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標(biāo)題: 基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) [打印本頁(yè)]

作者: conniede 時(shí)間: 2010-8-2 22:59
標(biāo)題: 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(wàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)存儲(chǔ)30萬(wàn)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(guò)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

圖像存儲(chǔ)方式

根據(jù)640 ×480 的像素輸出特點(diǎn)，將512KB 的RAM分成512行，每行1KB空間，由A0～A9共10條地址線選通行內(nèi)地址記為低位地址：ADDR-L；高位A18～A10共9條地址線選通各行記為高位地址：ADDR-H。為保證OV7620 采集的數(shù)據(jù)同步寫入SRAM中，用CPLD宏單元設(shè)計(jì)了2個(gè)地址計(jì)數(shù)器:低位計(jì)數(shù)器ADDR-L和高位記數(shù)器ADDR-H。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)采集開始時(shí)( SYNC信號(hào)低有效) ，記數(shù)器由0開始記數(shù)，每來(lái)一個(gè)像素時(shí)鐘PCLK使低位計(jì)數(shù)器順序加1，完成1行像素的寫入，OV7620產(chǎn)生的行同步信號(hào)HREF使低位計(jì)數(shù)器清0，并使高位記數(shù)器順序加1，改變行地址直到完成480行寫入后產(chǎn)生幀同步信號(hào)，并使高位計(jì)數(shù)器清0，這樣完成1幀圖像數(shù)據(jù)的緩存，詳細(xì)的圖像采集信號(hào)時(shí)序如圖2。512KB的SRAM芯片實(shí)際上只用了640 ×480約300多KB 的存儲(chǔ)空間。芯片工作方式設(shè)定在PCLK信號(hào)的下降沿更新數(shù)據(jù)；在上升沿，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定時(shí)期，所以如圖2，在PCLK信號(hào)的下降沿更新SRAM的地址信號(hào)ADDR；在PCLK信號(hào)上升沿使/WR信號(hào)有效，然后寫數(shù)據(jù)到SRAM 中。其中CPLD控制SRAM的寫數(shù)據(jù)邏輯用VHDL 語(yǔ)言編寫，用MAX+PLUSII工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。

圖像傳輸部分

類似DMA方式數(shù)據(jù)傳輸

視頻數(shù)據(jù)按行列關(guān)系有序存入SRAM芯片后，就可以順序讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。傳統(tǒng)的USB 傳輸方式是MCU 先從SRAM 中取得數(shù)據(jù)再送到PDIUBD12；通過(guò)PDIUBD12發(fā)送到主機(jī)。不管是MCU從SRAM取數(shù)據(jù)還是向作為外設(shè)的PDIUBD12寫數(shù)據(jù)，速度都較慢。因此我們考慮用系統(tǒng)中的CPLD控制來(lái)實(shí)現(xiàn)類似DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，單片機(jī)負(fù)責(zé)解釋USB的控制傳輸。當(dāng)要進(jìn)行從外存取數(shù)送到PDIUBD12時(shí)，單片機(jī)讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產(chǎn)生外存的讀信號(hào)和地址，同時(shí)產(chǎn)生PDIUBD12的寫信號(hào)和地址，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到PDIUBD12接口芯片的傳送。這種類似DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸解決了由單片機(jī)控制引起的速度瓶頸，極大提高了傳輸速度，最大限度發(fā)揮了USB的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)

