一種應(yīng)用于ARM7的CMOS圖像采集系統(tǒng)

Samsung公司的S3C4510B是基于以太網(wǎng)系統(tǒng)高性價(jià)比的16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位 ARM7TDMI RISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，它具有0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，支持32位ARM指令集和16位 Thumb指令集，有著功能豐富的片內(nèi)外圍功能模塊，可掛載大容量的存儲(chǔ)器，最適合用于對(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconfuctor)，即“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，將它加工也可以作為圖像采集系統(tǒng)中的感光傳感器。隨著 CMOS技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)需求的增加，這種圖像傳感器得以迅速發(fā)展，它具有高度集成化、低成本、低功耗、單一工作電壓、局部像素可編程、隨機(jī)讀取等優(yōu)點(diǎn)，適用于超微型數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、安防監(jiān)控、汽車防盜、機(jī)器視覺(jué)、指紋識(shí)別、手機(jī)等圖像領(lǐng)域。本文介紹的是由美國(guó)OmniVision公司生產(chǎn)的 OV7640彩色CMOS圖像傳感器，它采用獨(dú)特的傳感器專利工藝技術(shù)和先進(jìn)的算法（algorithms）解決了先前CMOS感光器件固定圖像噪聲（FPN）的限制。由這兩種芯片組成的系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的基本硬件組成

整個(gè)圖像采集系統(tǒng)主要有CMOS圖像傳感芯片OV7640、三星4510B控制器（板載64M存儲(chǔ)器）、晶振電路、電源幾部分組成。

OV7640是高度集成的彩色攝像芯片，可帶1/4”鏡頭，支持多種格式，內(nèi)設(shè)的SCCB（Serial Camera Control Bus）串行控制總線接口，提供簡(jiǎn)單控制方式，通過(guò)該接口，我們可以對(duì)OV7640芯片內(nèi)部所有寄存器值進(jìn)行修改，從而完成對(duì)OV7640的控制。另外，OV7640內(nèi)置了640×480分辨率的鏡像陣列，Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器，并支持外部水平、垂直同步輸入格式，外部微控制器和RAM界面、數(shù)字視頻輸出、增益控制、黑白平和白平衡等在內(nèi)的控制寄存器功能模塊。

S3C4510B是一款不帶MMU的ARM７微處理器，可在其上運(yùn)行uCLinux操作系統(tǒng)。它的系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)６0MHz，有著豐富的外部資源接口，系統(tǒng)板載了６４Ｍ的存儲(chǔ)器，可直接利用板載的存儲(chǔ)器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的暫存，以最大限度的簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率由一顆２４MHz的有源晶振提供，系統(tǒng)電源為５Ｖ，S3C4510B需要1.8V和3.３V的電壓，OV7640需要2.5V和3.3V的電壓輸入，可通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片LM1117進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到所需要的電壓。

2 硬件設(shè)計(jì)的思路和要點(diǎn)

系統(tǒng)功能是應(yīng)用4510B芯片的GPIO口對(duì)OV7640圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理和識(shí)別。OV7640包含有8位數(shù)據(jù)D0－D7、同步信號(hào)VSYNC、HREF、PCLK，這些信號(hào)需要送給CPU以讀取圖像數(shù)據(jù)和保證同步；另一方面，由于OV7640默認(rèn)幀頻為30Hz，在此幀頻下的圖像數(shù)據(jù)輸出為30Hz*307.2K＝9.216Mbytes/s，QVGA方式的數(shù)據(jù)率為30Hz*76.8K=2.3Mbytes/s,在不考慮同步的情況下已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)I/O口的響應(yīng)速度，因此必須重新設(shè)置以降低幀頻。因此，在本系統(tǒng)中對(duì)OV7640的訪問(wèn)有三個(gè)：第一是設(shè)置地址號(hào)為0x11的幀頻控制器CLKRC以降低幀頻，第二是設(shè)置地址號(hào)為0x14的控制器COMC以設(shè)置像素為320*240，最后是設(shè)置地址號(hào)為0x28的COMH以設(shè)置掃描格式。從信號(hào)的使用角度來(lái)說(shuō)，需要用到OV7640的8位數(shù)據(jù)線D0－D7（雙向），同步信號(hào)VSYNC、HREF、PCLK（單向，供控制器讀），SCCB總線SIO_C（單向）、SIO_D（雙向）。

