高校計(jì)算機(jī)專業(yè)高級(jí)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(jì)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(duì)采集速度要求不高的應(yīng)用中，I/O接口方法可以簡(jiǎn)化接口電路設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)資源。對(duì)于要求實(shí)時(shí)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(chǔ)區(qū)內(nèi)，實(shí)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(jì)
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(lái)愈多。從數(shù)碼相機(jī)、可視電話、多功能移動(dòng)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(hào)的處理，比通常的A/D數(shù)據(jù)采集過(guò)程復(fù)雜，電路的設(shè)計(jì)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(kāi)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(hào)定義及接口方式不同，沒(méi)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(jì)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(jì)圖像采集接口電路。本文針對(duì)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(jì)方法。
目前市場(chǎng)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(lái)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(jì)時(shí)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(jì)與此類似，將在討論中說(shuō)明。
本文內(nèi)容做如下安排：第二部分簡(jiǎn)述圖像信號(hào)的特點(diǎn);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(jì)方法;最后部分是討論。
二、圖像信號(hào)介紹
圖1給出了采樣時(shí)鐘(PCLK)和輸出數(shù)據(jù)(D)之間的時(shí)序關(guān)系。在讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)用PCLK鎖存輸出數(shù)據(jù)。除采樣時(shí)鐘(PCLK)和數(shù)據(jù)輸出(D)外，還有水平方向的行同步信號(hào)(HSYNC))和垂直方向的場(chǎng)同步信號(hào)(VSYNC)。對(duì)于隔行掃描器件，還有幀同步信號(hào)(FRAME)。如圖2，一幀包括兩場(chǎng)。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(wú)效。
PLCK存在時(shí)，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(chǎng)之間輸出數(shù)據(jù)無(wú)效，在采集圖像數(shù)據(jù)必須考慮同步信號(hào)，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(jì)
對(duì)于MCU、DSP處理器，I/O是最方便的訪問(wèn)方式之一。以I/O方式讀取圖像數(shù)據(jù)不僅可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，而且程序也很簡(jiǎn)單。但由于讀取每一個(gè)像素都要檢測(cè)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(gè)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(gè)鎖存器分別鎖存狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)，處理器通過(guò)兩個(gè)I/O端口分別讀取。圖3中，在采樣時(shí)鐘的上升沿?cái)?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(guò)I/O口讀取圖像時(shí)，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(guò)狀態(tài)鎖存器讀取同步信號(hào)和圖像就緒(Ready)指示信號(hào)。在數(shù)據(jù)鎖存器保存圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，狀態(tài)鎖存器產(chǎn)生Ready信號(hào)(從‘0’到‘1’)。處理器讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，Ready信號(hào)自動(dòng)清除(從‘1’到‘0’)。處理器讀取狀態(tài)時(shí)鎖存器驅(qū)動(dòng)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(chǎng)圖像的第一行開(kāi)始讀取，對(duì)于隔行掃描輸出的圖像則必須從一幀的第一行開(kāi)始讀取。讀取每行圖像數(shù)據(jù)時(shí)，則從該行的第一個(gè)像素開(kāi)始。因此，在讀取圖像數(shù)據(jù)前應(yīng)先判斷場(chǎng)和行的起始位置。圖4是通過(guò)I/O接口方式讀取圖像數(shù)據(jù)的流程。讀取每個(gè)像素?cái)?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(hào)檢測(cè)
為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，用處理器直接讀取同步信號(hào)，然后找出場(chǎng)和行的起始位置。
從圖2可以看出，處理器讀取同步信號(hào)時(shí)，信號(hào)可能處在同步脈沖狀態(tài)(‘1’)或正常狀態(tài)(‘0‘)。對(duì)于那些同步信號(hào)反向的器件，則分別為‘0’和‘1’。如果信號(hào)處于同步脈沖狀態(tài)，第一次檢測(cè)到的正常狀態(tài)就起始位置。如果信號(hào)處于正常狀態(tài)，則首先檢測(cè)到脈沖狀態(tài)，然后用同樣的方法確定起始位置。
通過(guò)上述方法可以檢測(cè)出場(chǎng)的起始位置和行起始位置。
4、用VHDL設(shè)計(jì)鎖存器
在應(yīng)用中，以上兩個(gè)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(shí)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(hào)(低電平時(shí)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(hào)為Status_R (低點(diǎn)平時(shí)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(hào)
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(jì)
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(shí)采集圖像。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)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(wèn)控制簡(jiǎn)單，電路設(shè)計(jì)方便，被大量嵌入式系統(tǒng)采用，本文以SRAM作為存儲(chǔ)器。
1、電路原理和結(jié)構(gòu)
內(nèi)存直接寫入方法通過(guò)設(shè)計(jì)的圖像采集控制器(以下簡(jiǎn)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(shí)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(shí)，處理器向控制器發(fā)出采集請(qǐng)求，請(qǐng)求信號(hào)capture_r從高到低?？刂破鹘拥秸?qǐng)求脈沖后，發(fā)出處理器掛起請(qǐng)求信號(hào)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(shí)檢測(cè)圖像同步信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到圖像開(kāi)始位置時(shí)，控制器自動(dòng)產(chǎn)生地址和讀寫控制信號(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)檢測(cè)、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(hào)檢測(cè)確定每一場(chǎng)(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(shí)序;總線控制器在采集圖像時(shí)管理總線，采集完成后自動(dòng)釋放;處理器握手電路接受處理器命令、發(fā)總線管理請(qǐng)求和應(yīng)答處理器。
2、SRAM寫控制時(shí)序
采集圖像過(guò)程中，控制器自動(dòng)將數(shù)據(jù)寫入到硬件設(shè)定的內(nèi)存中。寫內(nèi)存時(shí)，控制器產(chǎn)生RAM地址(A)、片選信號(hào)(/CS)、讀信號(hào)(/RD)和寫信號(hào)(/WD)，同時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)后，地址(A)自動(dòng)增1。采集時(shí)/CS保持有效(‘0’)狀態(tài)而/RD處于無(wú)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(hào)時(shí)序圖。用PCLK作為地址發(fā)生器的輸入時(shí)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(hào)，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(zhǎng)，而且有些部分是常用的(如計(jì)數(shù)器等)。圖像采集狀態(tài)產(chǎn)生和同步信號(hào)的檢測(cè)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(qǐng)求信號(hào)capture_r使capture_s從‘0’到‘1’，場(chǎng)地址發(fā)生器(計(jì)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(hào)檢測(cè)：
只有在采集狀態(tài)capture_s有效時(shí)(‘1’)才檢測(cè)場(chǎng)同步信號(hào)，場(chǎng)同步信號(hào)下降沿置場(chǎng)有效狀態(tài)(vsync_s)，場(chǎng)地址發(fā)生器溢出位vcount_o清除場(chǎng)有效狀態(tài)。只有在vsync_s有效情況下才檢測(cè)行同步信號(hào)，行同步信號(hào)下降沿置行有效狀態(tài)(hsync_s)，行計(jì)數(shù)器溢出信號(hào)hcount_o清除行狀態(tài)。只有在行狀態(tài)有效的情況下計(jì)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?cè)诨赥I公司的TMS320C3X系列DSP開(kāi)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)需要10個(gè)指令周期，則數(shù)據(jù)的輸出頻率不能超過(guò)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(guó)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(guò)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(duì)于模擬視頻信號(hào)，在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以滿足不同的要求。