平被拉低，表示一个按键按下事件
  • CLK(A output)管脚输出方波脉冲，当旋转编码器旋转时，该引脚产生高低变化的信号，该信号可用于计数脉冲，确定旋转的步数或者角度
  • DT(B output)管脚同样输出方波脉冲，但是和CLK管脚的脉冲有90度的相位差，该相位差可用于检测旋转方向

PCF8591

PCF8591是一个具有4个模拟输入、1个模拟输出的8位模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)

管脚介绍

  • AIN0、AIN1、AIN2、AIN3：模拟电路输入接口
  • AOUT：模拟信号输出接口，用于数模转换
  • GND：接地
  • SCL：I2C通信输出接口

PCF8591控制字

  • 如上图，D7和D3恒为0，作为芯片扩展位
  • D6为模拟输出使能位
  • D2为自动增量模式使能位
  • D4、D5为模拟输入模式选择位
    • 00：四路单端输入
    • 01：三路差分输入
    • 10：单端和差分配合输入
    • 11：两路差分输入
  • D0、D1为输入引脚选择位，0～3分别对应AIN0 AIN1 AIN2 AIN3

PCF8591物理地址

已知在PCF8591物理地址的编址中，总共用7位表示物理地址，其中前4位为固定位wilidz1001，可编程位A0 A1 A2三位。注意最低位为方向位|读写位（决定数据传输方向），且该低位不算在物理地址中

PCF8591芯片引脚（它真考啊哥们儿，考完含泪记下）

  • VREF：基准电源端
  • OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端
  • EXT：内部外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地
  • VSS：接电源负极，即GND
  • AGND：模拟信号地
  • 其他引脚在上面介绍过

MPU6050陀螺仪加速度传感器

MPU6050是一款完整的6轴运动跟踪设备，其中6轴包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。此外，注意MPU6050还有片上温度传感器，且具备I2C总线接口。I2C总线可以与其他传感器进行通信，如果将三轴磁力计连接到辅助I2C设备，MPU6050模块可以通过其内部的数字运动处理器DMP将不同传感器的运动数据融合，得到完整的9轴Motion Fusion输出。

管脚介绍

  • VCC
  • SCL：I2C通信数据线
  • XCL(Auxiliary)：辅助I2C数据线，用于外部连接磁力计传感器，通过该辅助I2C总线，允许MPU6050直接控制外部传感器的时钟信号
  • AD0：I2C地址选择引脚，将此引脚接地时，I2C地址为0x68，当该引脚连接到VCC时，I2C地址为0x69，这允许再同一I2C总线上连接多个MPU6050设备

模块构成

  • 三轴陀螺仪(Three-axis Gyroscope)：测量设备在X, Y, Z三轴上的角速度
  • 三轴加速度计(Three-axis Accelerometer)：测量三周上的加速度
  • 数字运动处理器(Digital Motion Processer)：处理和融合以上两者的数据，做出姿态估计、运动检测、方向检测等
  • 温度传感器：测量内部温度，提供温度补偿
  • I2C通信接口：和主处理器进行通信

MPU6050可以通过陀螺仪和加速度计的测量计算出姿态角，姿态角由三个旋转角度构成

  • 滚旋角(Roll)：飞机绕前后轴的旋转角度，通常为-180°~180°
  • 俯仰角(Pitch)：飞机绕左右轴的旋转角度，通常为-90°~90°
  • 偏航角(Yaw)：飞机绕垂直轴的旋转角度，通常为-180°~180°

opencv应用

色彩空间

常见的HSV和HSL都是将RGB色彩模型表示在圆柱坐标系中的方法，该方法比笛卡尔坐标系中表示的RGB模型更加直观

  • 色相(Hue)：色彩的基本属性，即平常所说的颜色名称
  • 饱和度(Saturation)：色彩的纯度，越高色彩越纯，越低色彩越灰
  • 明度(Value)：也是亮度，取值在0~1之间

色调表示为一个圆环，范围理论上是0°~360°，在opencv中，采用一个单位表示2°，因此色调的范围是0 ~ 180，便于8位深度的存储，而饱和度和明度的范围在opencv中也都是8位存储，范围0 ~ 255

opencv常用接口

  1. 色彩空间转换：将RGB转化为HSV
1
hsv = cv2.cvtColor(frame, cv2.BGR2HSV)
  1. 通道分割
1
hue, sat, val = cv2.split(hsv)
  1. 图像二值化
1
cv2.inRange(img, lowerb, upperb, dst=None)
  • @brief：根据颜色或者灰度阈值进行二值化，是用于分隔特定颜色范围的对象
  • @param：lowerb upperb表示阈值下界和阈值上界， dst输出二值化图像，原图中在范围内的像素设置为白色(255)，在范围外的像素设置为黑色(0)

1
cv2.threshold(img, thresh, maxval, type, dst=None)

