基于ARM+CPLD的實時圖像采集模塊設(shè)計

　　摘要：介紹了32位嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了在嵌入式實時圖像采集的重要性和存在問題，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)總線接口的實時圖像采集模塊的實現(xiàn)方法。

　　關(guān)鍵詞：32位嵌入式系統(tǒng) CMOS攝像 實時圖像采集

　　1 32位嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1.1 32位嵌入式系統(tǒng)概述

　　嵌入式系統(tǒng)是后PC時代的主導(dǎo)，當(dāng)?shù)投说那度胧较到y(tǒng)無法滿足信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化時代的更高要求時，32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)運而生。32位嵌入式系統(tǒng)是電腦硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合。嵌入式設(shè)計的目的在于滿足某種特殊的功能。嵌入式系統(tǒng)的大體構(gòu)架可分為五部分：處理器、內(nèi)存、輸入與輸出、操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件。 32位嵌入式系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩個平臺。硬件平臺的設(shè)計包括處理器電路、網(wǎng)絡(luò)功能、無線通信及使用接口等的設(shè)計。嵌入式軟件為信息、通信網(wǎng)絡(luò)或消費性電子產(chǎn)品等系統(tǒng)中的必備軟件，為硬件產(chǎn)品的驅(qū)動程序、控制處理和基本接口功能服務(wù)，以提高硬件產(chǎn)品的價值。嵌入式軟件為該硬件產(chǎn)品不可缺少的重要組成部分。

　　1.2 32位嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　嵌入式系統(tǒng)把微處理器(CPU)或者微控制器(MCU)的系統(tǒng)電路與其專用的軟件平臺相結(jié)合，以此來達(dá)到系統(tǒng)操作的最高效率。目前的移動電話、手表、電子游戲機(jī)、PDA、電視、冰箱等民用電子與通信設(shè)備，電動汽車、電動機(jī)車等電動產(chǎn)品的控制核心，無不與32位嵌入式系統(tǒng)息息相關(guān)。32位嵌入式系統(tǒng)早已融入了人們的日常生活，嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品主要集中在信息家電、通信產(chǎn)品、工業(yè)控制器、掌上電腦(PDA)領(lǐng)域。家電、玩具、汽車、新一代手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備也都采用了32位嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)。隨著后PC時代的到來，有理由相位32位嵌入式系統(tǒng)會呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢。

　　2 實時圖像采集的重要性和存在的問題

　　實時圖像的采集和處理在現(xiàn)代多媒體技術(shù)中占有極其重要的地位。日常生活中所見到的數(shù)碼相機(jī)、可視電話、多媒體IP電話和電話會議等產(chǎn)品，實時圖像采集是最核心的技術(shù)。圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的整體效果。眾所周知，視頻圖像數(shù)字化后數(shù)據(jù)量非常龐大，對如此大量高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理是計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中技術(shù)難度最大的部分。例如，一幅大小為352%26;#215;288、彩色深度為16的圖像，其數(shù)據(jù)量為0.5MB。而依據(jù)人的視覺特性，25幅圖像連續(xù)播放才能使人感到一幅動態(tài)的畫面，這意味著必須要有5MB的原始數(shù)據(jù)量才能保證畫面的連續(xù)?？梢娙绾螌崿F(xiàn)視頻圖像的高保真數(shù)字化并且采取科學(xué)合理的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸是該領(lǐng)域必須解決首要問題。

　　目前大多數(shù)視頻圖像采集采用攝像頭傳感器，再通過視霸卡或?qū)崟r圖像采集(壓縮)卡對視頻圖像進(jìn)行采集(或壓縮)后送入計算機(jī)進(jìn)行處理。由于攝像機(jī)的輸出已轉(zhuǎn)換成模擬NTSC或PAL制式并以Svideo或混合視頻信號方式輸出，且攝像頭傳感器的象素點在輸出時序上很難與采集卡的采樣點一一對應(yīng)，因此視頻圖像數(shù)字化后圖像質(zhì)量損失較大，圖像分辨率上限受限式限制。另外，這種方法存在系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等局限性，不便于推廣和普及應(yīng)用。為此，最新出現(xiàn)了采用先進(jìn)攝像技術(shù)的圖像采集卡，極大地改善了圖像質(zhì)量損失較大、成本高、不便于推廣等缺點。這類先進(jìn)攝像技術(shù)(如CMOS攝像技術(shù))的采集卡的突出優(yōu)點是占用計算機(jī)資源少，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，通用性好。例如采用USB接口的攝像頭在一定程度上滿足了實時性要求，突出了采樣速率高、圖像質(zhì)量高、通用性好的特點。但采用這種技術(shù)的圖像采集卡必須具有壓縮處理，且圖像大小受限制，成本隨之提高。為此，本文以O(shè)mmVision公司的OV6630芯片為例，提高一種新的基于32位嵌入式系統(tǒng)ISA總線接口的實時圖像采集技術(shù)，旨在充分利用其快速、圖像質(zhì)量高、成本低和通用性好的優(yōu)點。

