高校計算機(jī)專業(yè)高級學(xué)術(shù)論文

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　　嵌入式系統(tǒng)數(shù)字圖像采集接口電路設(shè)計全文如下：

　　摘要：本文介紹了兩種用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字圖像采集接口方法，I/O接口和內(nèi)存直接寫入。在對采集速度要求不高的應(yīng)用中，I/O接口方法可以簡化接口電路設(shè)計，減少系統(tǒng)資源。對于要求實時進(jìn)行圖像處理的系統(tǒng)，直接寫入內(nèi)存法可以在不需要處理器干預(yù)的情況下，直接將圖像數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)存儲區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)高速圖像采集。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，圖像采集，電路設(shè)計

　　一、引言

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，具有圖像功能的嵌入式應(yīng)用愈來愈多。從數(shù)碼相機(jī)、可視電話、多功能移動電話等消費(fèi)產(chǎn)品到門禁、數(shù)字視頻監(jiān)視等工業(yè)控制及安防產(chǎn)品，圖像采集和處理已成為重要的組成部分之一。圖像采集需要進(jìn)行同步信號的處理，比通常的A/D數(shù)據(jù)采集過程復(fù)雜，電路的設(shè)計也較為困難。傳統(tǒng)PC上的圖像采集卡都是在Philips、Brooktree等半導(dǎo)體公司提供的接口芯片基礎(chǔ)上，由專業(yè)公司開發(fā)生產(chǎn)。在嵌入式系統(tǒng)中不同的處理器和圖像傳感器的信號定義及接口方式不同，沒有通用的接口芯片。另外，利用系統(tǒng)中的現(xiàn)有資源設(shè)計圖像采集電路，可以減少器件數(shù)量、縮小產(chǎn)品體積和降低系統(tǒng)成本。所以，通常嵌入式系統(tǒng)中要求自行設(shè)計圖像采集接口電路。本文針對不同采集速度的要求，提出了兩種圖像采集接口電路的設(shè)計方法。

　　目前市場上主流的圖像傳感器有CCD、CMOS兩種器件，其中CMOS器件上世紀(jì)90年代產(chǎn)生，近年來得到了迅速發(fā)展。傳感器的輸出有模擬和數(shù)字兩種。由于CMOS器件功耗小、使用方便，具有直接數(shù)字圖像輸出功能，作者在設(shè)計時選用了CMOS數(shù)字輸出圖像傳感器件。其他方式器件的接口設(shè)計與此類似，將在討論中說明。

　　本文內(nèi)容做如下安排：第二部分簡述圖像信號的特點;第三、四部分分別介紹I/O和內(nèi)存直接寫入兩種接口設(shè)計方法;最后部分是討論。

　　二、圖像信號介紹

　　圖1給出了采樣時鐘(PCLK)和輸出數(shù)據(jù)(D)之間的時序關(guān)系。在讀取圖像數(shù)據(jù)時用PCLK鎖存輸出數(shù)據(jù)。除采樣時鐘(PCLK)和數(shù)據(jù)輸出(D)外，還有水平方向的行同步信號(HSYNC))和垂直方向的場同步信號(VSYNC)。對于隔行掃描器件，還有幀同步信號(FRAME)。如圖2，一幀包括兩場。圖2中窄的矩形條是同步脈沖，同步脈沖期間數(shù)據(jù)端口輸出的數(shù)據(jù)無效。

　　PLCK存在時，圖像數(shù)據(jù)端口連續(xù)不斷地輸出數(shù)據(jù)。由于行之間以及場之間輸出數(shù)據(jù)無效，在采集圖像數(shù)據(jù)必須考慮同步信號，讀取有效數(shù)據(jù)才能保證圖像的完整性。

　　三、I/O接口設(shè)計

　　對于MCU、DSP處理器，I/O是最方便的訪問方式之一。以I/O方式讀取圖像數(shù)據(jù)不僅可以簡化電路設(shè)計，而且程序也很簡單。但由于讀取每一個像素都要檢測狀態(tài)，在處理器速度低的情況下，讀取圖像慢。在處理器速度快或圖像采集速度要求不高的應(yīng)用中，I/O接口方式是一個較好的選擇。

