基于高速A／D轉(zhuǎn)換器的視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：針對(duì)視頻采集系統(tǒng)需要對(duì)攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化、采樣、存儲(chǔ)的要求，設(shè)計(jì)基于高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC551O的視頻采集系統(tǒng)。模擬視頻信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為8位灰度值，16位微處理器MC9S12DG128B通過(guò)普通IO口，控制FIFO存儲(chǔ)器uPD42280寫(xiě)入和讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的高精度采集。分析了主要芯片的工作原理及時(shí)序，描述了軟件控制圖像數(shù)據(jù)采集流程。并將采得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，與實(shí)際圖像對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在單行掃描時(shí)問(wèn)50μs內(nèi)能采集160個(gè)以上的有效像素點(diǎn)，成像質(zhì)量高，能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單圖像處理算法對(duì)數(shù)據(jù)的要求。
關(guān)鍵詞：A／D轉(zhuǎn)換器；FIFO存儲(chǔ)器；時(shí)序；視頻圖像數(shù)據(jù)

國(guó)內(nèi)外的視頻圖像采集方法很多，基本分為兩大類(lèi)：自動(dòng)圖像采集和基于處理器的圖像采集。自動(dòng)圖像采集多采用專(zhuān)門(mén)的視頻解碼芯片，如SAA7113，TVP5150等，自動(dòng)完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，并輸出行、場(chǎng)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器地址產(chǎn)生，一般以DSP為主處理器，除了對(duì)采集模式進(jìn)行初始化設(shè)置外，主處理器不參與采集過(guò)程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采集不占用CPU的時(shí)間，實(shí)時(shí)性較好，適合于對(duì)圖像數(shù)據(jù)的精度要求較高和算法復(fù)雜的場(chǎng)合，如車(chē)道識(shí)別、車(chē)輛識(shí)別等方向的應(yīng)用。但是該方案對(duì)處理器的速度有很高的要求，成本較高，且電路復(fù)雜。基于處理器的圖像采集則采用視頻同步信號(hào)分離芯片產(chǎn)生行、場(chǎng)中斷信號(hào)，用微處理器內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)圖像的采集。圖像的采集過(guò)程在CPU控制下完成，由CPU啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。該方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單圖像采集系統(tǒng)的需要。但數(shù)據(jù)采集占用CPU時(shí)間，采集速度受微處理器A／D轉(zhuǎn)化時(shí)間限制。
本文提出了基于獨(dú)立的高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5510的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能高速采集較高精度的視頻數(shù)據(jù)，可適用于智能車(chē)比賽、室內(nèi)導(dǎo)盲、車(chē)隊(duì)仿真平臺(tái)、移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)等道路環(huán)境相對(duì)單一。圖像處理算法簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)主要適用于符合PAL制式的模擬攝像頭輸出視頻信號(hào)的采集。一般的模擬攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。同時(shí)，視頻信號(hào)端輸出還隱含了場(chǎng)同步信號(hào)、行同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)同步信號(hào)等信息，因此實(shí)際輸出的是復(fù)合視頻信號(hào)。
本系統(tǒng)采用MC9S12DGl28B作為處理器，針對(duì)信號(hào)特點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)思想如下：首先，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的視頻同步信號(hào)分離芯片LM1881提取復(fù)合視頻信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖，并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電平直接輸給單片機(jī)的中斷口作為控制信號(hào)。同時(shí)采用高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5510對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，使視頻電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表圖像灰度的數(shù)字信號(hào)輸出。接著采用FIFO存儲(chǔ)器uPD42280作為視頻數(shù)據(jù)的緩存，在行中斷服務(wù)函數(shù)中對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)控制，將A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫(xiě)入其內(nèi)存中。最后，當(dāng)一場(chǎng)圖像結(jié)束時(shí)，在場(chǎng)中斷服務(wù)函數(shù)中通過(guò)單片機(jī)的8位IO口將視頻數(shù)據(jù)讀回。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，在單片機(jī)與FIFO存儲(chǔ)器之間加了一級(jí)74HC245，作為數(shù)據(jù)緩沖。為保證采集同步，LC5510 uPD42280和74HC245采用同一有源晶振作為轉(zhuǎn)換和讀寫(xiě)的時(shí)鐘源。本系統(tǒng)框架如圖1所示。