基于FPGA和EPP技術(shù)的CMOS圖像傳感器高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

硬件電路方案
圖1為基于FPGA和EPP技術(shù)對(duì)OV7620CMOS圖像傳感器的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖，它主要由三部分組成：OV7620的參數(shù)配置電路、圖像采樣電路以及PC讀取數(shù)據(jù)電路。
OV7620的參數(shù)配置電路
系統(tǒng)在上電后需要對(duì)CMOS采像芯片進(jìn)行初始化，以確定采集圖像的開(kāi)窗位置、窗口大小和彩色或黑白工作模式等。這些參數(shù)的配置是通過(guò)OV7620芯片上提供的SCCB接口進(jìn)行的。
SCCB接口是采用一種簡(jiǎn)單、雙向二線制的同步串行總線I2C總線，接口引線有SCL和SDA。由于89C2051沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口，可以用軟件程序來(lái)模擬I2C總線，OV7620開(kāi)窗位置和開(kāi)窗大小、黑白和彩色模式以及掃描方式均可通過(guò)相應(yīng)寄存器來(lái)設(shè)置。這些寄存器都是可讀/寫(xiě)的，具體操作方法如下：可以采用頁(yè)寫(xiě)的方式，即在寫(xiě)寄存器過(guò)程中要先發(fā)送寫(xiě)允許指令OX42，然后發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)的目的寄存器地址，接著為要寫(xiě)的數(shù)據(jù)。寫(xiě)完一個(gè)寄存器后，CMOS會(huì)自動(dòng)把寄存器地址加一，程序可繼續(xù)向下寫(xiě)，而不需要再次輸入地址。讀寄存器是同樣過(guò)程，只不過(guò)指令改為OX43。
I2C總線功能的實(shí)現(xiàn)完全是依靠SCL、SDA線上電平的狀態(tài)以及兩者之間的相互配合實(shí)現(xiàn)的。I2C總線規(guī)約中規(guī)定的條件如下：
啟動(dòng)時(shí)序：SCL為高電平時(shí)， SDA出現(xiàn)一個(gè)下降沿；
傳輸時(shí)序：在啟動(dòng)條件滿足后，SDA為穩(wěn)定數(shù)據(jù)狀態(tài), SCL產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，將傳送一位數(shù)據(jù)；
應(yīng)答時(shí)序： 在從機(jī)接收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，在主機(jī)釋放SDA的情況下，主機(jī)給SCL輸出一個(gè)正的時(shí)鐘脈沖,從機(jī)將SDA拉低，以表應(yīng)答；
停止條件：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA出現(xiàn)一個(gè)上升沿，該條件可以解決多機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，即在兩個(gè)器件對(duì)話時(shí)，第三者插入會(huì)終止前者的數(shù)據(jù)通信,其主要特點(diǎn)在于各器件每一位都在判斷總線的狀態(tài)。
I2C總線的啟動(dòng)和停止條件如圖2所示。
圖像采樣電路
在隧道的平行度、無(wú)損檢測(cè)、垂直度測(cè)量?jī)x中常選用的圖像分辨率為320×320，用黑白模式就能基本滿足圖像識(shí)別對(duì)圖像特征點(diǎn)的要求。 因此本系統(tǒng)采樣的參數(shù)是在圖像分辨率取為320×320、黑白模式、ZV圖像格式中進(jìn)行的。
CMOS圖像芯片ZV端口格式的輸出波形如圖3所示。圖中VSYNC是垂直場(chǎng)同步信號(hào)，其下降沿表示一幀圖像的開(kāi)始(CMOS是按列采集圖像的)，HREF是水平場(chǎng)同步信號(hào)，其上升沿表示一列圖像數(shù)據(jù)的開(kāi)始。PCLK是輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)，Y是圖像灰度信息。下面介紹FPGA如何對(duì)圖像傳感器的數(shù)據(jù)采樣。
為了進(jìn)行速度匹配，F(xiàn)PGA和PC之間有兩根握手信號(hào): READY和ACK。它們來(lái)協(xié)調(diào)FPGA對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片的讀寫(xiě)過(guò)程。READY是FPGA通知PC圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)讀完信號(hào)；ACK是PC通知FPGA數(shù)據(jù)已讀完信號(hào)，兩者都是低電平有效。
在數(shù)據(jù)采樣期間，將READY拉高，表示正在采集，這時(shí)FPGA根據(jù)OV7620的VSYNC、HREF、PCLK產(chǎn)生圖像MEM_WR(寫(xiě)信號(hào))和ADDRESS(地址)，讀取OV7620的數(shù)據(jù)到高速緩存，到下一個(gè)VSYNC信號(hào)時(shí)，表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)采完，接著向PC機(jī)發(fā)送申請(qǐng)READY信號(hào)，表示圖像采集完成，如果PC不給應(yīng)答信號(hào)ACK，F(xiàn)PGA開(kāi)始采樣下一幀數(shù)據(jù)放到高速緩存中，并覆蓋原有的數(shù)據(jù)；若PC響應(yīng)，F(xiàn)PGA停止采樣數(shù)據(jù)。
PC讀取數(shù)據(jù)電路
PC讀取數(shù)據(jù)是通過(guò)并口的EPP模式進(jìn)行的。在EPP模式下讀時(shí)序如圖4所示。 在讀模式下，nWRITE(EPP寫(xiě)信號(hào))保持高電平, 當(dāng)nDATASTB(EPP讀信號(hào))變低時(shí)，準(zhǔn)備讀取外設(shè)數(shù)據(jù)；當(dāng)外設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后,使nWAIT(外設(shè)忙標(biāo)志)為高,這時(shí)PC程序向基址+4的端口(EPP數(shù)據(jù)端口)執(zhí)行一個(gè)I/O讀操作(nDATASTB信號(hào))；在讀脈沖nDATASTB信號(hào)的上升沿,PC讀取數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程是在一個(gè)ISA周期內(nèi)完成的。
FPGA完成對(duì)EPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的時(shí)序如圖5。PC不停查詢(xún)READY信號(hào)是否有效，直到READY有效時(shí)，PC才可以讀取圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)將ACK置高，表示PC正在讀取數(shù)據(jù)緩存中的圖像數(shù)據(jù)。這時(shí)FPGA停止采集圖像(不產(chǎn)生寫(xiě)信號(hào))，F(xiàn)PGA檢測(cè)PC通過(guò)EPP發(fā)出讀脈沖(CPU_DS)，產(chǎn)生高速緩存MEM_RD(讀信號(hào))和地址,從高速緩存中讀取一個(gè)字節(jié)放到并口上，同時(shí)向PC上發(fā)送一個(gè)BUSY信號(hào)，PC在這個(gè)時(shí)刻之后可以讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù),完成整個(gè)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。讀取數(shù)據(jù)過(guò)程中EPP端口的PC_WRITE(寫(xiě)信號(hào))要一直保持為高電平。