　　1、電路原理和結(jié)構(gòu)

　　在圖像傳感器和處理器之間，利用兩個鎖存器分別鎖存狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)，處理器通過兩個I/O端口分別讀取。圖3中，在采樣時鐘的上升沿數(shù)據(jù)鎖存器保存?zhèn)鞲衅鬏敵龅膱D像數(shù)據(jù)，當(dāng)處理器通過I/O口讀取圖像時，數(shù)據(jù)鎖存器輸出數(shù)據(jù)。其它情況下，鎖存器輸出處于高阻狀態(tài)。處理器通過狀態(tài)鎖存器讀取同步信號和圖像就緒(Ready)指示信號。在數(shù)據(jù)鎖存器保存圖像數(shù)據(jù)的同時，狀態(tài)鎖存器產(chǎn)生Ready信號(從‘0’到‘1’)。處理器讀取圖像數(shù)據(jù)時，Ready信號自動清除(從‘1’到‘0’)。處理器讀取狀態(tài)時鎖存器驅(qū)動總線，其他情況下輸出處于高阻狀態(tài)。

　　2、圖像讀取流程

　　要保證圖像的完整性就必須從一場圖像的第一行開始讀取，對于隔行掃描輸出的圖像則必須從一幀的第一行開始讀取。讀取每行圖像數(shù)據(jù)時，則從該行的第一個像素開始。因此，在讀取圖像數(shù)據(jù)前應(yīng)先判斷場和行的起始位置。圖4是通過I/O接口方式讀取圖像數(shù)據(jù)的流程。讀取每個像素數(shù)據(jù)前先查詢數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好則讀取數(shù)據(jù)。

　　3、同步信號檢測

　　為了簡化電路設(shè)計，用處理器直接讀取同步信號，然后找出場和行的起始位置。

　　從圖2可以看出，處理器讀取同步信號時，信號可能處在同步脈沖狀態(tài)(‘1’)或正常狀態(tài)(‘0‘)。對于那些同步信號反向的器件，則分別為‘0’和‘1’。如果信號處于同步脈沖狀態(tài)，第一次檢測到的正常狀態(tài)就起始位置。如果信號處于正常狀態(tài)，則首先檢測到脈沖狀態(tài)，然后用同樣的方法確定起始位置。

　　通過上述方法可以檢測出場的起始位置和行起始位置。

　　4、用VHDL設(shè)計鎖存器

　　在應(yīng)用中，以上兩個鎖存器的功能和其他邏輯集中在一起，用可編程邏輯器件實現(xiàn)。下面分別為它們的VHDL表示。

　　設(shè)DO(0-7)是鎖存器輸出端，DI(0-7)是鎖存器輸入端，DM(0-7)是中間狀態(tài)，Data_R是數(shù)據(jù)讀信號(低電平時有效)，則數(shù)據(jù)鎖存器的VHDL描述為：

　　Process (reset, PCLK) -- 鎖存圖像數(shù)據(jù)

　　Begin

　　If reset='0' then

　　DM<="00000000"; -- 清除數(shù)據(jù)

　　Else if PCLK'event and PCLK='1' then

　　DM<=DI; -- 鎖存數(shù)據(jù)

　　End if;

　　End process;

　　Process (DM, Data_R) -- 讀取圖像數(shù)據(jù)

　　Begin

　　If Data_R='0' then

　　DO<=DM; -- 輸出圖像數(shù)據(jù)

　　Else

　　DO<="ZZZZZZZZ" -- 輸出高阻

　　End if;

　　End process;

　　進(jìn)一步設(shè)數(shù)據(jù)有效狀態(tài)為Dstatus, 狀態(tài)讀寫信號為Status_R (低點平時有效)，則狀態(tài)鎖存器的VHDL描述為：

