【正文】 將像素傳到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)處理?？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。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。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。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)。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]。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)。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]。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。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。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。 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。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。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。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。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。而FOVEON X3技術(shù)可以在一個像素上通過不同的深度來感應(yīng)色彩信息，它是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)一個像素感應(yīng)全部色彩信息的。圖3 圖象采集信號時序 OV7620工作方式和輸出格式非常多,可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合,針對我們的較小系統(tǒng),采用了單通道Y輸出,以及逐行掃描的工作方式。每一個PCLK時鐘輸出一個像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標(biāo)準(zhǔn)的Bayer2pattern彩色RGB數(shù)據(jù)) 。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以增加數(shù)據(jù)傳輸率、處理大量數(shù)據(jù)流、匹配具有不同傳輸率的系統(tǒng)為目的而廣泛使用FIFO存儲器，從而提高了系統(tǒng)性能。　　因此，選擇合適的存儲芯片對于提高系統(tǒng)性能很重要，在以往的設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的是“乒乓型”存儲方式，這種方式就是采用兩片存儲器，數(shù)據(jù)首先進(jìn)入其中一片，當(dāng)數(shù)據(jù)滿時再讓數(shù)據(jù)進(jìn)入第二片存儲器，同時通過邏輯控制，將第一片存儲器中的數(shù)據(jù)取走，以此類推，兩片輪流對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。因此，在綜合考慮系統(tǒng)性能和成本的基礎(chǔ)上，選擇滿足系統(tǒng)需要的芯片即可?；陟o態(tài)SRAM的優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲一幀數(shù)據(jù)；基于DRAM的優(yōu)點(diǎn)是容量大，只需一片就能存儲一幀數(shù)據(jù)；缺點(diǎn)是必須有刷新電路。本文根據(jù)MPEG 2 碼流的實(shí)際處理,提出了一種FIFO 控制的巧妙設(shè)計(jì),從而完成整幀數(shù)據(jù)處理的FIFO 設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)正確的讀寫和避免FIFO 的上溢或下溢,通常還應(yīng)該給出與讀時鐘和寫時鐘同步的FIFO 的空標(biāo)志和滿標(biāo)志以禁止讀寫操作。這樣就實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)先出的功能。如果我們自己用FPGA 實(shí)現(xiàn)FIFO 的設(shè)計(jì),可以適當(dāng)加大讀寫地址的差值關(guān)系,從而使得FIFO 產(chǎn)生的滿標(biāo)志和空標(biāo)志能夠正確的指示FIFO 的狀態(tài),而不產(chǎn)生錯誤指示。 讀寫周期為20 ns. 所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成, 因此外部連接與使用非常簡單,而且具有獨(dú)立的讀、寫操作, 寫入與讀出速率可以不同. 具有以上特點(diǎn)的AL422B 非常適合在視頻圖象信號發(fā)生器中應(yīng)用。名稱 引腳 功能DI0DI7 14，1114 /WE允許時，數(shù)據(jù)在WCK的上升沿寫入存儲體WCK 9 寫數(shù)據(jù)同步的時鐘信號/WE 5 寫數(shù)據(jù)允許，低有效/WRST 8 /WRST低有效時，寫指針復(fù)位，指向零地址DO0DO7 1528，2528 /RE和/OE都允許時，數(shù)據(jù)在RCK的上升沿讀出RCK 20 讀數(shù)據(jù)同步的時鐘信號/RE 24 控制讀數(shù)據(jù)的允許與否，低有效/RRST 21 /RRST低有效時，讀指針復(fù)位，指向零地址 /OE 22 /OE允許時，數(shù)據(jù)輸出到DO0DO7引腳TST 7 出廠測試用，設(shè)計(jì)應(yīng)用時應(yīng)接地VDD 10 DEC/VDD 19 GND 6，23 接地線表2 AL422B引腳功能 Tab2 The pin function of AL422B　 PWE 控制寫數(shù)據(jù)的允許與否, PWE 低有效, 此時數(shù)據(jù)在WCK上升沿同步寫入存儲體, 并且寫指針自動指向下一地址. PWE 高無效, 此時FIFO 不接受數(shù)據(jù), 寫指針不變. PWRST 低有效時, 寫指針復(fù)位,指向地址為零的存儲單元。