基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 為圖像采集系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)選用OminiVisiON公司生產(chǎn)的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一個(gè)640×480 (30萬像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達(dá)60Hz，逐行掃描時(shí)為30幀/s。其像面大小為1/3英寸，支持8位或16位數(shù)字信號(hào)從單通道或雙通道輸出，輸出信號(hào)的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇，圖像矩陣支持VGA或CIF 規(guī)定， 數(shù)字輸出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等標(biāo)準(zhǔn)。OV7620有很強(qiáng)的攝像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩陣，窗口選擇等，所有這些功能都可以通過I2C接口進(jìn)行編程控制。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系統(tǒng)中處于核心地位，既要負(fù)責(zé)將OV7620輸出的視頻數(shù)據(jù)存入SRAM，又要與MCU配合完成視頻數(shù)據(jù)的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機(jī)C8051F020，它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài)， C8051F020自帶SMBUS總線接口，可以把I2C的時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過交叉開關(guān)分配到端口引腳，MCU作為I2C總線通訊的主機(jī)，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作為從機(jī)地址與MCU進(jìn)行通信。另外MCU還控制USB 通信，負(fù)責(zé)USB芯片的初始化和與PC的通信連接，其64KB 的flash程序存儲(chǔ)空間足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，該芯片為高速靜態(tài)RAM，存儲(chǔ)時(shí)間在10ns左右， 可以滿足OV7620 的速度要求， 其512KB的存儲(chǔ)空間足以用來存儲(chǔ)30萬像素的視頻數(shù)據(jù)(Bayer2pattern: 每一像素包含一個(gè)字節(jié)的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，該芯片支持USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和DMA傳輸模式。

圖像采集部分

OV7620的輸出特性

OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，針對(duì)我們的較小系統(tǒng)，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實(shí)現(xiàn)是通過MCU 的I2C編程控制的。當(dāng)OV7620 設(shè)置工作方式穩(wěn)定后，它就會(huì)輸出視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)還有3個(gè)重要的參考信號(hào)輸出:幀同步信號(hào)SYNC，水平同步信號(hào)HREF，和像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK。參見圖2，每一個(gè)幀同步信號(hào)SYNC 周期包含480 個(gè)水平同步信號(hào)HREF脈沖，而每一個(gè)HREF周期包含640個(gè)PCLK時(shí)鐘脈沖。每一個(gè)PCLK時(shí)鐘輸出一個(gè)像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標(biāo)準(zhǔn)的Bayer-pattern彩色RGB數(shù)據(jù)) 。

圖2　圖像采集信號(hào)時(shí)序