一種應用于A(yíng)RM7的CMOS圖像采集系統

Samsung公司的S3C4510B是基于以太網(wǎng)系統高性?xún)r(jià)比的16/32位RISC微控制器，內含一個(gè)由ARM公司設計的16/32位 ARM7TDMI RISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，它具有0.9MIPS/MHz的三級流水線(xiàn)結構，支持32位ARM指令集和16位 Thumb指令集，有著(zhù)功能豐富的片內外圍功能模塊，可掛載大容量的存儲器，最適合用于對價(jià)格及功耗敏感的應用場(chǎng)合。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconfuctor)，即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統內一種重要的芯片，將它加工也可以作為圖像采集系統中的感光傳感器。隨著(zhù) CMOS技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)需求的增加，這種圖像傳感器得以迅速發(fā)展，它具有高度集成化、低成本、低功耗、單一工作電壓、局部像素可編程、隨機讀取等優(yōu)點(diǎn)，適用于超微型數碼相機、攝像機、安防監控、汽車(chē)防盜、機器視覺(jué)、指紋識別、手機等圖像領(lǐng)域。本文介紹的是由美國OmniVision公司生產(chǎn)的 OV7640彩色CMOS圖像傳感器，它采用獨特的傳感器專(zhuān)利工藝技術(shù)和先進(jìn)的算法（algorithms）解決了先前CMOS感光器件固定圖像噪聲（FPN）的限制。由這兩種芯片組成的系統有較強的實(shí)際應用價(jià)值。

1 系統的基本硬件組成

整個(gè)圖像采集系統主要有CMOS圖像傳感芯片OV7640、三星4510B控制器（板載64M存儲器）、晶振電路、電源幾部分組成。

OV7640是高度集成的彩色攝像芯片，可帶1/4”鏡頭，支持多種格式，內設的SCCB（Serial Camera Control Bus）串行控制總線(xiàn)接口，提供簡(jiǎn)單控制方式，通過(guò)該接口，我們可以對OV7640芯片內部所有寄存器值進(jìn)行修改，從而完成對OV7640的控制。另外，OV7640內置了640×480分辨率的鏡像陣列，Ａ/Ｄ轉換器，并支持外部水平、垂直同步輸入格式，外部微控制器和RAM界面、數字視頻輸出、增益控制、黑白平和白平衡等在內的控制寄存器功能模塊。

S3C4510B是一款不帶MMU的ARM７微處理器，可在其上運行uCLinux操作系統。它的系統時(shí)鐘最高可達６0MHz，有著(zhù)豐富的外部資源接口，系統板載了６４Ｍ的存儲器，可直接利用板載的存儲器進(jìn)行圖像數據的暫存，以最大限度的簡(jiǎn)化系統。

系統的時(shí)鐘頻率由一顆２４MHz的有源晶振提供，系統電源為５Ｖ，S3C4510B需要1.8V和3.３V的電壓，OV7640需要2.5V和3.3V的電壓輸入，可通過(guò)電平轉換芯片LM1117進(jìn)行轉換得到所需要的電壓。

2 硬件設計的思路和要點(diǎn)

系統功能是應用4510B芯片的GPIO口對OV7640圖像數據進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應的處理和識別。OV7640包含有8位數據D0－D7、同步信號VSYNC、HREF、PCLK，這些信號需要送給CPU以讀取圖像數據和保證同步；另一方面，由于OV7640默認幀頻為30Hz，在此幀頻下的圖像數據輸出為30Hz*307.2K＝9.216Mbytes/s，QVGA方式的數據率為30Hz*76.8K=2.3Mbytes/s,在不考慮同步的情況下已遠遠超過(guò)I/O口的響應速度，因此必須重新設置以降低幀頻。因此，在本系統中對OV7640的訪(fǎng)問(wèn)有三個(gè)：第一是設置地址號為0x11的幀頻控制器CLKRC以降低幀頻，第二是設置地址號為0x14的控制器COMC以設置像素為320*240，最后是設置地址號為0x28的COMH以設置掃描格式。從信號的使用角度來(lái)說(shuō)，需要用到OV7640的8位數據線(xiàn)D0－D7（雙向），同步信號VSYNC、HREF、PCLK（單向，供控制器讀），SCCB總線(xiàn)SIO_C（單向）、SIO_D（雙向）。

由于4510B板上IO口資源相當豐富，8位并行數據線(xiàn)和控制線(xiàn)都可以接在IO口上，設置好輸入輸出關(guān)系，通過(guò)軟件模擬SCCB總線(xiàn)實(shí)現控制器對 OV7640的控制。連接采用4510為主機，OV7640為從機的方式。在設置完幀頻以后就可以根據同步信號對一幀一幀的圖像進(jìn)行采集了。系統連接圖如圖1所示。

3 圖像采集的工作過(guò)程

1)通過(guò)SCCB總線(xiàn)設置OV7640的幀頻

系統上電后需要對CMOS圖像傳感器進(jìn)行初始化，以確定采集圖像的開(kāi)窗位置、開(kāi)窗大小和黑白工作模式等。這些參數是受OV7640內部相應寄存器的值控制的，可通過(guò)SCCB總線(xiàn)對其進(jìn)行設置。SCCB的接口有SCCE、SIO_C、SIO_D（SCCE是串行總線(xiàn)使能信號，SIO_C是串行總線(xiàn)時(shí)鐘信號，SIO_D是串行總線(xiàn)數據信號）三條引腳。OV7640芯片上沒(méi)有SCCE引腳，但也可實(shí)現單主對單從方式的通訊，控制總線(xiàn)規定的條件如下：當 SIO_C為高電平時(shí)，如SIO_D產(chǎn)生一個(gè)下降沿表明數據傳輸的開(kāi)始，如SIO_D產(chǎn)生一個(gè)上升沿表明數據傳輸的結束；為了避免傳送無(wú)用的信息位，分別在傳輸開(kāi)始之前、傳輸結束之后將SIO_D設置為高電平。在數據傳輸期間，SIO_D上數據的傳輸受SIO_C的控制，當SIO_C為低電平時(shí)，SIO_D上數據有效，SIO_D為穩定數據狀態(tài)，SIO_C每出現一正脈沖，將傳送一位數據。其中兩根線(xiàn)的上升和下降時(shí)延、高低電平的維持時(shí)間都有較嚴格的要求，軟件的延時(shí)時(shí)間要根據CPU速度和GPIO口的速度精確的計算后才能使通訊保持順暢。如圖２所示：