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1 引言 圖像采集是圖像處理的前提。圖像采集卡是常用的圖像輸入設備，通常占用PC機總線(xiàn)的一個(gè)插槽。它主要包括圖像存儲器單元、CCD或CMOS攝像頭接口、PC機總線(xiàn)接口等。傳統的圖像采集卡大多數采用 PCI接口，這種圖像采集卡適用于將模擬信號經(jīng)A／D轉換器轉換成數字信號，或本身就是數字信號，再通過(guò)PCI接口傳輸至PC機，進(jìn)行圖像處理。但使用嵌入式系統實(shí)現圖像采集和處理時(shí)，帶有PCI接口的圖像采集卡就不適用。為此，這里提出一種適用于嵌入式系統的數字圖像采集模塊設計方案，實(shí)現圖像數據采集、“乒乓”模式圖像數據的緩存、圖像數據的采集模塊外部接口，并保證圖像采集的高速性和連續性。 2 圖像采集系統設計 圖1為圖像采集系統框圖。該系統包括OV7620圖像數據采集板、FPGA的圖像數據接收緩存板、兩片SRAM構成的高速緩存以及系統外部接口。OV7620圖像數據采集板主要完成圖像數據采集，其圖像數據總線(xiàn)、幀圖像數據時(shí)鐘、幀同步信號、行同步信號與FPGA圖像數據接收緩存板相連，FPGA協(xié)調兩片SRAM“乒乓模式”的讀寫(xiě)操作，并完成模塊的外部接口。 
2．1 OV7620圖像數據采集板 數字圖像采集模塊的核心是圖像傳感器。OV7620內置640x480的圖像陣列，每秒可輸出30幀以上的圖像；并集成有諸如曝光控制、伽馬、增益、白色控制、彩色矩陣、彩色飽和度、色彩控制、窗口等照相功能。該器件能夠通過(guò)串行SCCB接口編程，通過(guò)編程實(shí)現8位和16位格式的輸出。 2．1．1 OV7620電路設計 該系統設計采用OV7620的電路如圖2所示。其中，SBB引腳接跳線(xiàn)，用于設置OV7620在復位時(shí)讀取引腳狀態(tài)或I2C方式配置；UV2引腳接上拉電阻，選擇0V7620為QVGA工作狀態(tài)(320x240)；Y3引腳接上拉電阻，選擇OV7620為RGB數據格式輸出：Y1引腳接上拉電阻，選擇 OV7620位逐行掃描模式；PWDN引腳接地，OV7620不能工作在睡眠模式；UV0~UV7，Y0～Y7，XCLKl，HSYNC，VSYNC，PCLK，HREF，FODD，FREX接26針的插座，與FPGA相連，由 FPGA輸出時(shí)鐘和控制信號控制0V7620。在PCB設計時(shí)，應將模擬電源和數字電源、模擬地和數字地分開(kāi)。電源的輸入引腳接O．1μF的去耦電容和 47μF的防止電源“浪涌”的電容。模擬地和數字地分開(kāi)布線(xiàn)，最后在一點(diǎn)接地。晶體振蕩器應盡可能靠近器件放置，使其起振效果達到最佳。
2．1．2 OV7620模塊與FPGA板的連接 圖3為0V7620模塊與FPGA板的接口電路，其中3．3 V和GND是由FPGA板供電接口，UV0～UV7及Y0～Y7是圖像數據的輸出總線(xiàn)，VSYNC是圖像幀同步信號，HREF是圖像的行同步信號，PCLK是圖像數據時(shí)鐘在時(shí)鐘的上升沿，圖像數據發(fā)生跳變。
2．1.3 MSP430F1121組成I2C配置電路 設計中采用MSP430Fll2l單片機配置OV7620，單片機通過(guò)JTAG接口下載程序，接入32．768 kHz的低速晶體振蕩器，供單片機使用。單片機的P1．1，P1．0端口分別作為I2C總線(xiàn)的SCLK，SDA引腳，各接10 kΩ電阻上拉到3.3 V，增強了總線(xiàn)的驅動(dòng)能力。單片機內部程序實(shí)現P1．1和P1．0組成的I2C總線(xiàn)。 2．1．4 OV7620主設備工作模式 OV7620有主設備和從設備兩種工作模式。