由于4510B板上IO口資源相當(dāng)豐富，8位并行數(shù)據(jù)線和控制線都可以接在IO口上，設(shè)置好輸入輸出關(guān)系，通過(guò)軟件模擬SCCB總線實(shí)現(xiàn)控制器對(duì) OV7640的控制。連接采用4510為主機(jī)，OV7640為從機(jī)的方式。在設(shè)置完幀頻以后就可以根據(jù)同步信號(hào)對(duì)一幀一幀的圖像進(jìn)行采集了。系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

3 圖像采集的工作過(guò)程

1)通過(guò)SCCB總線設(shè)置OV7640的幀頻

系統(tǒng)上電后需要對(duì)CMOS圖像傳感器進(jìn)行初始化，以確定采集圖像的開(kāi)窗位置、開(kāi)窗大小和黑白工作模式等。這些參數(shù)是受OV7640內(nèi)部相應(yīng)寄存器的值控制的，可通過(guò)SCCB總線對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。SCCB的接口有SCCE、SIO_C、SIO_D（SCCE是串行總線使能信號(hào)，SIO_C是串行總線時(shí)鐘信號(hào)，SIO_D是串行總線數(shù)據(jù)信號(hào)）三條引腳。OV7640芯片上沒(méi)有SCCE引腳，但也可實(shí)現(xiàn)單主對(duì)單從方式的通訊，控制總線規(guī)定的條件如下：當(dāng) SIO_C為高電平時(shí)，如SIO_D產(chǎn)生一個(gè)下降沿表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始，如SIO_D產(chǎn)生一個(gè)上升沿表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束；為了避免傳送無(wú)用的信息位，分別在傳輸開(kāi)始之前、傳輸結(jié)束之后將SIO_D設(shè)置為高電平。在數(shù)據(jù)傳輸期間，SIO_D上數(shù)據(jù)的傳輸受SIO_C的控制，當(dāng)SIO_C為低電平時(shí)，SIO_D上數(shù)據(jù)有效，SIO_D為穩(wěn)定數(shù)據(jù)狀態(tài)，SIO_C每出現(xiàn)一正脈沖，將傳送一位數(shù)據(jù)。其中兩根線的上升和下降時(shí)延、高低電平的維持時(shí)間都有較嚴(yán)格的要求，軟件的延時(shí)時(shí)間要根據(jù)CPU速度和GPIO口的速度精確的計(jì)算后才能使通訊保持順暢。如圖２所示：

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配置的具體方法如下：采用三相寫(xiě)數(shù)據(jù)的方式，即在寫(xiě)寄存器過(guò)程中要先發(fā)送OV7640的ID地址，然后發(fā)送數(shù)據(jù)的目的寄存器地址，接著為要寫(xiě)的數(shù)據(jù)。如果給連續(xù)的寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)，寫(xiě)完一個(gè)寄存器后，OV7640會(huì)自動(dòng)把寄存器地址加1，程序可繼續(xù)向下寫(xiě)，而不需要再次輸入地址，從而三相寫(xiě)數(shù)據(jù)變?yōu)榱藘上鄬?xiě)數(shù)據(jù)，由于本系統(tǒng)中只需要對(duì)有限個(gè)不連續(xù)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，如果采用對(duì)全部寄存器都加以配置這一方法的話，會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間和資源，所以我們只對(duì)需要更改數(shù)據(jù)的寄存器進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)。對(duì)于每一個(gè)變化的寄存器，都采用三相寫(xiě)數(shù)據(jù)的方法。三相寫(xiě)數(shù)據(jù)的傳輸周期如圖３所示。