　　3 實時圖像采集主芯片介紹

　　CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭芯片OV6630將CCD攝像機(jī)和相應(yīng)的視頻A/D轉(zhuǎn)換及視頻輸出電路集成在一個芯片上，從而在實現(xiàn)高保真數(shù)字圖像的前提下顯著地降低了成本和體積。356%26;#215;292的CCD陣列掃描輸出原始的R、G、B彩色圖像信號，經(jīng)模擬處理電路進(jìn)行曝光、校正、白電平調(diào)整等處理后，根據(jù)輸出要求還要轉(zhuǎn)換成YUV等移種信號輸出形式，其模擬視頻信號經(jīng)兩路8位視頻A/D轉(zhuǎn)換后由視頻接口輸出16位的YUV或RGB4:2:2格式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻圖像信號。OV6630的視頻時序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生行同步、場同步等多種同步信號及象素時鐘等多種內(nèi)部時鐘信號;I2C接口使外部CPU通過 I2C總線控制OV6630的各種工作狀態(tài)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出格式和讀取內(nèi)部狀態(tài)信息等。CMOS數(shù)字?jǐn)z像芯片OV6630的工作時序如圖1所示。 圖3 圖像采集卡在采集數(shù)據(jù)時的工作時序 其中，VSYNV為場同步輸出脈沖，HREF為行同步輸出信號，PCLK是用來鎖存有效數(shù)據(jù)的時鐘(當(dāng)系統(tǒng)時鐘為17.73MHz時，PCLK為 8.86MHz)，即象素時鐘，Y[7:0]是8位亮度數(shù)據(jù)總線,UV[7:0]為8位色度數(shù)據(jù)總線。

　　4 實時圖像采集框圖及工作原理

　　本圖像采集模塊基于Intel StrongARM SA1110 32位高端嵌入式CPU，CMOS攝像頭芯片采用OmmVision的OV6630，可編程邏輯器件是Xilinx公司推出的CPLD芯片 XCR3128XL。實時圖像采集模塊框圖如圖2所示。圖像采集卡由五大部分組成：CMOS攝像頭電路、CPLD控制、鎖存器、SRAM存儲器和32位嵌入式系統(tǒng)總線接口。 圖像采集卡的工作原理為：系統(tǒng)上電時，只要攝像頭OV6630的電源使能信號(PWDN)為低電平，它就處于正常的工作模式，即OV6630的 Y[7:0]和UV[7:0]信號線上就會輸出圖像數(shù)據(jù);接收到來自CPU的有效采集啟動信號后，可編程邏輯器件CPLD會判斷OV6630的場同步信號 (VSYNC)是否為1，若為1，則復(fù)位地址線，即保證地址線A[16:0]=00000000000000000，而此17位地址線直接與存儲器 SRAM的地址信號線相連，選通SRAM準(zhǔn)備存儲數(shù)據(jù)。當(dāng)VSYNC信號為0、行同步信號HREF為1，且象素時鐘PCLK信號處上升沿時，可以使鎖存允許信號為低電平，同時使鎖存器的時鐘信號1上產(chǎn)生一上升沿，將第一個象素點的數(shù)據(jù)Y[7:0]和UV[7:0]鎖存進(jìn)鎖存器1。由于CPU采用32位的數(shù)據(jù)總線，而每個象素點的數(shù)據(jù)是16位的，所以本設(shè)計在CPLD中做一個用來指示象素奇偶的計數(shù)器，將奇數(shù)象素點的數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器1中，將偶數(shù)象素點的數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器2中。等到“湊齊”了32位的圖像數(shù)據(jù)，再將存儲器片選信號CAP_RAMCS和存儲器寫信號CAP_RAMWR同時拉為低電平，則32位數(shù)據(jù)就存儲存儲SRAM中。其仿真時序如圖3所示。CPLD還完成一幀圖像(352%26;#215;288或176%26;#215;144)象素點數(shù)的計數(shù)。當(dāng)采集完一幀圖像后，CPLD產(chǎn)生一中斷請求信號，通知CPU可以讀走數(shù)據(jù)。如果得到CPU發(fā)出的中斷響應(yīng)，則中斷響應(yīng)信號有效(低有效)。 CPLD在收到中斷響應(yīng)信號后，使存儲器片選信號和存儲器寫信號同時為低電平，CPU讀取數(shù)據(jù)，直到讀完一幀圖像數(shù)據(jù)，其仿真時序如圖4所示。 圖4 嵌入式32位CPU讀取一幀圖像數(shù)據(jù)的時序

　　本設(shè)計是基于32位嵌入式系統(tǒng)的實時圖像采集，其突出的優(yōu)點是：圖像質(zhì)量無損、實時性強(qiáng)、接口電路簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)。由于該圖像采集卡體積小，可應(yīng)用于可視電話、多媒體IP電話等手掛式或便攜移動式圖像處理設(shè)備。更重要的是它為嵌入式系統(tǒng)中視頻圖像捕獲提供了另外一種新的方法。只要做一簡單的接口變換電路就可以很方便地移植到不同的符合總線接口的嵌入式系統(tǒng)中，具有一定的應(yīng)用和研究價值。