該系統設計選用主設備工作模式。在主設備工作模式時(shí)，0V7620可提供以下信號：水平行同步信號 Hsync，即CHSYNC引腳(輸出狀態(tài))，高電平有效；垂直場(chǎng)同步信號Vsync，即VSYNC引腳(輸出狀態(tài))，高電平有效；圖像數據信號，由 UV7~UV0和Y7~Y0輸出。圖像數據同步時(shí)鐘信號Pclk，即PCLK引腳。通過(guò)這些信號，系統可采用FPGA接收OV7620的數據，正確采集每一幀圖像數據，為后續數據存儲和處理奠定基礎。 2．2 FPGA的圖像數據接收緩存板 2．2．1 圖像緩存方案 采用高速SRAM切換模式，即“乒乓模式”。高速SRAM只有一個(gè)數據、地址和控制總線(xiàn)，可通過(guò)三態(tài)緩沖門(mén)分別接圖像傳感器和嵌入式系統。當圖像傳感器輸出數據時(shí)，SRAM由三態(tài)門(mén)切換至圖像傳感器一側，以使圖像數據寫(xiě)入。當圖像傳感器輸出數據結束后，SRAM再由三態(tài)門(mén)切換到嵌入式系統一側以便嵌入式系統讀寫(xiě)。在切換過(guò)程中，還應保證幀圖像數據的完整性。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是SRAM可隨機存取，同時(shí)易于得到較大容量的高速SRAM且價(jià)格適中。 2．2．2 FPGA板模塊電路 圖4為電源部分的設計電路。其中，FPGA板接9 V直流電源的輸入，經(jīng)7805后，9 V的電壓轉換為5 V，經(jīng)電容平滑濾波后，5 V的電壓輸人給1117—3．3，得到3．3 V電壓。電源工作指示燈VD2指示電源是否正常工作。同時(shí)，5 V的電壓經(jīng)1117—1．5，轉換為1．5 V的電壓輸出，供給FPGA使用。
圖5為RS一232接口電路。該接口電路采用MAX232。圖中，TX_OUTl_FPGA，RX_INl_FPGA，TX_OUT2_FPGA，RX_IN2_FPGA連接至FPGA的I/0引腳，FPGA的輸出經(jīng)MAX232的電平轉換后，通過(guò)DB9的插座與PC機串口連接，實(shí)現FPGA與PC機通信，便于后續Nios II嵌入式軟核調試。為了實(shí)現高速圖像的采集與存儲，保證在高速圖像采集中圖像的完整性，必須含有緩沖區。利用兩片SRAM，其成本較低、容量大、操作簡(jiǎn)單，能夠完成圖像數據緩沖功能。SRAM選用IDT71V416，容量為256 Kxl6 bit，訪(fǎng)問(wèn)速度為10 ns，使用兩片SRAM即可構成256 Kxl6 bitx2=8 Mbit的高速緩存，從而可實(shí)現圖像數據的不間斷傳輸。
為了在FPGA內部嵌入Nios II軟核，采用Flash存儲器存儲Nios II軟核的程序，作為存儲程序和數據的Flash存儲器，要求操作簡(jiǎn)單、容量大、接口簡(jiǎn)單。兇此，選用TC58FVBl6-OAFT型Flash存儲器。 Flash的地址總線(xiàn)，數據總線(xiàn)和控制引腳與FPGA的控制引腳相連，通過(guò)FPGA內部，掛載到Nios II軟核的Avalon總線(xiàn)，實(shí)現讀寫(xiě)控制。Flash的內部主要由存儲陣列和控制邏輯電路、控制寄存器組成，并能產(chǎn)生“忙信號”。 2．3 用EPCSl配置Cyclone系列FPGA 該系統設計采用Ahera公司的Cyclone系列 EPlC6Q240C8型的FPGA。選用EPCSl系列配置器件，在主動(dòng)串行配置(Active Serial Programming)工作模式配置FPGA。EPCSl是1 Mbit的Ahera專(zhuān)用配置器件．