【正文】 集設(shè)備都掛接到485總線上，然后每個(gè)糧倉(cāng)再通過485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議傳輸?shù)絇C機(jī)，多個(gè)糧倉(cāng)的傳輸數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議后可以通過Hub連接到一臺(tái)PC機(jī)上。采用USB接口易于實(shí)現(xiàn)分布式，而485接口則易于實(shí)現(xiàn)總線式，如果將這兩者結(jié)合起來，則能夠?qū)崿F(xiàn)一種綜合式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這樣的設(shè)備在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)面市。這種系統(tǒng)的基本思想是：在采集現(xiàn)場(chǎng)，將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS－485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。RS－485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達(dá)到1200米以上，并且可以掛接多個(gè)設(shè)備。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標(biāo)來操作設(shè)備，如何處理和分析采集進(jìn)來的大量數(shù)據(jù)，因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。目前有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的driver works,Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內(nèi)生成高質(zhì)量的USB的驅(qū)動(dòng)程序。 USB的一大優(yōu)點(diǎn)是可以提供電源。 另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。 在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式，一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片。USB共有４種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。(2)USB的主要優(yōu)點(diǎn) 速度快。數(shù)據(jù)塊傳輸類型：支持打印機(jī)，掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)，這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進(jìn)行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。USBD為主機(jī)軟件的現(xiàn)實(shí)需求建立了接口和管道，當(dāng)提出配置請(qǐng)求時(shí)，主控制器根據(jù)主機(jī)軟件提供的參數(shù)提供服務(wù)。五． USB系統(tǒng)的構(gòu)成USB系統(tǒng)主要由主控制器（Host Controller）、USB HUB和USB外設(shè)（Peripherals Node）組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。圖6 (d) :讀幀頭outpsync 有效,如果full 有效, 因開始讀出一幀數(shù)據(jù),而沒有寫入一幀數(shù)據(jù),full 變成無效,表明FIFO 處于可讀可寫狀態(tài)。圖6 (a) :讀幀頭outpsync 有效,empty 無效,輸出讀rd – en 有效。圖5 ( b) : number1 控制,使得full 有效,但此時(shí)wr – en 仍有效,所以不代表FIFO 真正滿。如果此時(shí)full 有效,則輸出wr – en 無效,控制FIFO 禁止寫入,圖5 為其仿真圖。同樣當(dāng)空標(biāo)志有效時(shí),也不代表FIFO 一定是空,一般情況下是非空,但FIFO 內(nèi)的數(shù)據(jù)開始少于一幀,所以仍然可以輸出數(shù)據(jù),當(dāng)此幀結(jié)束時(shí),若empty 仍然有效,此時(shí)rd en無效,禁止從FIFO 讀出數(shù)據(jù)。如果FIFO 空標(biāo)志empty 無效,當(dāng)FIFO下一幀的數(shù)據(jù)要讀出時(shí),使得rd en 再次有效。為了避免這種情況,本文提出了一種巧妙的設(shè)計(jì),使得FIFO 讀入和讀出的數(shù)據(jù)都是整幀數(shù)據(jù)。原因在于FIFO 的空間大小常常不是N M,M 代表一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,N 為正整數(shù)。四．FIFO的控制設(shè)計(jì) 從FIFO 的功能描述可以看出,普通FIFO 適合處理一般數(shù)據(jù),但普通FIFO 設(shè)計(jì)仍然會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤,當(dāng)滿標(biāo)志有效時(shí),即使FIFO 的wr en 有效,FIFO 不會(huì)進(jìn)行寫操作,而是產(chǎn)生錯(cuò)誤。 參數(shù) 12MHZ采樣頻率 NTSC制 PAL制 NTSC制 PAL制每行有效素?cái)?shù) 720 720 640 640有效行數(shù) 480 575 484 575每個(gè)基色所需存儲(chǔ)容量 348480 41400 309760 36800每個(gè)基色所需AL422B 1 2 1 1 表1 取樣參數(shù)及存儲(chǔ)容量 The sample parameter and memory capacity 從電路簡(jiǎn)化和成本考慮, 用一片AL422B 存儲(chǔ)一個(gè)基色的一幀較為理想, 在一般場(chǎng)合應(yīng)用時(shí), PAL制采用12MHz 的采樣時(shí)鐘, NTSC 制使用13. 5MHz 采樣時(shí)鐘, 一片AL422B 就可以滿足一個(gè)基色的存儲(chǔ)容量要求, 整個(gè)系統(tǒng)共需3 片AL422B.。三．存儲(chǔ)器芯片類型的選擇 構(gòu)成幀存儲(chǔ)器一般可采用靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM、先進(jìn)先出FIFO 存儲(chǔ)器、雙端口RAM等幾種芯片. 作為信號(hào)發(fā)生器使用的幀存儲(chǔ)器, 不需要隨機(jī)存取, 只需順序讀寫, 因此可以選擇FIFO 存儲(chǔ)器, 從而避免了復(fù)雜的讀寫地址. FIFO 有獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸入、輸出端口, 操作方便, 因此選擇FIFO 存儲(chǔ)芯片構(gòu)成幀存儲(chǔ)器要比其它類型更為合理。當(dāng)FIFO 的滿標(biāo)志有效時(shí), FIFO禁止寫操作。FIFO的操作如下:在寫時(shí)鐘wr clk 的上升沿,當(dāng)wr en有效時(shí),將datain 寫入雙口RAM 中寫地址對(duì)應(yīng)的位置中。