低端嵌入式系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)?，F(xiàn)在基于高端32位ARM處理器的系統(tǒng)已經(jīng)具備很強(qiáng)的信號(hào)處理能力，可以實(shí)時(shí)處理圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視電話、人眼虹膜識(shí)別和指紋識(shí)別等功能，但成本較高。在低端的嵌入式系統(tǒng)中，由于處理器的處理能力有限，圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量又比較大，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的處理比較困難，但通過(guò)采取一定的措施可以實(shí)現(xiàn)低成本的圖像采集和處理系統(tǒng)。圖像采集可以采用模擬攝像頭、CCD圖像傳感器或CMOS數(shù)字圖像傳感器。CMOS數(shù)字圖像傳感器由于其高性價(jià)比和直接輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)而得到最為廣泛的應(yīng)用。MT9V011就是一個(gè)這樣的CMOS數(shù)字圖像傳感器。本文介紹MT9V011 CMOS數(shù)字圖像傳感器在一個(gè)低端ARM7處理器系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 圖像采集系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等高端嵌入式系統(tǒng)中。在這類系統(tǒng)中，處理器具有以下特點(diǎn)：具有較高的處理速度可以實(shí)時(shí)處理采集回來(lái)的大量圖像數(shù)據(jù)；具有較大的內(nèi)存可以存放若干幀完整的圖像數(shù)據(jù)；具有豐富的外設(shè)接口可以比較容易的擴(kuò)展大容量的存儲(chǔ)設(shè)備如CF卡、SD存儲(chǔ)卡等來(lái)備份一些圖像數(shù)據(jù)。然而在一些測(cè)控領(lǐng)域也需要采集圖像，以使管理人員能夠直觀的監(jiān)控被測(cè)對(duì)象。由于被測(cè)量的變化比較緩慢不需要實(shí)時(shí)采集圖像，每隔一段時(shí)間傳回監(jiān)控中心一幅圖像就能滿足要求。在這類系統(tǒng)中，處理器主要是面向控制領(lǐng)域，它們的特點(diǎn)是內(nèi)存比較小，處理速度比較慢，外設(shè)接口也不多。因此在這類低端嵌入式系統(tǒng)中增加圖像采集功能要面臨處理器處理能力有限和硬件資源受限制的問(wèn)題。

2 CMOS圖像傳感器MT9V011介紹

以創(chuàng)新的CMOS活躍象素技術(shù)，美光的超低功耗MT9V011圖像感應(yīng)器融合了上乘的VGA分辨率和標(biāo)準(zhǔn)電荷耦合器件（CCD）所不具備的很多優(yōu)越功能。它能以高達(dá)30fps的幀頻輸出高質(zhì)量的逐行掃描圖像，而電池壽命卻比CCD競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品大幅度延長(zhǎng)，因此成為手機(jī)、掌上電腦和PC機(jī)USB攝像頭的理想選擇。

MT9V011多種精密的相機(jī)功能（包括窗口化、行鏡像變換、左右和上下圖像翻轉(zhuǎn)、電子旋轉(zhuǎn)快門（ERS）、列鏡像變換）已被直接集成到芯片上，從而減少了CCD通常需要的額外組件，最大程度地縮小了產(chǎn)品尺寸和主板空間。其變量功能（也直接包括在芯片內(nèi)）如可編程增益、幀頻和曝光控制等可以在默認(rèn)模式操作，也可以由最終用戶通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線I2C接口進(jìn)行編程。



圖1 CMOS攝像頭芯片MT9V011工作時(shí)序

MT9V011默認(rèn)輸出的是一幅640ⅹ480象素的圖像。MT9V011芯片的工作時(shí)序如圖1所示。LINE_VALID是行有效信號(hào)，PIXCLK是象素時(shí)鐘信號(hào)，DOUT9-DOUT0是10位的圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAME_VALID是幀有效信號(hào)。其中LINE_VALID有效期間共有640個(gè)PIXCLK時(shí)鐘周期，F(xiàn)RAME_VALID有效期間共有480個(gè)LINE_VALID有效信號(hào)。默認(rèn)情況下圖像數(shù)據(jù)從第一行第一列開始在PIXCLK信號(hào)的上升沿順序輸出。

MT9V011輸出的圖像格式是RGB Bayer類型，如圖2所示。每一個(gè)點(diǎn)只有一種顏色，箭頭所指的是第0行第0列。假設(shè)P0-0(9:0)至P0-639(9:0)是第0行的所有象素點(diǎn)的顏色數(shù)據(jù)，P1-0(9:0)至P1-639(9:0)是第1行所有點(diǎn)的顏色數(shù)據(jù)，則P0-0(9:0)代表綠色的顏色值，P0-1(9:0)代表紅色的顏色值，P0-2(9:0)代表綠色的顏色值，P1-0(9:0)代表的是藍(lán)色的顏色值，P1-1(9:0)代表的是綠色的顏色值，P1-2(9:0)代表的是藍(lán)色的顏色值等等。點(diǎn)P0-0、P0-1、P1-0、P1-1組合在一起便具備了R、G、B三色，可以合成一個(gè)真彩色的點(diǎn)在PC機(jī)屏幕上顯示。



