基于高速A／D轉換器的視頻數據采集系統

摘要：針對視頻采集系統需要對攝像頭輸出的復合視頻信號進(jìn)行快速轉化、采樣、存儲的要求，設計基于高速A／D轉換器TLC551O的視頻采集系統。模擬視頻信號通過(guò)A／D轉換器轉化為8位灰度值，16位微處理器MC9S12DG128B通過(guò)普通IO口，控制FIFO存儲器uPD42280寫(xiě)入和讀取A／D轉換結果，實(shí)現視頻圖像數據的高精度采集。分析了主要芯片的工作原理及時(shí)序，描述了軟件控制圖像數據采集流程。并將采得數據經(jīng)過(guò)處理，與實(shí)際圖像對比。實(shí)驗結果表明，該系統在單行掃描時(shí)問(wèn)50μs內能采集160個(gè)以上的有效像素點(diǎn)，成像質(zhì)量高，能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單圖像處理算法對數據的要求。
關(guān)鍵詞：A／D轉換器；FIFO存儲器；時(shí)序；視頻圖像數據

國內外的視頻圖像采集方法很多，基本分為兩大類(lèi)：自動(dòng)圖像采集和基于處理器的圖像采集。自動(dòng)圖像采集多采用專(zhuān)門(mén)的視頻解碼芯片，如SAA7113，TVP5150等，自動(dòng)完成模數轉化，并輸出行、場(chǎng)信號以實(shí)現存儲器地址產(chǎn)生，一般以DSP為主處理器，除了對采集模式進(jìn)行初始化設置外，主處理器不參與采集過(guò)程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采集不占用CPU的時(shí)間，實(shí)時(shí)性較好，適合于對圖像數據的精度要求較高和算法復雜的場(chǎng)合，如車(chē)道識別、車(chē)輛識別等方向的應用。但是該方案對處理器的速度有很高的要求，成本較高，且電路復雜?；谔幚砥鞯膱D像采集則采用視頻同步信號分離芯片產(chǎn)生行、場(chǎng)中斷信號，用微處理器內部的A／D轉換器實(shí)現圖像的采集。圖像的采集過(guò)程在CPU控制下完成，由CPU啟動(dòng)A／D轉換，得到轉換數據。該方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現，能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單圖像采集系統的需要。但數據采集占用CPU時(shí)間，采集速度受微處理器A／D轉化時(shí)間限制。
本文提出了基于獨立的高速A／D轉換器TLC5510的視頻采集系統設計方案，能高速采集較高精度的視頻數據，可適用于智能車(chē)比賽、室內導盲、車(chē)隊仿真平臺、移動(dòng)機器人平臺等道路環(huán)境相對單一。圖像處理算法簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。

1 系統架構
本系統主要適用于符合PAL制式的模擬攝像頭輸出視頻信號的采集。一般的模擬攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉換成與灰度成一一對應的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號端輸出。同時(shí)，視頻信號端輸出還隱含了場(chǎng)同步信號、行同步信號、奇偶場(chǎng)同步信號等信息，因此實(shí)際輸出的是復合視頻信號。
本系統采用MC9S12DGl28B作為處理器，針對信號特點(diǎn)，主要設計思想如下：首先，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的視頻同步信號分離芯片LM1881提取復合視頻信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖，并將它們轉換成數字式電平直接輸給單片機的中斷口作為控制信號。同時(shí)采用高速A／D轉換器TLC5510對視頻信號進(jìn)行A／D轉換，使視頻電壓模擬信號轉換為代表圖像灰度的數字信號輸出。接著(zhù)采用FIFO存儲器uPD42280作為視頻數據的緩存，在行中斷服務(wù)函數中對其進(jìn)行寫(xiě)控制，將A／D轉換數據寫(xiě)入其內存中。最后，當一場(chǎng)圖像結束時(shí)，在場(chǎng)中斷服務(wù)函數中通過(guò)單片機的8位IO口將視頻數據讀回。為了保證數據的穩定，在單片機與FIFO存儲器之間加了一級74HC245，作為數據緩沖。為保證采集同步，LC5510 uPD42280和74HC245采用同一有源晶振作為轉換和讀寫(xiě)的時(shí)鐘源。本系統框架如圖1所示。