FIFO 的實(shí)現(xiàn)通常是利用雙口RAM 和讀寫地址產(chǎn)生模塊來實(shí)現(xiàn)的[11]。這里所用的FIFO 不能理解為傳統(tǒng)意義的FIFO ,因?yàn)閿?shù)據(jù)的處理是針對(duì)每一幀數(shù)據(jù),而不是每一個(gè)數(shù)據(jù)。這是至關(guān)重要的一點(diǎn)，如果不采用DMA操作，數(shù)據(jù)傳輸將達(dá)不到傳輸要求，而且大大增加CPU的負(fù)擔(dān)，無法同時(shí)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。其次，數(shù)據(jù)流的流向要不斷變化，限制了數(shù)據(jù)流的速率，還容易產(chǎn)生干擾。對(duì)于單片F(xiàn)IFO來說，主要有兩種結(jié)構(gòu)：觸發(fā)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)。由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代FIFO芯片容量越來越大，體積越來越小，價(jià)格越來越便宜。當(dāng)OV7620 設(shè)置工作方式穩(wěn)定后,它就會(huì)輸出視頻數(shù)據(jù),同時(shí)還有3個(gè)重要的參考信號(hào)輸出:幀同步信號(hào)SYNC,水平同步信號(hào)HREF,和像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK[8]。目前CMOS圖像傳感器在圖像噪聲和成像質(zhì)量方面還存在著一定的問題，如能解決好這兩個(gè)問題，則CMOS 圖像傳感器技術(shù)將會(huì)更加趨于成熟，相信未來會(huì)有更加廣闊的前景。特別是在2004年2 月，美國(guó)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(gè)像素上捕捉全部彩色信息的圖像傳感器陣列。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。5. 功耗CMOS 傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，即感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出；而CCD 傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)，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(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS 傳感器。通常CCD傳感器的分辨率會(huì)優(yōu)于CMOS 傳感器的水平。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。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。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(chǔ)空間足以存放USB 通信固件[5]。其像面大小為1 /3英寸,支持8位或16位數(shù)字信號(hào)從單通道或雙通道輸出,輸出信號(hào)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]。圖像存儲(chǔ)單元主要由FIFO幀存儲(chǔ)器組成，負(fù)責(zé)對(duì)成像單元輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，供計(jì)算機(jī)采集、處理圖像數(shù)據(jù)。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(chǔ)器，構(gòu)建一個(gè)靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)。在軍工靶場(chǎng)測(cè)量中，需要對(duì)快速飛行目標(biāo)的飛行實(shí)況進(jìn)行跟蹤、測(cè)量，事后要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，為了提高測(cè)量精度，普遍采用高幀頻數(shù)字圖像采集系統(tǒng)[2]。因而，圖像的傳輸也得到了極大的關(guān)注。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(hào)處理的形式來解決，這為實(shí)時(shí)圖像處理的應(yīng)用提供了廣闊的空間。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題　　目：　圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲(chǔ)及USB接口電路設(shè)計(jì) 圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲(chǔ)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(dòng)物體數(shù)字圖像的獲得，是對(duì)瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)。CMOS圖像傳感器主要用來對(duì)敏感景物產(chǎn)生像素，F(xiàn)IFO幀存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)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(shí)序邏輯，單片機(jī)將像素發(fā)送到USB接口，并控制整個(gè)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。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(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、空間探索等各個(gè)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。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。使得原來非常復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)得到了極大的簡(jiǎn)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加柔韌性。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(dòng)物體的圖像，其電路輸出為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。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(chǔ)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(gè)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(shí)為30幀/ s。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(shí)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