【正文】 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題　　目：　圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲及USB接口電路設(shè)計(jì) 圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲及USB接口電路設(shè)計(jì)摘 要：高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)是研究瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象的一種有效工具，高速運(yùn)動物體數(shù)字圖像的獲得，是對瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)。隨著數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可視電話、電視會議、監(jiān)控系統(tǒng)等各種民用、商業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。本文以CMOS數(shù)字圖像傳感器為圖像采集器件，以及PIC16F87x系列單片機(jī)和CY7C68013AUSB接口芯片，再加上CPLD邏輯控制和FIFO幀存儲器，構(gòu)建一個靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)。CMOS圖像傳感器主要用來對敏感景物產(chǎn)生像素，F(xiàn)IFO幀存儲器用來存儲一幀這樣的像素，CPLD用來控制像素從圖像傳感器到FIFO傳輸?shù)臅r序邏輯，單片機(jī)將像素發(fā)送到USB接口，并控制整個電路工作，USB接口的任務(wù)是將像素傳到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)處理。關(guān)鍵字：圖象采集；FIFO；USB Design of HighImage 目錄1 緒論………………………………………………………………………（1）1緒論數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展使得所有圖像處理的問題都可以用數(shù)字信號處理的形式來解決，這為實(shí)時圖像處理的應(yīng)用提供了廣闊的空間。首先，數(shù)字信號處理中存在大量成熟的快速算法，這些算法已經(jīng)大量的應(yīng)用于圖像處理中。其次，幾個技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)一步促使此領(lǐng)域的發(fā)展，隨著超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，包括低價(jià)位DSP(Digital Signal Processor)數(shù)字信號處理器，微處理器支持的并行處理技術(shù)，用于圖像數(shù)字化的低成本的電荷耦合器件，低成本存儲陣列的新存儲技術(shù)，以及低成本、高分辨的彩色顯示系統(tǒng)的發(fā)展為高速的實(shí)現(xiàn)信號處理、為達(dá)到系統(tǒng)的實(shí)時性提供了可能[1]。這些發(fā)展都使得圖像處理技術(shù)廣泛的運(yùn)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源的遙感探測、醫(yī)療衛(wèi)生、空間探索等各個領(lǐng)域 ，如今隨著信息高速公路的建設(shè)，各種網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展非常迅速。因而，圖像的傳輸也得到了極大的關(guān)注。另一方面，圖像傳輸可使不同的系統(tǒng)共享圖像數(shù)據(jù)資源，也極大地推動了圖像在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)是研究瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象的一種有效工具，高速運(yùn)動物體數(shù)字圖像的獲得，是對瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)。目前高速圖像采集系統(tǒng)(一般指幀頻在100fps以上)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。在軍工靶場測量中，需要對快速飛行目標(biāo)的飛行實(shí)況進(jìn)行跟蹤、測量，事后要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，為了提高測量精度，普遍采用高幀頻數(shù)字圖像采集系統(tǒng)[2]?？紤]到高速實(shí)時處理及實(shí)用化兩方面的具體要求，需要開發(fā)一種具有高速、高集成度等特點(diǎn)的視頻圖象信號采集系統(tǒng)，為此系統(tǒng)采用專用視頻解碼芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)構(gòu)成前端圖象采集部分。設(shè)計(jì)上采用專用視頻解碼芯片，以CPLD器件作為控制單元和外圍接口，以FIFO為緩存結(jié)構(gòu)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)視頻信號的采集與讀取的高速并行，具有整體電路簡單、可靠性高、集成度高、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，無需更改硬件電路，就可以應(yīng)用于各種視頻信號處理系統(tǒng)中[3]。使得原來非常復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)得到了極大的簡化，并且使原來純硬件的設(shè)計(jì)，變成軟件和硬件的混合設(shè)計(jì)，使整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加柔韌性。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我以CMOS數(shù)字圖像傳感器為圖像采集器件，以及PIC16F87x系列單片機(jī)和CY7C68013AUSB接口芯片，再加上CPLD邏輯控制和FIFO幀存儲器，構(gòu)建一個靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)。CMOS圖像傳感器主要用來對敏感景物產(chǎn)生像素，F(xiàn)IFO幀存儲器用來存儲一幀這樣的像素，CPLD用來控制像素從圖像傳感器到FIFO傳輸?shù)臅r序邏輯，單片機(jī)將像素發(fā)送到USB接口，并控制整個電路工作，USB接口的任務(wù)是將像素傳到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)處理。2. 圖象采集系統(tǒng)概述 系統(tǒng)主要由圖象采集模塊、存儲模塊、處理模塊和傳輸模塊組成。高幀頻CMOS 成像單元主要由CMOS 圖像傳感器和控制芯片F(xiàn)PGA 組成，它是系統(tǒng)的成像部件，用以捕獲高速運(yùn)動物體的圖像，其電路輸出為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。圖像存儲單元主要由FIFO幀存儲器組成，負(fù)責(zé)對成像單元輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，供計(jì)算機(jī)采集、處理圖像數(shù)據(jù)。因圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，要求較高的傳輸速度，本系統(tǒng)采用了usB總線上傳到PC，實(shí)際中速度可以達(dá)到400 Kbps，能滿足CIF格式圖像的實(shí)時傳輸。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)主機(jī)USB接口CMOS圖象傳感器CPLD邏輯控制光學(xué)鏡頭FIFO幀存儲圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)選用OminiVision公司生產(chǎn)的CMOS芯片OV7620,它是一款集成了一個640 480 (30萬像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片,在隔行掃描模式下工作頻率可達(dá)60Hz,逐行掃描時為30幀/ s。