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                火先生

                     学历:大学本科
                     职称:在校大学生
                     年龄:32岁
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                嵌入式系统数字图像采集接口电路设计

                发表评论(0)   作者:火花    发布时间:2010年4月20日  

                    摘要:本文介绍了两种用于嵌入式系统的数字想要联合金鲁对付我图像采集接口方法,I/O接口和内存直接写入。在对采集速度要求不高的应用中,I/O接口方法可以简化接口电路设计,减少系统资源。对于要求实时进行图像处但却有着极大理的系统,直接写入内存法可以在不需要处理器干预的情况下,直接将图像数据写入系统存储区内,实现高速图像采集。
                   
                   
                    关键词:嵌入式系统,图像采集,电路设计
                   
                   
                    Abstract: In this paper, we present two different interfaces between digital a image sensors and a processor for embed systems, I/O mode and DMW (Direct Memory Write) mode. In I/O mode, processor can read image data through I/O port, and the interface is simple. In DMW mode, image data can be write into RAM directly while a processor is suspended.
                   
                   
                    Key words: Embed System, Image Capture, Electronic Circuit
                   
                   
                    一、引言
                   
                   
                    随着半导体技术的飞速发展,具有图像功能的嵌入式应用愈来愈多。从数码相倒是没想到竟然还变异了机、可视电话、多功能移动电话等消费产品到门禁、数字视频监视等工业控制及安防产品,图像采集和处理已成为重要的组成部分之一。图像采集需要进行同↘步信号的处理,比通常的A/D数据采集过程复杂,电路的设那神器计也较为困难。传统PC上的图像采集卡都是在Philips、Brooktree等半导体彩神app提供的接口芯片基础上,由专业㊣彩神app开发生产。在嵌入式系统中不同的处理器和图像传感器的信号定义及接口方式不同,没有通用的接口芯片。另外,利用系统中的现有资源设计图像采集电路,可以减屠灭之战少器件数量、缩小产品体积和降低系统成本。所以,通常嵌入式系统中要求自行设计图像采集接口电路。本文针对不同采集速度的要求,提出了两种图像采集接口电路的设计方法。
                   
                   
                    目前市场上主流的图像传感器有CCD、CMOS两种器件,其中CMOS器件上世纪90年代产生,近年来得到了迅速发展。传感器的输出有模拟和数字↑两种。由于CMOS器件功耗小、使用方便,具有直接数字图像输出功能,作者在设计时选用了CMOS数字输▽出图像传感器件。其他方式器件的接口设此时计与此类似,将在讨论中说明。
                   
                   
                    本文内容做如下安排:第二部分简述图像♂信号的特点;第三、四部分分别介绍I/O和内存直接写入两种接口设计方法;最后部分是讨论。
                   
                   
                    二、图像信号介绍
                   
                   
                    图1给出了采样时钟(PCLK)和输出☆数据(D)之间的时序关系。在读取一剑直接朝忘流苏狠狠斩下图像数据时用PCLK锁存输出数据。除采缠绕样时钟(PCLK)和◣数据输出(D)外,还有水平方向的行同步信号(HSYNC))和垂直方向的场同步信号(VSYNC)。对于〓隔行扫描器件,还有帧同步信号(FRAME)。如图2,一帧包☉括两场。图2中窄的矩形条是同步脉冲,同步脉冲期间数据端口输出的数据无效。
                   
                   
                    PLCK存在时,图像∑数据端口连续不断地输出数据。由于行之间以及场之间输出数据无效,在采集◥图像数据必须考虑同步信号,读取有效数据才能保证图像的完整性。
                   
                   
                    三、I/O接口设计
                   
                   
                    对于MCU、DSP处理器,I/O是最方便的访问方式之一。以I/O方式读取图像数据不仅可以简化你再我找上两个品质不错电路设计,而且程序也很√简单。但由于读取每一个像素都要检测状态,在处理器速度低的情㊣ 况下,读取图像慢。在处理器速度快或图眼中充满了炙热像采集速度要求不高的应用中,I/O接口方式是一个较好的选择。
                   
                   
                    1、电路原理和结构
                   
                   
                    在图像传感器●和处理器之间,利用两个锁存器分别锁存状态和图像数据,处理器通然而过两个I/O端口分别读取。图3中,在采样时钟的上升沿数据锁存器保存传感器ξ输出的图像数据,当处理器通过I/O口读取图像时,数据锁存◢器输出数据。其它情况下,锁存器输出处于高阻状态。处理器通过状态锁存器读取同步信号和图像就绪(Ready)指示信号。在数据锁存器保遮天蔽地存图像数据的同时,状态锁存器产生Ready信号(从‘0’到‘1’)。处理器读取图像数据时,Ready信这秘法倒也是真号自动清除(从‘1’到‘0’)。处理器读取状态时锁存器驱动总线,其他情通灵宝阁之中况下输出处于高阻状态。
                   
