基于A(yíng)RM+CPLD的實(shí)時(shí)圖像采集模塊設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了32位嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了在嵌入式實(shí)時(shí)圖像采集的重要性和存在問(wèn)題，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)總線(xiàn)接口的實(shí)時(shí)圖像采集模塊的實(shí)現(xiàn)方法。

　　關(guān)鍵詞：32位嵌入式系統(tǒng) CMOS攝像 實(shí)時(shí)圖像采集

　　1 32位嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1.1 32位嵌入式系統(tǒng)概述

　　嵌入式系統(tǒng)是后PC時(shí)代的主導(dǎo)，當(dāng)?shù)投说那度胧较到y(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的更高要求時(shí)，32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。32位嵌入式系統(tǒng)是電腦硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合。嵌入式設(shè)計(jì)的目的在于滿(mǎn)足某種特殊的功能。嵌入式系統(tǒng)的大體構(gòu)架可分為五部分：處理器、內(nèi)存、輸入與輸出、操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件。 32位嵌入式系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩個(gè)平臺(tái)。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括處理器電路、網(wǎng)絡(luò)功能、無(wú)線(xiàn)通信及使用接口等的設(shè)計(jì)。嵌入式軟件為信息、通信網(wǎng)絡(luò)或消費(fèi)性電子產(chǎn)品等系統(tǒng)中的必備軟件，為硬件產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序、控制處理和基本接口功能服務(wù)，以提高硬件產(chǎn)品的價(jià)值。嵌入式軟件為該硬件產(chǎn)品不可缺少的重要組成部分。

　　1.2 32位嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　嵌入式系統(tǒng)把微處理器(CPU)或者微控制器(MCU)的系統(tǒng)電路與其專(zhuān)用的軟件平臺(tái)相結(jié)合，以此來(lái)達(dá)到系統(tǒng)操作的最高效率。目前的移動(dòng)電話(huà)、手表、電子游戲機(jī)、PDA、電視、冰箱等民用電子與通信設(shè)備，電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)機(jī)車(chē)等電動(dòng)產(chǎn)品的控制核心，無(wú)不與32位嵌入式系統(tǒng)息息相關(guān)。32位嵌入式系統(tǒng)早已融入了人們的日常生活，嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品主要集中在信息家電、通信產(chǎn)品、工業(yè)控制器、掌上電腦(PDA)領(lǐng)域。家電、玩具、汽車(chē)、新一代手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備也都采用了32位嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)。隨著后PC時(shí)代的到來(lái)，有理由相位32位嵌入式系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。

　　2 實(shí)時(shí)圖像采集的重要性和存在的問(wèn)題

　　實(shí)時(shí)圖像的采集和處理在現(xiàn)代多媒體技術(shù)中占有極其重要的地位。日常生活中所見(jiàn)到的數(shù)碼相機(jī)、可視電話(huà)、多媒體IP電話(huà)和電話(huà)會(huì)議等產(chǎn)品，實(shí)時(shí)圖像采集是最核心的技術(shù)。圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的整體效果。眾所周知，視頻圖像數(shù)字化后數(shù)據(jù)量非常龐大，對(duì)如此大量高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中技術(shù)難度最大的部分。例如，一幅大小為352%26;#215;288、彩色深度為16的圖像，其數(shù)據(jù)量為0.5MB。而依據(jù)人的視覺(jué)特性，25幅圖像連續(xù)播放才能使人感到一幅動(dòng)態(tài)的畫(huà)面，這意味著必須要有5MB的原始數(shù)據(jù)量才能保證畫(huà)面的連續(xù)?？梢?jiàn)如何實(shí)現(xiàn)視頻圖像的高保真數(shù)字化并且采取科學(xué)合理的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸是該領(lǐng)域必須解決首要問(wèn)題。

　　目前大多數(shù)視頻圖像采集采用攝像頭傳感器，再通過(guò)視霸卡或?qū)崟r(shí)圖像采集(壓縮)卡對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集(或壓縮)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于攝像機(jī)的輸出已轉(zhuǎn)換成模擬NTSC或PAL制式并以Svideo或混合視頻信號(hào)方式輸出，且攝像頭傳感器的象素點(diǎn)在輸出時(shí)序上很難與采集卡的采樣點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，因此視頻圖像數(shù)字化后圖像質(zhì)量損失較大，圖像分辨率上限受限式限制。另外，這種方法存在系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等局限性，不便于推廣和普及應(yīng)用。為此，最新出現(xiàn)了采用先進(jìn)攝像技術(shù)的圖像采集卡，極大地改善了圖像質(zhì)量損失較大、成本高、不便于推廣等缺點(diǎn)。這類(lèi)先進(jìn)攝像技術(shù)(如CMOS攝像技術(shù))的采集卡的突出優(yōu)點(diǎn)是占用計(jì)算機(jī)資源少，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，通用性好。例如采用USB接口的攝像頭在一定程度上滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)性要求，突出了采樣速率高、圖像質(zhì)量高、通用性好的特點(diǎn)。但采用這種技術(shù)的圖像采集卡必須具有壓縮處理，且圖像大小受限制，成本隨之提高。為此，本文以O(shè)mmVision公司的OV6630芯片為例，提高一種新的基于32位嵌入式系統(tǒng)ISA總線(xiàn)接口的實(shí)時(shí)圖像采集技術(shù)，旨在充分利用其快速、圖像質(zhì)量高、成本低和通用性好的優(yōu)點(diǎn)。

