嵌入式系統(tǒng)數(shù)字圖像采集接口電路設(shè)計(jì)(一)

1、嵌入式系統(tǒng)數(shù)字圖像采集接口電路設(shè)計(jì) (一 )I/O摘要：本文介紹了兩種用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字圖像采集接口方法， 接口和內(nèi)存直接寫(xiě)入。在對(duì)采集速度要求不高的應(yīng)用中， I/O 接口方法 可以簡(jiǎn)化接口電路設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)資源。對(duì)于要求實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像處理 的系統(tǒng)，直接寫(xiě)入內(nèi)存法可以在不需要處理器干預(yù)的情況下，直接將 圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。關(guān)鍵詞：嵌入式系 統(tǒng)，圖像采集，電路設(shè)計(jì) Abstract:Inthispaper,wepresenttwodifferentinterfacesbetweendigitalaimag esensorsandaprocessorforembedsyst

2、ems,I/OmodeandDMW(DirectMemor yWrite)mode.InI/Omode,processorcanreadimagedatathroughI/Oport,andt heinterfaceissimple.InDMWmode,imagedatacanbewriteintoRAMdirectlyw hileaprocessorissuspended.Keywords:EmbedSystem,ImageCapture,Electro nicCircuit 一、引言隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速開(kāi)展，具有圖像功能的嵌入 式應(yīng)用愈來(lái)愈多。從數(shù)碼相機(jī)、可視 、多功能移動(dòng) 等消費(fèi)產(chǎn) 品到

3、門(mén)禁、數(shù)字視頻監(jiān)視等工業(yè)控制及安防產(chǎn)品，圖像采集和處理已 成為重要的組成局部之一。圖像采集需要進(jìn)行同步信號(hào)的處理，比通 常的A/D數(shù)據(jù)采集過(guò)程復(fù)雜，電路的設(shè)計(jì)也較為困難。傳統(tǒng)PC上的圖 像采集卡都是在 Philips、Brooktree 等半導(dǎo)體公司提供的接口芯片根底 上，由專業(yè)公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。在嵌入式系統(tǒng)中不同的處理器和圖像傳感 器的信號(hào)定義及接口方式不同，沒(méi)有通用的接口芯片。另外，利用系 統(tǒng)中的現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)圖像采集電路，可以減少器件數(shù)量、縮小產(chǎn)品體積和降低系統(tǒng)本錢(qián)。所以，通常嵌入式系統(tǒng)中要求自行設(shè)計(jì)圖像采集 接口電路。本文針對(duì)不同采集速度的要求，提出了兩種圖像采集接口 電路的設(shè)計(jì)方法。目前市

4、場(chǎng)上主流的圖像傳感器有 CCD CMOS兩種器 件，其中CMOS器件上世紀(jì)90年代產(chǎn)生，近年來(lái)得到了迅速開(kāi)展。傳 感器的輸出有模擬和數(shù)字兩種。由于 CMOS器件功耗小、使用方便， 具有直接數(shù)字圖像輸出功能，作者在設(shè)計(jì)時(shí)選用了CMOS數(shù)字輸出圖像傳感器件。其他方式器件的接口設(shè)計(jì)與此類似，將在討論中說(shuō)明。 本文內(nèi)容做如下安排：第二局部簡(jiǎn)述圖像信號(hào)的特點(diǎn)；第三、四局部 分別介紹 I/O 和內(nèi)存直接寫(xiě)入兩種接口設(shè)計(jì)方法； 最后局部是討論。二、 圖像信號(hào)介紹圖1給出了采樣時(shí)鐘PCLK和輸出數(shù)據(jù)D之間的時(shí)序 關(guān)系。在讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)用 PCLK鎖存輸出數(shù)據(jù)。除采樣時(shí)鐘PCLK 和數(shù)據(jù)輸出D外，還有水平方向的

5、行同步信號(hào)HSYNC和垂直方向的場(chǎng) 同步信號(hào)VSYNC。對(duì)于隔行掃描器件，還有幀同步信號(hào)FRAME。 如圖 2，一幀包括兩場(chǎng)。 圖 2 中窄的矩形條是同步脈沖， 同步脈沖期間 數(shù)據(jù)端口輸出的數(shù)據(jù)無(wú)效。PLCK存在時(shí)，圖像數(shù)據(jù)端口連續(xù)不斷地輸 出數(shù)據(jù)。由于行之間以及場(chǎng)之間輸出數(shù)據(jù)無(wú)效，在采集圖像數(shù)據(jù)必須 考慮同步信號(hào)，讀取有效數(shù)據(jù)才能保證圖像的完整性。三、 I/O 接口設(shè) 計(jì)對(duì)于MCU、DSP處理器，I/O是最方便的訪問(wèn)方式之一。以I/O方式 讀取圖像數(shù)據(jù)不僅可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，而且程序也很簡(jiǎn)單。但由于讀 取每一個(gè)像素都要檢測(cè)狀態(tài)， 在處理器速度低的情況下， 讀取圖像慢。 在處理器速度快或圖像采集

