基于USB2.O的CMOS圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引言
CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、集成度高，便于采用高速的并行讀取體系等優(yōu)點(diǎn)，因而在圖像傳感、天文觀測(cè)、星敏感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前圖像采集主要基于PCI總線或其他傳統(tǒng)接串并口圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們存在著功耗高，安裝復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率圖像傳感器無丟失的數(shù)據(jù)傳輸過程中，USB2．O接口以其即插即用、擴(kuò)展性強(qiáng)、傳輸速度高達(dá)480Mbps等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足快速傳送大批量數(shù)據(jù)要求。
因此，高分辨率的CMOS圖像傳感器和高速USB總線技術(shù)為圖像傳感技術(shù)的改進(jìn)應(yīng)用提供了必要的條件。解決了以往低分辨率圖像傳感器像源失真，穩(wěn)定性能差等缺點(diǎn)。本系統(tǒng)利用130萬像素CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)了圖像高速傳輸采集，其傳輸速度達(dá)到23．6MBps，能廣泛地應(yīng)用在工廠礦山等惡劣環(huán)境中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
圖像采集系統(tǒng)部分主要由光學(xué)鏡頭、CMOS圖像傳感器，USB控制器以及驅(qū)動(dòng)電路(E2PROM等)組成。圖1為硬件系統(tǒng)的總體框圖。

1．1 CMOS圖像傳感器一0V9620
系統(tǒng)選用美國Ominivision公司開發(fā)的高性能CMOS圖像傳感器0V9620作為圖像傳感芯片。0V9620集成了CMOS光感應(yīng)核，時(shí)序控制電路，A／D轉(zhuǎn)換器及SCCB(serialCamera Contro1 Bus)接口等。具有SXGA(分辨率1280×1024)和VGA(分辨率640×480)兩種模式，并可以提供15fps的SXGA或30fps的VGA動(dòng)態(tài)圖像。帶有目標(biāo)黑級(jí)校準(zhǔn)、可編程／自動(dòng)曝光、增益控制及白平衡控制功能。
0V9620具有可編程控制10bit數(shù)字視頻信號(hào)并行輸出功能，同時(shí)提供像素時(shí)鐘PCL K、行同步信號(hào)HREF及幀同步信號(hào)VSYNC，為后續(xù)USB對(duì)視頻數(shù)據(jù)的接收與傳輸提供同步控制信號(hào)。其時(shí)序圖如圖2所示。其數(shù)據(jù)輸出格式為Bayer RAW，即利用Bayer濾光陣列把輸入光信號(hào)分解成RGB三原色，每個(gè)像素僅保留一種顏色，RGB保留比例為2： 4： 2。

1．2 USB控制芯片一CY7C68013
系統(tǒng)USB主控制芯片選用的是CypreSS公司的EZ―USBFX2芯片CY7C68013，該芯片集成了增強(qiáng)型805lMCU、串行接口引擎SIE、片上RAM、4K的FIF0存儲(chǔ)器、通用可編程接口GPIF及數(shù)據(jù)／地址總線，減少了多個(gè)芯片接口部分需要時(shí)序配合的麻煩，并節(jié)省電路板空間。CY7C68013的如下特性保證了其高速(480Mb／s)傳輸特性。
(1)芯片內(nèi)有480Mb／s的收發(fā)器(PLL和智能SIE)，很好的執(zhí)行了USB2．0協(xié)議，并將MCU解放出來，加快傳輸速率。
(2)具有“量子FIFO”的處理框架，并具有2、3、4倍增緩沖端點(diǎn)FIF0，解決了高速模式下帶寬問題，較好適應(yīng)USB2．0數(shù)據(jù)高速傳輸速率。
(3)內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051內(nèi)核可運(yùn)行在48MHz的時(shí)鐘頻率下，每條指令只需4個(gè)時(shí)鐘周期，速度遠(yuǎn)高于普通805 l單片機(jī)。
1．3 圖像采集電路及實(shí)現(xiàn)
圖像采集系統(tǒng)原理圖如圖3所示，系統(tǒng)以0V9620和EZ―USB FX2為核心， 在整個(gè)采集電路中，0V9620的作用是通過感光陣列將來自透鏡的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)DO~D9，同時(shí)為USB傳輸提供了可靠的同步時(shí)序控制脈沖；EZ―USB FX2的作用是高速傳輸數(shù)字信號(hào)到PC機(jī)，同時(shí)為0V9620提供5V電源。利用片上MCU模擬I2C總線對(duì)0V9620的分辨率、對(duì)比度、亮度和曝光時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
當(dāng)采集設(shè)備連接到上位機(jī)上后，USB功能設(shè)備以高速的模式進(jìn)行設(shè)備的識(shí)別并枚舉。下載固件，使EZ―USBFX2工作于同步S1ave FIFO模式，同步讀寫。
設(shè)計(jì)中將USB固件程序下載到EEPROM 24LC64中，上電后主芯片首先檢測(cè)I2C總線上的E2PROM，判斷如首字節(jié)是OxC2，則把固件程序從E2PROM中自動(dòng)下載到自身的RAM中并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)重枚舉。從而提高系統(tǒng)的便攜性能。