2) 圖像數(shù)據(jù)的采集

系統(tǒng)配置完畢后，將進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集。在采集圖像的過(guò)程中，最主要的是判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻。在仔細(xì)研究了OV7640輸出同步信號(hào)（VSYNC是垂直同步信號(hào)、HREF是水平同步信號(hào)、PCLK是輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)）的基礎(chǔ)上，用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了采集過(guò)程起始點(diǎn)的精確控制。圖４表示了圖像采集期間三個(gè)同步信號(hào)的時(shí)序關(guān)系示意圖。

VSYNC的上升沿表示一幀新的圖像的到來(lái)，下降沿表示一幀圖像數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始（CMOS圖像傳感器是按列采集圖像的）。HREF是水平同步信號(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)。當(dāng)HREF為高電平期間，才能開(kāi)始有效的數(shù)據(jù)采集，PCLK下降沿的到來(lái)表明數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，PCLK每出現(xiàn)一個(gè)下降沿傳輸一位數(shù)據(jù)。HREF為高電平期間共傳輸640位數(shù)據(jù)。在一幀圖像中，即VSYNC為低電平期間，HREF出現(xiàn)480次高電平。當(dāng)下一個(gè)VSYNC信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，就表明分辨率640*480的圖像采集過(guò)程結(jié)束。

4. 軟件編程設(shè)計(jì)

本文的軟件設(shè)計(jì)是運(yùn)行于uCLinux環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)Ｃ程序。軟件設(shè)計(jì)的主要步驟是，在系統(tǒng)加電時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括S3C4510B的初始化和SCCB的配置，配置完后，當(dāng)接受到開(kāi)始采集信號(hào)后，根據(jù)同步信號(hào)的狀態(tài)判斷是否開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集完一幀圖像后將數(shù)據(jù)存入FLASH中。由于篇幅有限，下面給出了采集部分的程序代碼：

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void collect()

{

int pixel_count = 0;

int line_count = 0;

int i,j;

IOPMOD = IOPMOD & 0x00000000; /*設(shè)置IO口為輸入*/

while (!VSYNC);    /*等待新的一幀開(kāi)始*/

for (line_count=0; line_count<480; line_count++)

{

while (!HREF);      /*等待新的一列開(kāi)始*/

for (pixel_count=0; pixel_count<640; pixel_count++)

{

while (PCLK);        /*等待一個(gè)新的象素點(diǎn)*/

buf[line_count][pixel_count] = PIXEL;

while (!PCLK);      /*等待這個(gè)象素點(diǎn)傳輸完畢*/

}

while (HREF);        /*等待這一列傳輸完畢*/

}

while (VSYNC);     /*等待這一幀傳輸完畢*/

}

5.結(jié)束語(yǔ)

用ARM控制OV7640的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能良好，這種信號(hào)采集方法適合應(yīng)用在對(duì)速率要求不高，追求高性價(jià)比的場(chǎng)合，以最簡(jiǎn)單的方式構(gòu)建自主式系統(tǒng)。本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了SCCB總線的寫(xiě)功能，讀功能需要一個(gè)更嚴(yán)格的時(shí)序，由于S3C4510B的I/O口速度較慢難以實(shí)現(xiàn)。另外，S3C4510B的時(shí)鐘頻率只有５０MHz左右，信號(hào)的同步是個(gè)難題，可以考慮在接收端再加上一個(gè)時(shí)鐘電路以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的信號(hào)同步。

總而言之，本系統(tǒng)具有兩大特點(diǎn)：一是開(kāi)放性，由于采用的是通用的uCLinux操作系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的C程序即可，然后通過(guò)以太網(wǎng)接口便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接功能以改變目標(biāo)任務(wù)。二是自主性，該系統(tǒng)自成體系，可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，具有某些方面的識(shí)別能力和較高的性價(jià)比。

參考文獻(xiàn)：

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３．  鄒思軼.Linux嵌入式設(shè)計(jì)與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2002年1月第1版

４．  段峰，王耀南，雷曉峰，吳立釗，譚文。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及其應(yīng)用綜述，自動(dòng)化博覽，2002年1月

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