新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

１ 圖像處理模塊

１．１ 芯片介紹 圖像采集芯片采用OmniVision公司的CMOS彩色圖像傳感器OV6620[１]。在它內(nèi)部集成了一個(gè)356×292的彩色圖像陣列。該圖像傳感器能對所拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)白平衡調(diào)節(jié)、gamma校正、自動(dòng)圖像增強(qiáng)；并可通過與DSP芯片相連的串行通信接口，對傳感器內(nèi)部的92個(gè)寄存器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖像壓縮芯片采用TI公司的TMS320VC5416[2]定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，其內(nèi)部采用一種改進(jìn)型的哈佛總線結(jié)構(gòu)(一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線)，數(shù)據(jù)總線寬度為16
bit。分開的數(shù)據(jù)和指令空間使該芯片具有高度的并行操作能力，在單周期內(nèi)允許指令和數(shù)據(jù)同時(shí)存取，再加上其高度優(yōu)化的指令集，使得該芯片具有很高的運(yùn)算速度，最高可達(dá)
160MIPS。

VC5416芯片的外部程序存儲(chǔ)空間為8M×16bits，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為64K×16bits。在芯片內(nèi)部還集成了128K×16bits片上存儲(chǔ)器。該芯片具有多種片上外部設(shè)備單元，包括一個(gè)１６位計(jì)時(shí)器，一個(gè)６通道DMA傳輸控制器，三個(gè)帶緩沖器的串行通信接口(McBSP
)和一個(gè)8/16位的主機(jī)通信接口(HPI8/16)。

１．２ 功能介紹

圖像處理模塊主要負(fù)責(zé)模擬圖像的采集、數(shù)字化、壓縮等工作。首先，在系統(tǒng)加電運(yùn)行后，由NetMCU模塊對VC5416芯片復(fù)位，然后VC5416芯片運(yùn)行固化在芯片內(nèi)的BootLoader程序，將存儲(chǔ)在外部程序存儲(chǔ)器上的應(yīng)用程序復(fù)制到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，并開始運(yùn)行應(yīng)用程序。應(yīng)用程序的任務(wù)主要有以下三個(gè)方面：

(１)通過VC5416芯片的１號(hào)串行通信接口(McBSP1)對OV6620的內(nèi)部寄存器進(jìn)行參數(shù)配置。主要參數(shù)包括：將輸出圖像分辨率設(shè)置為352×288，將輸出圖像幀的速率設(shè)置為２５幀／秒，將數(shù)字圖像的輸出格式設(shè)置為ＹＵＶ分量４:２:２格式。

(２)將OV6620芯片輸出的圖像數(shù)據(jù)利用JPEG算法進(jìn)行數(shù)字圖像壓縮。在本設(shè)計(jì)中采用一種改進(jìn)的JPEG算法[４]。將二維ＤＣＴ變換分解成兩次一維快速DCT變換。對８×８象素塊的DCT變換，共需176次乘法和464次加法，比標(biāo)準(zhǔn)DCT算法的1024次乘法和896次加法在運(yùn)算速度上有極大提高。

(３)VC5416芯片通過與ＮｅｔＭＣＵ模塊相連的０號(hào)串行通信接口(Mc BAP0)，接收改變傳輸圖像的分辨率、幀速、曝光時(shí)間等參數(shù)的命令，并及時(shí)調(diào)整OV6620芯片的內(nèi)部寄存器參數(shù)。

OV6620芯片和VC5416芯片之間存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，因此在系統(tǒng)中采用一片ＡＬＴＥＲＡ公司的FPGA(ＦＬＥＸ１０Ｋ２０)芯片作為數(shù)據(jù)傳輸接口，代替VC5416芯片管理外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。在ＦＰＧＡ芯片中集成了一個(gè)512×16bits的FIFO和一個(gè)存儲(chǔ)控制器。通過OV6620芯片輸出的圖像象素移位脈沖和圖像的行、場同步脈沖的控制，將原始圖像數(shù)據(jù)存入ＦＩＦＯ中。由于ＪＰＥＧ圖像壓縮以８×８象素塊基本運(yùn)算單位，需要存儲(chǔ)控制器將ＦＩＦＯ中以行順序輸入的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)地址調(diào)整，變換成按８×８像素塊順序存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。同時(shí)，由于受ＶＣ５４１６芯片的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)容量的限制，存儲(chǔ)控制器將一幀原始圖像數(shù)據(jù)分成上下兩個(gè)半?yún)^(qū)，各占用一個(gè)６４ＫＢ地址空間。當(dāng)ＶＣ５４１６芯片讀數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)控制器會(huì)自動(dòng)在這兩個(gè)半?yún)^(qū)之間切換，使得DSP芯片能夠處理一幀圖像。

２ NetMCU模塊

２．１ 芯片介紹

本系統(tǒng)采用三星公司的S3C4510B[３]芯片作為主控制器。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖３。S3C4510B芯片集成了ＡＲＭ公司的３２位精簡指令集處理器ARM7TDMI核。ARM7TDMI核采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，使用單-３２位總線傳送指令和數(shù)據(jù)，使用三級(jí)流水線操作以提高處理器執(zhí)行速度。ARM7TDMI核可以使用兩種指令集：一種是３２位ＡＲＭ指令集；一種是１６位Thumb指令集。Thumb指令集是ＡＲＭ指令集的子集，但它能提供比１６位體系結(jié)構(gòu)更高的性能、比３２位體系結(jié)構(gòu)更高的代碼密度。因此，Thumb指令集使ARM7TDMI核非常適合有存儲(chǔ)器寬度和代碼密度限制的嵌入式場合。 S3C4510B芯片的存儲(chǔ)空間最大可達(dá)１６Ｍ×３２ｂｉｔｓ(包括程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和Ｉ／Ｏ設(shè)備區(qū))，它內(nèi)部集成了一個(gè)存儲(chǔ)控制器，具有自動(dòng)刷新存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)和自動(dòng)插入可編程等待周期的功能，可以支持多種類型的存儲(chǔ)芯片(包括ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ和ＤＲＡＭ)。在芯片內(nèi)部還集成有８Ｋ×８ｂｉｔｓ的指令／數(shù)據(jù)Ｃａｃｈｅ，采用ｐｓｅｕｄｏ－ＬＲＵ(Ｌｅａｓｔ Ｒｅｃｅｎｔｌｙ Ｕｓｅｄ)算法，大大提高了芯片的性能。