結(jié)語(yǔ)
FPGA對(duì)CMOS高速數(shù)據(jù)采集方法，可以把CMOS的主動(dòng)器件通過(guò)FPGA變成可控制的方式，PC可間接對(duì)存儲(chǔ)體進(jìn)行尋址運(yùn)算。在該系統(tǒng)中用PC的并口實(shí)現(xiàn)了CMOS信號(hào)的高速采集處理，按前述軟硬件方法制作的系統(tǒng)，實(shí)際穩(wěn)定的采樣速率達(dá)到了15幀/s, 該系統(tǒng)已應(yīng)用在管道無(wú)損檢測(cè)樣機(jī)中，效果良好。這種信號(hào)采集方法還可以在其它諸多需要高速圖像數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合應(yīng)用?！?/P>

參考文獻(xiàn)：
1. 胡軍等，用EPP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集與處理，1997(6).
2. 黃運(yùn)新等，基于EPP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，光電工程，2001(4).
3. 侯伯亨，VHDL硬件描述語(yǔ)言與數(shù)字邏輯電路，西安電子科技大學(xué)，1999(9).
4. OmmVision Corp, Public OV7620 Datasheet, 2000(5).

作者簡(jiǎn)介：
郝迎吉，西安科技學(xué)院機(jī)械工程系，副教授，主要從事微機(jī)檢測(cè)和控制方面的研究。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 I2C總線的啟動(dòng)和停止條件

圖3 OV7620在ZV端口格式的輸出時(shí)序

圖4 EPP模式下讀時(shí)序

圖5 FPGA對(duì)EPP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)時(shí)序