如果我們在FIFO 外加以邏輯控制,用FIFO 的滿標(biāo)志full 和空標(biāo)志empty 分別控制FIFO 的寫有效和讀有效,就可以避免上述情況的發(fā)生。從FIFO 讀出的數(shù)就變得雜亂無章,產(chǎn)生數(shù)據(jù)混亂錯誤。如果FIFO 的full 滿標(biāo)志無效,等下一幀數(shù)據(jù)開始時,再次使得FIFO 的wr en 有效,數(shù)據(jù)能夠?qū)懭隖IFO ,從而保證FIFO 的寫入和讀出數(shù)據(jù)都是完整的幀數(shù)據(jù)[13]。五．FIFO控制的關(guān)鍵技術(shù)和仿真結(jié)果FIFO 控制技術(shù)的關(guān)鍵在于用于控制模塊的滿標(biāo)志和空標(biāo)志不是采用FIFO 本身的full 和empty ,而是我們特別加上的。因?yàn)樘幚淼臄?shù)據(jù)為整幀數(shù)據(jù),故可利用幀頭產(chǎn)生一個幀頭同步信息,本文所列舉的例子的寫入和讀出的幀頭同步信息分別為psync 和outpsync 。圖5 (a) : 寫幀頭psync 有效,full 無效,輸出寫wr – en 有效,控制FIFO 可以寫入數(shù)據(jù)。如果此時empty 無效,則輸出讀rd en 有效。圖6 (b) :number2 控制,使得empty 有效,但此時rd – en 仍有效,所以不代表FIFO 真正空。這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。五． USB簡介 USB是一些PC大廠商，如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛的為各PC廠家所支持。這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)作連續(xù)的比特流。每種傳輸模式應(yīng)用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質(zhì)。該類型無差錯校驗(yàn)，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計(jì)算機(jī)－電話集成系統(tǒng)（CTI）和音頻系統(tǒng)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數(shù)據(jù)按一定的速率傳送。 設(shè)備安裝和配置容易。通過使用Hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個外設(shè)。USB總線提供最大達(dá)5V電壓、500mA電流。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。筆者曾經(jīng)采用Atmel公司的89c51單片機(jī)和USBN9602芯片構(gòu)成系統(tǒng)，取得了良好的效果。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路A/D，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機(jī)是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。 (2)軟件構(gòu)成 Windows98 提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動程序，但好象還沒有一種是專門針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，所以必須針對特定的設(shè)備來編制驅(qū)動程序。編制一個穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)備性能，必須給予充分的重視。 三．實(shí)現(xiàn)USB遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)傳輸 傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的一個障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然是太短了。RS－485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補(bǔ)，而USB傳輸距離的限制恰好又是RS－485的優(yōu)勢所在。而主機(jī)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反：主機(jī)向USB口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過485～USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送。 需要特別說明的是，在485～USB轉(zhuǎn)換器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驅(qū)動能力等）完全一樣，也就是說，一個485～USB轉(zhuǎn)換器就能夠完全取代一塊485卡，成本要低許多，同時具有安裝方便、不受插槽數(shù)限制、不用外接電源等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)和科研數(shù)據(jù)采集提供了一條方便、廉價(jià)、有效的途徑。由于USB的數(shù)據(jù)傳輸速率大大高于485，因此在每條485總線上仍然可以掛接多個設(shè)備。 五．芯片選擇 USB 芯片在外設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用面很廣。 集成MCU的USB控制芯片優(yōu)點(diǎn)是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪問一系列寄存器和存儲器，便可實(shí)現(xiàn)USB口的數(shù)據(jù)傳輸，最大限度的發(fā)揮 USB高速的特點(diǎn)。但因?yàn)閁SB控制器是通過串行口或并行口與MCU連接，在傳輸速