其本質(zhì)是一塊專(zhuān)用Flash，用于保存FPGA的配置信息。Cyclone系列是基于SRAM的FPGA器件，可通過(guò)下載電纜在線(xiàn)配置該器件。掉電后。FPGA內部配置信息丟失。如果配合相應配置器件。FPGA在上電時(shí)，從配置器件讀取配置內容，這樣即可使用。 2．4 Nios U嵌入式軟核處理器 Nios II是基于哈佛結構的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶(hù)邏輯相結合，編程至Ahera的FPGA中。使用Nios II處理器的優(yōu)勢是明顯的，只要FPGA的資源允許，NiosII核在同一FPGA中被植入的數量無(wú)限制，此外Nios II可植入的Ahera FPGA的系列幾乎沒(méi)有限制，在這方面，Nios顯然優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品一Xilinx的MicroBlaze。另外，在開(kāi)發(fā)工具的完備性方面、對常用的嵌入式操作系統支持方面，Nios II都優(yōu)于MicroBlaze。就成本而言，Nios II的使用費僅僅是其占用的FPGA的邏輯資源費。因此，選用的FPGA越便宜，則Nios II的使用費就越低。在FPGA內部的Nios II創(chuàng )建完成后，需要對Nios II軟核處理器進(jìn)行編程。利用]Nios II IDE集成調試環(huán)境編寫(xiě)調試程序，最后，程序下載到FPGA內部。 2．5 使用嵌入式邏輯分析儀實(shí)時(shí)測試 為了驗證該系統工作，使用SignalTap II實(shí)時(shí)測試。通過(guò)JTAG把圖像數據讀回PC機，實(shí)時(shí)監測圖像采集卡所采集的圖像數據。具體的圖像數據的采集驗證如圖6所示。
由圖6看到UV總線(xiàn)和Y總線(xiàn)輸出的幀圖像的各像素點(diǎn)的原始RGB值，在行有效時(shí)(HREF為高電平)為 41，37，ll(R1，G1，B1)；40，44，11(R2，G2，B2)等。 3 結語(yǔ) 設計是在深入研究傳統的圖像采集模塊的基礎上，針對傳統的PCI圖像采集卡的弊端，設計適用于便攜式嵌入式系統的圖像采集模塊。該系統實(shí)現了圖像原始數據采集及緩存，保證了圖像數據的連續和完整性，具有體積小、功耗低、速度快、接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。 參考文獻 1. 劉韜.樓興華 FPGA 數字電子系統設計與開(kāi)發(fā)實(shí)例導航 2005 2. 孔祥剛.諸靜.陽(yáng)濤 SAA7113H 在視頻采集接口設計中的應用 [期刊論文] -電子技術(shù)2003(12) 3. Bhasker J.徐振林 Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言 2000 4. 張曉健 視頻解碼芯片SAA7113的初始化與控制 [期刊論文] -電子設計應用2003(8) 5. 尹德安.李欣 基于 FPGA的視頻采集控制設計 [期刊論文] -微計算機信息2006(26) 6. 肖文才.樊豐 視頻實(shí)時(shí)采集系統的FPGA設計 [期刊論文] -中國有線(xiàn)電視2006(21) 7. 吳繼華.王誠 ALTERA FPGA/CPLD設計(初級篇) 2005 8. 吳繼華.王誠 ALTERA FPGA/CPLD設計(高級篇) 2005 作者：電子科技大學(xué) 孫成志 解梅 傅海東 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2008 (11) |
