基于影像傳感器MT9M111的視頻采集系統(tǒng)

cmos是圖像采集系統(tǒng)普遍存在圖像質(zhì)量問(wèn)題，如果沒(méi)有對(duì)圖像進(jìn)行專門的處理，則圖像質(zhì)量難以保障。

近些年來(lái)，隨著soc技術(shù)的快速發(fā)展，在圖像采集和處理領(lǐng)域，出現(xiàn)了soc影像傳感器，它集成cmos傳感器和圖形處理器功能，可以得到令人非常滿意的圖像質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的視頻采集系統(tǒng)采用了soc成像芯片mt9m111和usb2.0接口芯片cy7c68013。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，當(dāng)圖像傳感器開(kāi)始工作后，先將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)fpga控制邏輯存儲(chǔ)到sram1中，一幀圖像的采集/存儲(chǔ)過(guò)程結(jié)束后sram1進(jìn)入寫結(jié)束狀態(tài)，此時(shí)切換sram，sram2繼續(xù)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)，sram1處于可讀狀態(tài)，由fpga里的控制邏輯控制，將sram1中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絬sb芯片，然后傳輸?shù)街鳈C(jī)，本系統(tǒng)采用雙sram結(jié)構(gòu)和乒乓機(jī)制，兩片存儲(chǔ)器交替工作，使圖象的采集和傳輸并行進(jìn)行，雙幀存結(jié)構(gòu)不僅提高了系統(tǒng)的速度，而且，由于在fpga里實(shí)現(xiàn)各種圖像處理的算法大都需要比較大的存儲(chǔ)空間，所以兩個(gè)大容量sram在實(shí)現(xiàn)算法時(shí)可以充當(dāng)外部緩存。

mt9m111

本系統(tǒng)采用美光公司推出的集成cmos傳感器和圖形處理器的soc產(chǎn)品mt9m111。mt9m111是低功耗、低成本漸進(jìn)掃描cmos圖像傳感器；130萬(wàn)像素分辨率（1280h×1024v）；1/3英寸光學(xué)格式；全分辨率15fps的功耗為170mw，vga分辨率30fps的功耗為90mw，mt9m111采用低漏電dram工藝，配備了美光的digitalclraity專利技術(shù)，即使在最差的光照條件下也能提供清晰明亮的彩色圖像。mt9m111具有該低的暗電流，并降低了色度/亮度干擾和瞬間噪聲。mt9m111的嵌入可編程圖像流處理器提供的功能包括色彩恢復(fù)和修補(bǔ)、自動(dòng)曝光、白平衡、鏡頭陰影修正、增加清晰度、可編程灰度修正、黑暗電平失調(diào)修正、閃爍避免、連續(xù)調(diào)整濾波尺寸、平滑的數(shù)字變焦、快速自動(dòng)曝光模式和不工作時(shí)缺陷修正等。而且，還配備了兩線串行接口，usb芯片可以通這兩線串口對(duì)其進(jìn)行配置。

is61wv20488

與圖像處理有關(guān)的sram參數(shù)主要是sram的讀寫速度和容量。在容量方面，本系統(tǒng)采集圖像的最大分辨率為1280×1024，數(shù)據(jù)寬度為8位，2m×8bit的sram可以滿足存放一幀圖像數(shù)據(jù)的要求，sram的讀寫速度一般為12ns、15ns、20ns或者更慢，由于sram的讀寫速度直接影響整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的時(shí)鐘，所以scam的讀寫速度越快越好。本系統(tǒng)用issi公司的is61wv20488，芯片容量為2m×8bit。

cy7c68013

圖像數(shù)據(jù)傳輸部分采用cypress公司推出的專門用于usb2.0的接口芯片cy7c68013。該芯片包括帶815kb片上ram的增強(qiáng)性8051處理器（與標(biāo)準(zhǔn)8051系列兼容，速度提高3－5倍），4kb fifo存儲(chǔ)器和通用可編程接口i2c總線、串行接口引擎（sie）以及usb2.0收發(fā)器。