6、速度要求不高的應(yīng)用中， I/O 接口方式是一個(gè)較好的選擇。 1、電路原理和結(jié)構(gòu)在圖像傳感器和處理器之間，利用 兩個(gè)鎖存器分別鎖存狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)， 處理器通過(guò)兩個(gè) I/O 端口分別讀 取。圖 3 中，在采樣時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)鎖存器保存?zhèn)鞲衅鬏敵龅膱D像 數(shù)據(jù)，當(dāng)處理器通過(guò)I/O 口讀取圖像時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器輸出數(shù)據(jù)。其它情 況下，鎖存器輸出處于高阻狀態(tài)。處理器通過(guò)狀態(tài)鎖存器讀取同步信 號(hào)和圖像就緒Ready指示信號(hào)。在數(shù)據(jù)鎖存器保存圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)， 狀態(tài)鎖存器產(chǎn)生Ready信號(hào)從到' 1；處理器讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，Ready 信號(hào)自動(dòng)去除從 1到'0'。處理器讀取狀態(tài)時(shí)鎖存器驅(qū)動(dòng)總線

7、，其他 情況下輸出處于高阻狀態(tài)。 2、圖像讀取流程要保證圖像的完整性就必 須從一場(chǎng)圖像的第一行開(kāi)始讀取，對(duì)于隔行掃描輸出的圖像那么必須從 一幀的第一行開(kāi)始讀取。讀取每行圖像數(shù)據(jù)時(shí)，那么從該行的第一個(gè)像 素開(kāi)始。因此，在讀取圖像數(shù)據(jù)前應(yīng)先判斷場(chǎng)和行的起始位置。圖 4 是通過(guò)I/O接口方式讀取圖像數(shù)據(jù)的流程。讀取每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)前先查詢 數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好那么讀取數(shù)據(jù)。3、同步信號(hào)檢測(cè)為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，用處理器直接讀取同步信號(hào)， 然后找出場(chǎng)和行的起始位置。 從圖 2 可以看出，處理器讀取同步信號(hào)時(shí)，信號(hào)可能處在同步脈沖狀 態(tài) 1'或正常狀態(tài) 0。對(duì)于那些同步信號(hào)反向的器件，那么分別為和

8、0'。1'如果信號(hào)處于同步脈沖狀態(tài)，第一次檢測(cè)到的正常狀態(tài)就起 始位置。如果信號(hào)處于正常狀態(tài)，那么首先檢測(cè)到脈沖狀態(tài)，然后用同 樣的方法確定起始位置。通過(guò)上述方法可以檢測(cè)出場(chǎng)的起始位置和行 起始位置。4、用VHDL設(shè)計(jì)鎖存器在應(yīng)用中，以上兩個(gè)鎖存器的功能和其他邏輯集中在一起，用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。下面分別為它們的VHDL表示。設(shè)DO(0-7)是鎖存器輸出端，DI(0-7)是鎖存器輸入端，DM(0-7) 是中間狀態(tài)，Data_R是數(shù)據(jù)讀信號(hào)(低電平時(shí)有效)，那么數(shù)據(jù)鎖存器的 VHDL 描 述 為 ： Process(reset,PCLK)-鎖 存 圖 像 數(shù) 據(jù) BeginIfr

9、eset='0'thenDMElseifPCLK'eventandPCLK='1'thenDMEndif;Endproc ess;Process(DM,Data_R)- 讀 取 圖 像 數(shù) 據(jù)Begi nl fData_R='O'the nDOEIseDOE ndif;E ndproces進(jìn)一步設(shè)數(shù)據(jù)有效狀 態(tài)為Dstatus狀態(tài)讀寫(xiě)信號(hào)為Status_R低點(diǎn)平時(shí)有效)，那么狀態(tài)鎖存器 的 VHDL 描述為： Process(reset,PCL，K Data_R)-數(shù)據(jù)有效狀態(tài)控制 BeginIfreset='0'orData_R='0'thenDstatusEIseifPCLK'enentandPCLK