　　Process (reset, PCLK，Data_R) -- 數(shù)據(jù)有效狀態(tài)控制

　　Begin

　　If reset='0' or Data_R='0' then

　　Dstatus<='0'; -- 清除狀態(tài)

　　Else if PCLK'enent and PCLK='1' then

　　Dstatus<='1'; -- 設(shè)置狀態(tài)

　　End if;

　　End process;

　　Process (Dstatus, Status_R) --讀取狀態(tài)和同步信號

　　Begin

　　If Status_R='0' then

　　DO0<=Dstatus;

　　DO1<=VSYNC;

　　DO2<=HSYNC;

　　DO3<=FRAME;

　　Else

　　DO<="ZZZZZZZZ"; -- 高阻狀態(tài)

　　End if;

　　End process;

　　四、內(nèi)存直接寫入接口設(shè)計

　　在處理器速度較慢且圖像數(shù)據(jù)輸出的頻率不能降低的情況下，采用上述I/O接口方法不能得到完整的圖像。另外，有些應(yīng)用中要求能夠?qū)崟r采集圖像。為此，我們設(shè)計了高速數(shù)據(jù)圖像采集方法―內(nèi)存直接寫入法。由于SRAM訪問控制簡單，電路設(shè)計方便，被大量嵌入式系統(tǒng)采用，本文以SRAM作為存儲器。

　　1、電路原理和結(jié)構(gòu)

　　內(nèi)存直接寫入方法通過設(shè)計的圖像采集控制器(以下簡稱控制器)不需處理器參與，直接將圖像數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)中的內(nèi)存中，實現(xiàn)高速圖像采集。

　　圖5是接口結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)需要采集圖像時，處理器向控制器發(fā)出采集請求，請求信號capture_r從高到低?？刂破鹘拥秸埱竺}沖后，發(fā)出處理器掛起請求信號HOLD,使處理器的外總線處于高阻狀態(tài)，釋放出總線?？刂破魇盏教幚砥鲬?yīng)答HOLDA后管理總線，同時檢測圖像同步信號。當(dāng)檢測到圖像開始位置時，控制器自動產(chǎn)生地址和讀寫控制信號將圖像數(shù)據(jù)直接寫入內(nèi)存中。圖像采集完成后，控制器自動將總線控制權(quán)交還處理器，處理器繼續(xù)運(yùn)行，控制器中與采集相關(guān)的狀態(tài)復(fù)位?？刂破骺梢愿鶕?jù)同步信號或設(shè)定的采集圖像大小確定采集是否完成。

　　在圖5中，控制器包括同步信號檢測、地址發(fā)生器、SRAM寫控制器、總線控制器和處理器握手電路等主要部分。同步信號檢測確定每一場(幀)和每一行的起始位置;地址發(fā)生器產(chǎn)生寫SRAM所需的地址;SRAM寫控制器產(chǎn)生寫入時序;總線控制器在采集圖像時管理總線，采集完成后自動釋放;處理器握手電路接受處理器命令、發(fā)總線管理請求和應(yīng)答處理器。

　　2、SRAM寫控制時序

　　采集圖像過程中，控制器自動將數(shù)據(jù)寫入到硬件設(shè)定的內(nèi)存中。寫內(nèi)存時，控制器產(chǎn)生RAM地址(A)、片選信號(/CS)、讀信號(/RD)和寫信號(/WD)，同時鎖存?zhèn)鞲衅鬏敵龅臄?shù)據(jù)并送到數(shù)據(jù)總線(D)上。每寫入一個數(shù)據(jù)后，地址(A)自動增1。采集時/CS保持有效(‘0’)狀態(tài)而/RD處于無效狀態(tài)(‘1’)。地址A的變化必須與/WD和數(shù)據(jù)鎖存器協(xié)調(diào)好才能保證圖像數(shù)據(jù)的有效性。