圖2 MT9V011輸出的數(shù)字圖像格式
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案



圖3 嵌入式圖像采集系統(tǒng)框圖

本圖像采集系統(tǒng)基于菲利普的低端ARM7嵌入式微處理器
LPC2104，CMOS攝像頭芯片采用美光科技公司的MT9V011。由于MT9V011的圖像輸出速率最大可達(dá)30幀每秒，而LPC2104處理器的I/O口讀寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，循環(huán)將它的某一個(gè)I/O口置為高然后立即置低，輸出的方波的頻率也不超過(guò)4MHz。圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對(duì)于資源有限的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)太大了，MT9V011默認(rèn)情況下輸出的一幅圖像的數(shù)據(jù)量大小為300K字節(jié)，而LPC2104處理器的內(nèi)存大小僅為16K字節(jié)，而且沒(méi)有開放存儲(chǔ)器擴(kuò)展總線，在處理器外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器很不方便。其它的低端的面向控制的處理器如AVR單片機(jī)、MCS51單片機(jī)等都存在這樣的問(wèn)題，但是由于它們具有較高的性價(jià)比、開發(fā)調(diào)試比較方便和能夠比較快速的組建應(yīng)用系統(tǒng)，因此它們?cè)谠S多領(lǐng)域都還有廣泛的應(yīng)用。針對(duì)此類處理器的一些資源和性能限制，我們可以采取一些輔助措施來(lái)解決。由于可編程邏輯器件（PLD）具有較快的速度和在線編程等諸多優(yōu)點(diǎn)，十分適合與此類低端處理器相結(jié)合來(lái)解決一些純處理器系統(tǒng)無(wú)法解決的問(wèn)題。隨著可編程邏輯器件技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，此類系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文就是采用這種方案來(lái)解決單一處理器無(wú)法完成圖像采集的問(wèn)題。具體方案是由一片可編程邏輯器件來(lái)與MT9V011接口，控制圖像數(shù)據(jù)緩存到一片SRAM中，然后通知處理器讀取數(shù)據(jù)。這樣就同時(shí)解決了處理器I/O速度慢和內(nèi)存不夠大兩個(gè)問(wèn)題，能夠組建系統(tǒng)完成圖像采集功能。圖像采集系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)由四大部分組成：CMOS攝像頭電路、攝像緩存控制邏輯電路、SRAM存儲(chǔ)器和32位嵌入式系統(tǒng)總線接口。系統(tǒng)攝像緩存控制邏輯電路由CPLD（可編程邏輯器件）EPM7128S實(shí)現(xiàn)。
4 CPLD控制邏輯設(shè)計(jì)



圖4 CPLD控制邏輯流程圖

因?yàn)橄到y(tǒng)主處理器LPC2104的I/O速度和內(nèi)存的限制，無(wú)法完成采集一幀圖像并存儲(chǔ)的功能。這只能借助于在系統(tǒng)中擴(kuò)展一片CPLD來(lái)協(xié)作完成系統(tǒng)功能。由CPLD片內(nèi)的控制邏輯電路完成讀取圖像數(shù)據(jù)并緩存到SRAM中的功能。因?yàn)橄到y(tǒng)不是實(shí)時(shí)圖像采集與處理，可以降低CMOS數(shù)字圖像傳感器輸出圖像的速率。這可以通過(guò)改變它的輸入時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中CPLD的時(shí)鐘采用40MHz，經(jīng)過(guò)10分頻以后的時(shí)鐘做為CMOS圖像傳感器的時(shí)鐘。這樣降低了圖像輸出的速率，減輕了處理器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，使處理器有空閑時(shí)間進(jìn)行其它控制操作。由于CPLD要讀取CMOS圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)并緩存到SRAM中，因此CPLD的片內(nèi)邏輯主要是根據(jù)圖像傳感器輸出圖像數(shù)據(jù)的時(shí)序和SRAM的讀寫時(shí)序來(lái)編寫。CPLD片內(nèi)的控制邏輯電路主要由一個(gè)用電子硬件描述語(yǔ)言verilog編寫的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。另外還有一些附加的門電路、多路選擇器和加法器，它們和狀態(tài)機(jī)共同組成了系統(tǒng)的攝像頭緩存控制邏輯電路。CPLD控制邏輯流程圖如圖4所示。

5 功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像采集的功能，需要對(duì)CPLD緩存下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示出圖像。由于PC機(jī)具有豐富的軟硬件資源，因此我們利用PC機(jī)來(lái)顯示圖像，驗(yàn)證圖像采集功能的正確性。具體方法是：系統(tǒng)主處理器LPC2104讀取SRAM中的圖像數(shù)據(jù)并通過(guò)串口傳送給PC機(jī)，在PC機(jī)上編寫軟件接收數(shù)據(jù)并做簡(jiǎn)單的處理就可以在PC機(jī)屏幕上顯示出圖像，從而能夠驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。

通過(guò)在一個(gè)低端的嵌入式處理器系統(tǒng)中添加CMOS數(shù)字圖像傳感器，并編寫硬件描述語(yǔ)言程序、嵌入式處理器程序，實(shí)現(xiàn)了采集圖像的功能。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用CPLD在一個(gè)低端嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了圖像采集功能。

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