當(dāng)主機(jī)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)控制管道發(fā)送請(qǐng)求，MCU接到命令后立即讓OV7620 讓出SRAM的數(shù)據(jù)總線，并通知PDIUBD12準(zhǔn)備好用于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞫它c(diǎn)，然后發(fā)送TXCOM 命令信號(hào)給CPLD (見圖1) ，通知CPLD開始傳送數(shù)據(jù)；當(dāng)完成64B的數(shù)據(jù)傳送后， CPLD向單片機(jī)發(fā)送TXEND信號(hào)，以示64B 傳送完畢，并等待下一個(gè)TXCOM信號(hào)，進(jìn)行下一個(gè)64B的傳送。單片機(jī)和CPLD通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)完成握手。CPLD在接收到TXCOM命令后，地址總線正確恢復(fù)上次傳輸?shù)降腟RAM地址(第一次傳輸時(shí)地址為0) ，并且控制MCU讓出PDIUBD12的數(shù)據(jù)總線，然后產(chǎn)生SRAM讀信號(hào)/RD，此時(shí)數(shù)據(jù)總線上就有了要傳送的數(shù)據(jù)；同時(shí)產(chǎn)生PDIUBD12 的寫數(shù)據(jù)標(biāo)志信號(hào)A0和寫信號(hào)/D12WR，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入PDIUBD12，完成數(shù)據(jù)從SRAM 到PDIUBD12 的傳送。其傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3。注意， PDIUBD12的寫數(shù)據(jù)信號(hào)/D12WR， SRAM 的讀數(shù)據(jù)信號(hào)/RD 和SRAM的地址信號(hào)ADDR時(shí)序要嚴(yán)格配合。當(dāng)每一次完成64B 的數(shù)據(jù)傳輸后， CPLD 要發(fā)送TXEND 信號(hào)給MCU。整個(gè)傳輸過(guò)程控制嚴(yán)密緊湊，所有CPLD邏輯控制程序均采用VHDL 語(yǔ)言編寫，經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)傳輸速度擺脫了單片機(jī)的影響，幾乎接近PDIUBD12的極限速度。

圖3　圖像傳輸信號(hào)時(shí)序

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括USB設(shè)備固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。

設(shè)備固件程序

設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，其主要的功能是控制接口芯片PDIUBD12并完成USB1.1協(xié)議(包括標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請(qǐng)求、廠商請(qǐng)求處理、設(shè)置設(shè)備接口等) 。值得一提的是，此系統(tǒng)的單片機(jī)程序除了USB設(shè)備固件程序外，還有單片機(jī)對(duì)OV7620 的I2C控制軟件，與CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C進(jìn)行編制，最后鏈接后下載到MCU中。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在Windows操作系統(tǒng)中通過(guò)運(yùn)行內(nèi)核層的驅(qū)動(dòng)程序才能控制硬件， USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用標(biāo)準(zhǔn)WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)。WDM采用IRP驅(qū)動(dòng)機(jī)制。當(dāng)應(yīng)用程序提出I/O請(qǐng)求時(shí)，它調(diào)用WIN32AP I函數(shù)向設(shè)備發(fā)出命令，然后由I/O管理器構(gòu)成一個(gè)IRP，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序收到該IRP后，取出其中的控制碼來(lái)找到對(duì)應(yīng)的例程入口。在本系統(tǒng)開發(fā)中，驅(qū)動(dòng)程序采用了DR IVERSTUD IO提供的DR IVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代碼生成工具(DR IVER WIZARD)及相應(yīng)的類庫(kù)。開發(fā)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)用W IZARD 工具開發(fā)，自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序的. INF安裝信息文件。對(duì)USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)DR IVERW IZARD生成的代碼只需做少量的修改便可，最后對(duì)項(xiàng)目編譯鏈接后生成.SYS驅(qū)動(dòng)程序。

應(yīng)用程序
　　
在Win2系統(tǒng)中，把每個(gè)設(shè)備抽象為文件，應(yīng)用程序就通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的文件操作AP I函數(shù)實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備通信。USB通信常使用的API函數(shù)有:CreatFile， WriteFile， ReadFile， DeviceControl， CloseFile等。在應(yīng)用程序時(shí)只需將上述函數(shù)加入到相應(yīng)的功能模塊中便可完成應(yīng)用程序?qū)SB 設(shè)備進(jìn)行打開、讀、寫操作，這樣就完全實(shí)現(xiàn)了兩者的通信。應(yīng)用程序最終實(shí)現(xiàn)了VGA， CIF等圖像格式的應(yīng)用。

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