　　圖6是控制器產(chǎn)生的SRAM信號時序圖。用PCLK作為地址發(fā)生器的輸入時鐘，且在其上升沿更新地址值。同樣，在PCLK的上沿鎖存數(shù)據(jù)并輸出到總線上。將PCLK反相，作為/WD信號，使得在/WD的上升沿地址和數(shù)據(jù)穩(wěn)定，確保寫入數(shù)據(jù)的有效性。

　　3、控制器主要功能的VHDL描述

　　描述控制器中全部功能的VHDL代碼較長，而且有些部分是常用的(如計數(shù)器等)。圖像采集狀態(tài)產(chǎn)生和同步信號的檢測是其中重要的部分。下面介紹這兩部分的VHDL描述。

　　圖像采集狀態(tài) capture_s:

　　處理器的采集請求信號capture_r使capture_s從‘0’到‘1’，場地址發(fā)生器(計數(shù)器)的溢出位vcount_o，清除capture_s。

　　process (capture_r, reset, vcount_o)

　　begin

　　if reset='0' or vcount_o='1' then

　　capture_s<='0'; -- 清除

　　else if capture_r'event and capture_r='0' then

　　capture_s<='1'; -- 置狀態(tài)位

　　end if;

　　end process;

　　同步信號檢測：

　　只有在采集狀態(tài)capture_s有效時(‘1’)才檢測場同步信號，場同步信號下降沿置場有效狀態(tài)(vsync_s)，場地址發(fā)生器溢出位vcount_o清除場有效狀態(tài)。只有在vsync_s有效情況下才檢測行同步信號，行同步信號下降沿置行有效狀態(tài)(hsync_s)，行計數(shù)器溢出信號hcount_o清除行狀態(tài)。只有在行狀態(tài)有效的情況下計數(shù)器才工作，且將數(shù)據(jù)寫入RAM。

　　Process (capture_s,reset,vcount_o, vsync)

　　Begin

　　If reset='0' or vcount_o='1' or capture_s='0' then

　　Vsync_s<='0'; -- 清除

　　Else if vsync'event and vsync='0' then

　　Vsync_s<='1'; -- 置狀態(tài)位

　　End if;

　　End process;

　　Process (vsync_s, reset, hcount_o, hsync)

　　Begin

　　If vsync_s='0' or reset='0' or hcount_o='1' then

　　Hsync_s<='0'; -- 清除

　　Else if hsync'event and hsync='0' then

　　Hsync_s<='1'; -- 置狀態(tài)位

　　End if;

　　End process;

　　五、討論

　　我們在基于TI公司的TMS320C3X系列DSP開發(fā)的嵌入式指紋圖像處理模塊中分別用上述兩種方法成功實現(xiàn)了指紋圖像的采集。

　　采用I/O接口方式最關(guān)鍵的是要求處理器的頻率遠(yuǎn)高于圖像數(shù)據(jù)輸出的頻率。例如，如果處理的指令周期為20ns，讀取每個數(shù)據(jù)需要10個指令周期，則數(shù)據(jù)的輸出頻率不能超過5MHz，它低于一般的CMOS圖像傳感器件最快的數(shù)據(jù)輸出頻率。例如國內(nèi)使用較多的OV7610和OV7620，其正常輸出數(shù)據(jù)頻率為13.5MHz。在應(yīng)用過程中，通常改變傳感器中寄存器的設(shè)置值，降低其數(shù)據(jù)輸出頻率。

　　本文選用的是CMOS數(shù)字輸出圖像傳感器。對于模擬視頻信號，在設(shè)計時應(yīng)加同步分離和A/D轉(zhuǎn)換電路。圖像采集的數(shù)字接口和邏輯控制與本文相同。

　　在我們系統(tǒng)中所采集的是單色圖像，如果采集彩色圖像邏輯設(shè)計是相同的所不同的只是數(shù)據(jù)寬度和后期處理方式。

　　具體應(yīng)用中可根據(jù)需求對上述設(shè)計進(jìn)行修改以滿足不同的要求。