系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計(jì)由3部分構(gòu)成：圖像采集/存儲(chǔ)模塊、圖像傳輸模塊和usb驅(qū)動(dòng)/主機(jī)應(yīng)用程序模塊。

圖像采集/存儲(chǔ)模塊

該模塊主要由fpga的控制邏輯將成像芯片mt9m111采集到的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到sram中，在系統(tǒng)中采用雙幀存結(jié)構(gòu)，每個(gè)由一片is61wv20488 sram構(gòu)成，能夠存放一幀1280×1024分辨率的圖像數(shù)據(jù)。由于采用了乒乓機(jī)制，兩片存儲(chǔ)器之間交替工作，從而使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行，為確保在任何時(shí)刻只有一片sram可以讀取采集到的圖像數(shù)據(jù)，設(shè)置了一個(gè)讀互斥鎖，同樣，只有一個(gè)sram可接收采集到的圖像數(shù)據(jù)，因此，又設(shè)置了一個(gè)寫互斥鎖，需要注意的是，由于圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出速度要比usb2.0傳輸速度慢，所以，當(dāng)讀完sram2的數(shù)據(jù)以后，需要等待另一片sram1完成寫圖像數(shù)據(jù)后，才可以向sram2寫入下一幀圖像數(shù)據(jù)，而sram1無(wú)需等待便可以直接進(jìn)行讀取圖像數(shù)據(jù)的工作，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了并行工作，有效地提高了系統(tǒng)的工作效率。

圖2為系統(tǒng)控制電路的原理框圖，fpga內(nèi)部各個(gè)模塊均采用verilog hdl編寫。

圖像傳輸模塊

采集完一幀圖像后，要經(jīng)過(guò)usb時(shí)鐘信號(hào)控制模塊將外部ram中的圖像數(shù)據(jù)讀入到主機(jī)，在本圖像采集系統(tǒng)中，使用cy7c68013的slave fifo異步工作方式，把fifo配置成和ep2端口相連、每個(gè)數(shù)據(jù)包1024字節(jié)，4緩沖的方式，塊傳輸模式，這樣的設(shè)置可以滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)也有效地利用了內(nèi)部的4kb fifo來(lái)傳輸采集到的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制使用了falgb信號(hào)引腳，用來(lái)報(bào)告“fifo滿”的狀態(tài)，默認(rèn)為低電平有效。本文采用的是自動(dòng)輸入方式，當(dāng)fifo中的數(shù)據(jù)滿一定量時(shí)，ez－usb－fx2就直接通過(guò)fifo把數(shù)據(jù)傳送到usb收發(fā)器，而不經(jīng)過(guò)cpu的干預(yù)，這樣就提高了傳輸速度，本系統(tǒng)當(dāng)fifo滿1kb時(shí)開(kāi)始自動(dòng)發(fā)送。

usb驅(qū)動(dòng)和主機(jī)應(yīng)用程序模塊

usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是usb系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)，尤其是在本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大且速度要求高的情況下，就要編寫出高效的usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，才能保證高分辨率圖像的實(shí)時(shí)傳輸，本系統(tǒng)采用ddk來(lái)開(kāi)發(fā)wdm驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)際上，usb客戶驅(qū)動(dòng)程序中包含大量的例程，對(duì)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序有很大的幫助。

主機(jī)應(yīng)用程序的主要功能是通過(guò)usb接口讀取圖像數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)圖像，為提高主機(jī)應(yīng)用程序的效率，可以使用雙線程。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用具有130萬(wàn)像素的影像傳感器mt9m111，保證了圖像質(zhì)量，采用usb2.0接口芯片cy7c68013保證了圖像的實(shí)時(shí)傳輸，且設(shè)計(jì)靈活，為實(shí)現(xiàn)各種圖像處理算法提供了軟/硬件支持。