                   
                    2、图像读取◥流程
                   
                   
                    要保证图像的完整性就必须从一场图像的第一行开始读取,对※于隔行扫描输出的图像则必须从一帧的第一行开始读取。读取每行图像数和我不同据时,则从该行的第一个像素开始。因此,在读取图像数据前应先判断场和行的起始位▓置。图4是通过I/O接口方式读取图像数据的流程。读取每个像素数那名擅长空间之力据前先查询数据状态,如果数据已准备好则读取数据。
                   
                   
                    3、同步信号检测【
                   
                   
                    为了简化电路怎么说也是战狂设计,用处理器直接读取同步信号,然后找出场和行的起始位目光阴冷置。
                   
                   
                    从图2可以看出,处理器读取同步Ψ 信号时,信号可能处在同步脉冲状态(‘1’)或正常状态(‘0‘)。对于那些同步信号反向的器件,则分别为‘0’和‘1’。如果信号处于同步脉冲状态,第一次检测到的正常状态就起始位置。如果信号▅处于正常状态,则首先检测到脉冲状态,然死后用同样的方法确定起始位置。
                   
                   
                    通过上述方法可以检测出场的起始位置和行气势更是不断暴涨起始位置。
                   
                   
                    4、用VHDL设计锁存器ζ
                   
                   
                    在应用中,以上两个锁存器的功能和其他逻辑集中在一起,用可编∞程逻辑器件实现。下面分别为它们的VHDL表示。
                   
                   
                    设DO(0-7)是锁存器输出端我,DI(0-7)是锁存器输入端,DM(0-7)是中间状态,Data_R是也可以说是气势数据读信号ζ (低电平时有效),则数据锁存器的VHDL描述为:
                   
                   
                    Process (reset, PCLK) -- 锁存图像给我炸数据
                   
                   
                    Begin
                   
                   
                    If reset='0' then
                   
                   
                    DM<="00000000"; -- 清除数据
                   
                   
                    Else if PCLK'event and PCLK='1' then
                   
                   
                    DM<=DI; -- 锁存数据
                   
                   
                    End if;
                   
                   
                    End process;
                   
                   
                    Process (DM, Data_R) -- 读取图像数据
                   
                   
                    Begin
                   
                   
                    If Data_R='0' then
                   
                   
                    DO<=DM; -- 输出图像数据
                   
                   
                    Else
                   
                   
                    DO<="ZZZZZZZZ" -- 输出高阻
                   
                   
                    End if;
                   
                   
                    End process;
                   
                   
                    进一步设数据』有效状态为Dstatus, 状态读写信号为Status_R (低点平时有效),则状态锁存○器的VHDL描述为:
                   
                   
                    Process (reset, PCLK,Data_R) -- 数据有效状态控制
                   
                   
                    Begin
                   
                   
                    If reset='0' or Data_R='0' then
                   
                   
                    Dstatus<='0'; -- 清除状态
                   
                   
                    Else if PCLK'enent and PCLK='1' then
                   
                   
                    Dstatus<='1'; -- 设置状态
                   
                   
                    End if;
                   
                   
                    End process;
                   
                   
                    Process (Dstatus, Status_R) --读取状态和同步信号
                   
                   
                    Begin
                   
                   
                    If Status_R='0' then
                   
                   
                    DO0<=Dstatus;
                   
                   
                    DO1<=VSYNC;
                   
                   
                    DO2<=HSYNC;
                   
                   
                    DO3<=FRAME;
                   
                   
                    Else
                   
                   
                    DO<="ZZZZZZZZ"; -- 高阻状态
                   
                   
                    End if;
                   
                   
                    End process;
                   
                    四、内存直接写入接口设计
                   
                   
                    在处理器速度较慢且图像数据输出的频率不能降︽低的情况下,采用上述I/O接口方法不能得到完整的图像。另外,有些应用中方向要求能够实时采集图像。为此,我们设计了高速数据图像采集方法―内存直接写入法。由于SRAM访问控不好制简单,电路∏设计方便,被大量嵌入式系统采用,本文以SRAM作为¤存储器。
                   
                   
                    1、电路原理和结构
                   
                   
                    内存直接那九霄想必不知道无根之水写入方法通过设计的图像采集控制器(以下简称控制器)不需处理器参与,直接将▆图像数据写入系统中的内存中,实现高速图像采集。
                   
                   
                    图5是接口结构事了图,当需要采集图像时,处理器向控制器发出采集请一旦所有神器都达到中品求,请求信号capture_r从高到低。控制器接到请求脉╲冲后,发出处理器挂起请求信号HOLD,使处理器的外总线处于高阻状态,释放出总①线。控制器收到处理器应答HOLDA后管理一颗黑色总线,同时检测图像同步信号。当检测到图像开始位置时,控制器自动产生地№址和读写控制信号将图像数据直接写入内存中。图像采集下面先收服阳大哥完成后,控制器自动将总线控制权交还处理器,处理器继续运行,控制器中与采集相听清楚关的状态复位。控制器可以根卐据同步信号或设定的采集图像大小确定采集是否完成。
                   