  • @brief：适用于按照单一阈值对图像进行二值化处理，适用于灰度图像，全局阈值处理

  • @param

    • src: 输入图像，必须是单通道灰度图

    • thresh: 阈值

    • maxval: 超过或低于阈值时赋予的新值

    • type: 阈值类型，如 cv2.THRESH_BINARY, cv2.THRESH_BINARY_INV 等

    • dst: 输出图像

  1. 通道与运算
1
cv2.bitwise_and(src1, src2, dst=None, mask=None)
  • @brief：该函数通常用于执行**两个图像数组*之间的按位与按操作，可以用于图像掩膜、特征提取、图像融合等
  • @param mask：该参数是一个单通道8位图像数组，其非零像素表示在相应的src1和src2对应位置上进行。当src1和src2指向同一张图片时，表示只想对图片中的特定区域进行某种操作
  1. 监听键盘事件
1
cv2.waitKey(delay)
  • @param：delay设置等待键盘输入的时间，当该时间段中没有检测到任何键盘输入就返回-1；当delay为0时为无限等待，直到响应键盘输入；当delay之为负数时，键盘输入任何按键都会结束

形态学处理方法

图像掩膜

图像掩膜一般是一个和原图尺寸相同的二值图像（单通道8位数组），其像素值通常是0或255，通过图像掩膜，可以对图像的特定部分进行增强、修改和分析而不影响其他部分

形态学转换

结构元：可以将二维结构元理解为二维数组，矩阵元素为0或1，1为有效元素，结构元尺寸小于待处理图像尺寸，注意结构元都以一个结构元原点

  • 腐蚀：结构元整体不能超出待处理图像像素区域，其结构元原点能够经过的区域为腐蚀结果

    1
    cv2.erode(img, kernel, iteration=1)

    参数含义同cv2.dilate()

  • 膨胀：结构元只有结构元原点不能超出图像像素区域，其整体经过的像素区域为膨胀结果

    1
    cv2.dilate(img, kernel, iteration=1)
    • img：目标图片
    • kernel：操作内核，单通道8位图像数组
    • iteration：膨胀次数

  • 开运算：先腐蚀后膨胀，通常用于处理灰暗背景下的高亮区域

  • 闭运算：先膨胀后腐蚀，消除孔洞，填充闭合区域，删除亮背景下的灰暗区域

    1
    cv2.morphologyEx(src, cv2.MODE, kernel)
    • src：目标图像，要求是单通道灰度图像
    • cv2.MODE：可使用cv2.MORPH_CLOSE闭操作或者cv2.MORPH_OPEN开操作
    • kernel：结构元操作核

人脸识别

在opencv中，人脸识别采用Haar级联分类器算法，流程如下

  1. face_cascade = cv2.Cascade_Classifier(filePath) 加载预训练分类器中的模型，一般在opencv安装目录.\opencv\sources\data\ haarcascades路径下

  2. ret, frame = cap.read()读取视频中的一帧（一张图片），ret为获取图像是否成功，frame为获取到的图片对象

  3. gray_img = cv2.cvtColor(frame, cv2.RGB2GRAY) 将彩色RGB图像转化为灰度图，提高模型识别效率

  4. faces = detectMultiScale(gray_img, scaleFactor=1.3, minNeighbors=5)

    • @param scaleFactor：前后两次相继的扫描中，搜索窗口的比例系数，此处表示搜索窗口每次扩大30%
    • @param minNeighbors：表示构成检测目标的相邻矩阵最小个数，当一个对象检测出的矩形数量小于该数则舍弃
    • @return：返回数组，每个元素四个成员(x, y, width, height)

  5. cv2.rectangle(img, (x, y), (x + width, y + height), color, thickness: int)

    • @param：通过矩形的左上角点坐标和右下角点坐标确定矩形位置和形状，见参数列表中的两个坐标元组
    • @param color：指定矩形框的颜色，可用RGB模式的三元组表示
    • @param thickness：指定矩形框线条的粗细

  6. cv2.imshow('image', img)显示人脸识别处理过的图像，字符串指定窗口名称

二维码/条码识别

  1. 使用imutils.video库中的VideoStream()函数创建视频流

    1
    vs = VideoStream(src=0).start()

  2. 使用imutils.resize()方法对视频流中的每一帧进行裁剪，在该函数中单指定宽/高时，会将图像进行等比例缩放

    1
    frame = imtuils(frame, width=400)

  3. 使用pyzbar的核心函数decode()

    1
    barcodes = pyzbar.decode(frame)

    pyzbar.decode(frame)返回的类型包含识别结果的各种信息属性

    • barcodes.rect属性：检测到二维码矩形的左上角点坐标和长宽信息

    • barcodes.type属性：返回读取到条码的编码类型，如QRCODE

    • barcodes.data属性：返回符号数据，通常为字母/数字，可以指定编码类型

      1
      barCodeData = barcodes.data.decode('utf-8')

  4. 框定二维码所在位置，使用cv2.rectangle(frame, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255, 2))

  5. 文本信息展示，将解析结果的data属性和type属性展示出来，使用cv2.putText()函数

    1
    cv2.putText(frame, text, (x, y - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (0, 0, 255), 2)

    接口定义如下

    1
    cv2.putText(img, text, org, fontFace, fontScale, color, thickness=None, lineType=None, bottomLeftOrigin=None)
    • org: 文本的左下角坐标（x, y）。这是一个二元组（元组），指定文本在图像上的位置
    • fontFace：字体类型
    • fontScale：字体大小比例因子
    • color：字体颜色
    • thickness：文本线条粗细