　　3 實(shí)時(shí)圖像采集主芯片介紹

　　CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭芯片OV6630將CCD攝像機(jī)和相應(yīng)的視頻A/D轉(zhuǎn)換及視頻輸出電路集成在一個(gè)芯片上，從而在實(shí)現(xiàn)高保真數(shù)字圖像的前提下顯著地降低了成本和體積。356%26;#215;292的CCD陣列掃描輸出原始的R、G、B彩色圖像信號(hào)，經(jīng)模擬處理電路進(jìn)行曝光、校正、白電平調(diào)整等處理后，根據(jù)輸出要求還要轉(zhuǎn)換成YUV等移種信號(hào)輸出形式，其模擬視頻信號(hào)經(jīng)兩路8位視頻A/D轉(zhuǎn)換后由視頻接口輸出16位的YUV或RGB4:2:2格式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻圖像信號(hào)。OV6630的視頻時(shí)序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步等多種同步信號(hào)及象素時(shí)鐘等多種內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào);I2C接口使外部CPU通過(guò) I2C總線(xiàn)控制OV6630的各種工作狀態(tài)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出格式和讀取內(nèi)部狀態(tài)信息等。CMOS數(shù)字?jǐn)z像芯片OV6630的工作時(shí)序如圖1所示。 圖3 圖像采集卡在采集數(shù)據(jù)時(shí)的工作時(shí)序 其中，VSYNV為場(chǎng)同步輸出脈沖，HREF為行同步輸出信號(hào)，PCLK是用來(lái)鎖存有效數(shù)據(jù)的時(shí)鐘(當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為17.73MHz時(shí)，PCLK為 8.86MHz)，即象素時(shí)鐘，Y[7:0]是8位亮度數(shù)據(jù)總線(xiàn),UV[7:0]為8位色度數(shù)據(jù)總線(xiàn)。

　　4 實(shí)時(shí)圖像采集框圖及工作原理

　　本圖像采集模塊基于Intel StrongARM SA1110 32位高端嵌入式CPU，CMOS攝像頭芯片采用OmmVision的OV6630，可編程邏輯器件是Xilinx公司推出的CPLD芯片 XCR3128XL。實(shí)時(shí)圖像采集模塊框圖如圖2所示。圖像采集卡由五大部分組成：CMOS攝像頭電路、CPLD控制、鎖存器、SRAM存儲(chǔ)器和32位嵌入式系統(tǒng)總線(xiàn)接口。 圖像采集卡的工作原理為：系統(tǒng)上電時(shí)，只要攝像頭OV6630的電源使能信號(hào)(PWDN)為低電平，它就處于正常的工作模式，即OV6630的 Y[7:0]和UV[7:0]信號(hào)線(xiàn)上就會(huì)輸出圖像數(shù)據(jù);接收到來(lái)自CPU的有效采集啟動(dòng)信號(hào)后，可編程邏輯器件CPLD會(huì)判斷OV6630的場(chǎng)同步信號(hào) (VSYNC)是否為1，若為1，則復(fù)位地址線(xiàn)，即保證地址線(xiàn)A[16:0]=00000000000000000，而此17位地址線(xiàn)直接與存儲(chǔ)器 SRAM的地址信號(hào)線(xiàn)相連，選通SRAM準(zhǔn)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)VSYNC信號(hào)為0、行同步信號(hào)HREF為1，且象素時(shí)鐘PCLK信號(hào)處上升沿時(shí)，可以使鎖存允許信號(hào)為低電平，同時(shí)使鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)1上產(chǎn)生一上升沿，將第一個(gè)象素點(diǎn)的數(shù)據(jù)Y[7:0]和UV[7:0]鎖存進(jìn)鎖存器1。由于CPU采用32位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，而每個(gè)象素點(diǎn)的數(shù)據(jù)是16位的，所以本設(shè)計(jì)在CPLD中做一個(gè)用來(lái)指示象素奇偶的計(jì)數(shù)器，將奇數(shù)象素點(diǎn)的數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器1中，將偶數(shù)象素點(diǎn)的數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器2中。等到“湊齊”了32位的圖像數(shù)據(jù)，再將存儲(chǔ)器片選信號(hào)CAP_RAMCS和存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)CAP_RAMWR同時(shí)拉為低電平，則32位數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)存儲(chǔ)SRAM中。其仿真時(shí)序如圖3所示。CPLD還完成一幀圖像(352%26;#215;288或176%26;#215;144)象素點(diǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)。當(dāng)采集完一幀圖像后，CPLD產(chǎn)生一中斷請(qǐng)求信號(hào)，通知CPU可以讀走數(shù)據(jù)。如果得到CPU發(fā)出的中斷響應(yīng)，則中斷響應(yīng)信號(hào)有效(低有效)。 CPLD在收到中斷響應(yīng)信號(hào)后，使存儲(chǔ)器片選信號(hào)和存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)同時(shí)為低電平，CPU讀取數(shù)據(jù)，直到讀完一幀圖像數(shù)據(jù)，其仿真時(shí)序如圖4所示。 圖4 嵌入式32位CPU讀取一幀圖像數(shù)據(jù)的時(shí)序

　　本設(shè)計(jì)是基于32位嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像采集，其突出的優(yōu)點(diǎn)是：圖像質(zhì)量無(wú)損、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、接口電路簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)。由于該圖像采集卡體積小，可應(yīng)用于可視電話(huà)、多媒體IP電話(huà)等手掛式或便攜移動(dòng)式圖像處理設(shè)備。更重要的是它為嵌入式系統(tǒng)中視頻圖像捕獲提供了另外一種新的方法。只要做一簡(jiǎn)單的接口變換電路就可以很方便地移植到不同的符合總線(xiàn)接口的嵌入式系統(tǒng)中，具有一定的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。