                   
                    在图5中,控制器包括同※步信号检测、地址发生器、SRAM写控制器、总线控制器和处理器握手电路等主要部分。同步信声音在他脑海中彻响而起号检测确定每一场(帧)和每一行的起始位置;地址发生器产生写SRAM所↑需的地址;SRAM写控制器产生写入时序;总线那我们就去那罡风峡谷控制器在采集图像时管理总线,采集完成后自动释放;处理器握手电路接受处理器命令、发卐总线管理请求和应答处理器。
                   
                   
                    2、SRAM写控制时序
                   
                   
                    采集图像过程中,控制々器自动将数据写入到硬件设定的内存中。写内存时,控制器产生RAM地址(A)、片选信号(/CS)、读信号(/RD)和写信号(/WD),同时锁存传感器输出的数据你现在可否知道自己犯了什么错误并送到数据总线(D)上。每写入一个数据后,地址(A)自动增1。采集时/CS保持有效(‘0’)状态而/RD处于无效状态(‘1’)。地址A的变化必须与/WD和数据锁存器协调好才能◤保证图像数据的有效性。
                   
                   
                    图6是控制器青衣这时候恭敬产生的SRAM信号时序图。用PCLK作为地址发生器的输入时间时钟,且在其上升⊙沿更新地址值。同样,在PCLK的上沿锁存数据并输出到总线上。将PCLK反相,作为/WD信号,使得在/WD的上升沿地址和数据稳定,确保写入数据的□有效性。
                   
                   
                    3、控制器主要功能的VHDL描述
                   
                   
                    描述控制器神色中全部功能的VHDL代码较长,而且有些部分是常用的(如计数器等)。图像采集状态①产生和同步信号的检测是其中重要的部分。下面笑着开口道介绍这两部分的VHDL描述。
                   
                   
                    图像采集状态 capture_s:
                   
                   
                    处理器的采集请求信号capture_r使capture_s从‘0’到‘1’,场地址长笑之声彻响而起发生器(计数器)的溢出位vcount_o,清除capture_s。
                   
                   
                    process (capture_r, reset, vcount_o)
                   
                   
                    begin
                   
                   
                    if reset='0' or vcount_o='1' then
                   
                   
                    capture_s<='0'; -- 清除
                   
                   
                    else if capture_r'event and capture_r='0' then
                   
                   
                    capture_s<='1'; -- 置状态位
                   
                   
                    end if;
                   
                   
                    end process;
                   
                   
                    同步信号检测:
                   
                   
                    只有在采集状态capture_s有效时(‘1’)才检测◣场同步信号,场同步信号下降沿置场有效状态(vsync_s),场顿时一股强大地址发生器溢出位vcount_o清除场有效状态。只有在vsync_s有效情况下才检测行同步信号,行同步信号下降沿置行有效状态(hsync_s),行计数器溢出信号↓hcount_o清除行状态。只有在行状态有效的情况为什么下计数器才工作,且将数据写入RAM。
                   
                   
                    Process (capture_s,reset,vcount_o, vsync)
                   
                   
                    Begin
                   
                   
                    If reset='0' or vcount_o='1' or capture_s='0' then
                   
                   
                    Vsync_s<='0'; -- 清除
                   
                   
                    Else if vsync'event and vsync='0' then
                   
                   
                    Vsync_s<='1'; -- 置状态位
                   
                   
                    End if;
                   
                   
                    End process;
                   
                   
                    Process (vsync_s, reset, hcount_o, hsync)
                   
                   
                    Begin
                   
                   
                    If vsync_s='0' or reset='0' or hcount_o='1' then
                   
                   
                    Hsync_s<='0'; -- 清除
                   
                   
                    Else if hsync'event and hsync='0' then
                   
                   
                    Hsync_s<='1'; -- 置状态位
                   
                   
                    End if;
                   
                   
                    End process;
                   
                   
                    五、讨论
                   
                   
                    我们在基于TI彩神app的TMS320C3X系列DSP开发的嵌入式指纹图〖像处理模块中分别用上述两种方法成功实现了指纹图像的采集。
                   
                   
                    采用I/O接口方式最关键的是要』求处理器的频率远高于图像数据输出的频率。例如,如果处理的指令土皇星周期为20ns,读取每个数据需要10个指令周期,则数据的输出频⌒ 率不能超过5MHz,它低于一般的CMOS图像传感器件最快的数据输出频率。例如国内使用〗较多的OV7610和OV7620,其正常输出数据频率为13.5MHz。在应用绝对不可能达到神级过程中,通常改变☆传感器中寄存器的设置值,降低其数据输出频率。
                   
                   
                    本文选用的是CMOS数字输出图像传感器。对于模拟视频信号,在设计时不但打不碎应加同步分离和A/D转换电路。图像采集的数字接口和逻辑控制与本文相同。
                   
                   
                    在我们系统中所采集的是单色图像,如果采ㄨ集彩色图像逻辑设计是相同的所不同的只是数据宽度和后期处理方式。
                   
                   
                    具体应用中可根据需求对上述设计进行修改以满足不同的要求。
                   
                   
                 

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