其像面大小為1 /3英寸,支持8位或16位數(shù)字信號從單通道或雙通道輸出,輸出信號的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇,圖像矩陣支持VGA或CIF 規(guī)定, 數(shù)字輸出格式遵循CCIR601, ZVPorts, CCIR656等標(biāo)準(zhǔn)[4]。OV7620有很強(qiáng)的攝像和控制功能,如暴光控制,γ校正,增益,色彩矩陣,窗口選擇等,所有這些功能都可以通過I2C接口進(jìn)行編程控制。CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S,它在系統(tǒng)中處于核心地位,既要負(fù)責(zé)將OV7620輸出的視頻數(shù)據(jù)存入FIFO幀存儲器,又要與MCU配合完成視頻數(shù)據(jù)的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機(jī)C8051F020,它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài), C8051F020自帶SMBUS總線接口,可以把I2 C的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過交叉開關(guān)分配到端口引腳,MCU作為I2 C總線通訊的主機(jī),OV7620用42H (W rite) 、43H (Read)作為從機(jī)地址與MCU進(jìn)行通信。另外MCU還控制USB 通信,負(fù)責(zé)USB芯片的初始化和與PC的通信連接,其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件[5]。USB 接口芯片采用EZUSB FX2 芯片CY7C68013A,該芯片支持USB 。 圖象采集模塊CCD（Charge Coupled Device ——電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor ——互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)。CCD于1969年研制成功，發(fā)展于20世紀(jì)八、九十年代，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域。COMS傳感器是上世紀(jì)80 年代為克服CCD 生產(chǎn)工藝復(fù)雜、功耗較大、價(jià)格高、不能單片集成和有光暈、拖尾等不足之處而研制出的一種新型圖像傳感器，CMOS傳感器已成為消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)、電腦攝像頭、可視電話等多功能產(chǎn)品的理想之物，隨著技術(shù)的發(fā)展，已逐步應(yīng)用于高端數(shù)碼相機(jī)和電視領(lǐng)域。一. CCD 與CMOS 的對比CCD和CMOS之間的主要差異是數(shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出，如圖1。造成這種差異的原因在于：CCD 的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真，因此各個像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個像素的數(shù)據(jù)[6]。正是由于數(shù)據(jù)傳送方式的不同，造成了兩者之間的本質(zhì)差別。 CCD CMOS 圖2 CCD和CMOS的數(shù)據(jù)傳送方式不同1. 成本由于CMOS 傳感器采用半導(dǎo)體電路最常用的CMOS 工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、時鐘、DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD傳感器采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，其中有一個像素不能運(yùn)行，將會導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，控制CCD傳感器的成品率會比CMOS傳感器困難的多，因此，CCD傳感器的成本要高于CMOS 傳感器。2. 靈敏度CCD的感光信號以行為單位傳輸，電路占據(jù)像素的面積比較小，這樣像素點(diǎn)對光的感受就高些；而CMOS傳感器的每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成（含放大器與A/D 轉(zhuǎn)換電路），使得每個像素的感光區(qū)域只占據(jù)像素本身很小的表面積，像素點(diǎn)對光的感受就低；因此在像素尺寸相同的情況下，CCD 傳感器的靈敏度要高于CMOS 傳感器。3. 分辨率CMOS傳感器上集成有放大器、定時、ADC等電路，每個像素都比CCD 傳感器復(fù)雜，因而電路所占像素的面積也大，所以相同尺寸的傳感器，CCD可以做得更密。通常CCD傳感器的分辨率會優(yōu)于CMOS 傳感器的水平。4. 噪聲CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（有專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個像素集合至單一放大器上做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；相對地，CMOS 的設(shè)計(jì)中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），信號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CMOS 的制造工藝較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先放大再整合各個像素的資料。所以CMOS 計(jì)算出的噪點(diǎn)要比CCD 多，這將會影響到圖像品質(zhì)。5. 功耗CMOS 傳感器的圖像采集方式為主動式，即感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出；而CCD 傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個像素中的電荷移動，除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外，高驅(qū)動電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS 傳感器。6. 響應(yīng)速度由于CCD采用串行連續(xù)掃描的工作方式，必須一次性讀出整行或整列的像素?cái)?shù)據(jù)。而COMS 由于采用單點(diǎn)信號傳輸，通過簡單的XY 尋址技術(shù)，允許從整個排列、部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù)，從而提高尋址速度，實(shí)現(xiàn)更快的信號傳輸。二 .CCD 和CMOS 發(fā)展趨勢綜上所述，CCD在多個方面都占據(jù)著一定的優(yōu)勢，而且CCD技術(shù)還處在發(fā)展當(dāng)中，如富士公司的超級CCD SR（Super Dynamic Range，超級動態(tài)范圍），相對于同等數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信噪比和更大的動態(tài)范圍。但是CMOS傳感器的低功耗、可集成性及快速響應(yīng)是它的最大優(yōu)點(diǎn)，雖然CMOS的早期產(chǎn)品應(yīng)用情況并不十分理想，生成的圖片質(zhì)量差，噪波也大，而且圖像處理性能也不好。但經(jīng)過多年發(fā)展，CMOS 技術(shù)得到了充足發(fā)展。去年業(yè)界發(fā)展了CMOS圖像傳感器新技術(shù)—— C3D，這項(xiàng)技術(shù)的最大特點(diǎn)就是像素反應(yīng)的均一性，提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)性能。日本佳能公司的頂級單反數(shù)碼相機(jī)EOS1Ds使用的就是一款1100 萬像素的CMOS 圖像傳感器。特別是在2004年2 月，美國FOVEON 公司展示了最新發(fā)展的FOVEON X3 技術(shù)，這是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部彩色信息的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的CCD 只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，彩色信息是通過RGB 濾鏡來實(shí)現(xiàn)的，使用單片CCD（馬賽克形式），將