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1、嵌入式系统数字图像采集接口电路的设计ok3OS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
2、读取图像数据时用PCLK锁存输出数据。除采样时钟(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
3、问方式之一。以I/O方式读取图像数据不仅可以简化电路设计,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
4、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
5、取图像数据的流程。读取每个像素数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设计,用处理器直接读取同[1][2][3]下一页ok3访问控制简单,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是接口结构图,当需要采集图像时,处理器向控制器发出采集请求,请求信号capture_r从高到低。控制器接到请求脉冲后
6、,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,释放出总线。控制器收到处理器应答HOLDA后管理总线,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,控制器中与采集相关的状态复位。控制器可以根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。同步信号检测确定每一场
7、(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(/信号时序图。用PCLK作为地址发生器的输入时钟,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
8、为/S320C3X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,如果处理的指令周期为20ns,读取每个数据需要10个指令周下一页ok3Hz,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
