基于SoC成像芯片MT9M111和CY7C68013的視頻采

CMOS圖像采集系統普遍存在圖像質(zhì)量問(wèn)題，如果沒(méi)有對圖像進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的處理，則圖像質(zhì)量難以保障。近些年來(lái)，隨著(zhù)SoC技術(shù)的快速發(fā)展，在圖像采集和處理領(lǐng)域，出現了SoC影像傳感器，它集成CMOS傳感器和圖形處理器功能，可以得到令人非常滿(mǎn)意的圖像質(zhì)量。本文設計的視頻采集系統采用了SoC成像芯片MT9M111和USB2.0接口芯片CY7C68013。

　　系統結構

　　本系統的原理框圖如圖1所示。當圖像傳感器開(kāi)始工作后，先將采集到的數據通過(guò)FPGA控制邏輯存儲到SRAM1中，一幀圖像的采集/存儲過(guò)程結束后，SRAM1進(jìn)入寫(xiě)結束狀態(tài)。此時(shí)切換SRAM，SRAM2繼續存儲采集到的數據，同時(shí)，SRAM1處于可讀狀態(tài)，由FPGA里的控制邏輯控制，將SRAM1中的數據傳輸到USB芯片，然后傳輸到主機。本系統采用雙SRAM結構和乒乓機制，兩片存儲器交替工作，使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行。雙幀存結構不僅提高了系統的速度，而且，由于在FPGA里實(shí)現各種圖像處理的算法大都需要比較大的存儲空間，所以?xún)蓚€(gè)大容量SRAM在實(shí)現算法時(shí)可以充當外部緩存。

　　MT9M111

　　本系統采用美光公司推出的集成CMOS傳感器和圖形處理器的SoC產(chǎn)品MT9M111。MT9M111是低功耗、低成本漸進(jìn)掃描CMOS圖像傳感器;130萬(wàn)像素分辨率(1280H×1024V);1/3英寸光學(xué)格式;全分辨率15fps的功耗為170mW，VGA分辨率30fps的功耗為90mW。MT9M111采用低漏電DRAM工藝，配備了美光的DigitalClarity專(zhuān)利技術(shù)，即使在最差的光照條件下也能提供清晰明亮的彩色圖像。MT9M111具有較低的暗電流，并降低了色度/亮度干擾和瞬間噪聲。MT9M111的嵌入可編程圖像流處理器提供的功能包括色彩恢復和修補、自動(dòng)曝光、白平衡、鏡頭陰影修正、增加清晰度、可編程灰度修正、黑暗電平失調修正、閃爍避免、連續調整濾光尺寸、平滑的數字變焦、快速自動(dòng)曝光模式和不工作時(shí)缺陷修正等。而且，還配備了兩線(xiàn)串行接口，USB芯片可以通過(guò)這兩線(xiàn)串口對其進(jìn)行配置。

　　IS61WV20488

　　與圖像處理有關(guān)的SRAM參數主要是SRAM 的讀寫(xiě)速度和容量。在容量方面，本系統采集圖像的最大分辨率為1280×1024，數據寬度為8位，2M×8bit的SRAM可以滿(mǎn)足存放一幀圖像數據的要求。SRAM的讀寫(xiě)速度一般為12ns、15ns、20ns或者更慢，由于SRAM的讀寫(xiě)速度直接影響整個(gè)圖像處理系統的時(shí)鐘，所以，SRAM的讀寫(xiě)速度越快越好。本系統選用了ISSI公司的IS61WV20488，芯片容量為2M×8bit。

　　CY7C68013

　　圖像數據傳輸部分采用Cypress公司推出的專(zhuān)門(mén)用于USB2.0的接口芯片CY7C68013。該芯片包括帶815kB 片上RAM 的增強型8051 處理器(與標準8051 系列兼容,速度提高3"5倍)、4kB FIFO 存儲器和通用可編程接口I2C 總線(xiàn)、串行接口引擎( S IE ) 以及USB2.0 收發(fā)器。

　　圖1 基于SoC影像傳感器的視頻采集系統

　　系統軟/硬件設計

　　系統軟/硬件設計由3部分構成：圖像采集/存儲模塊、圖像傳輸模塊和USB驅動(dòng)/主機應用程序模塊。

　　圖像采集/存儲模塊

　　該模塊主要由FPGA的控制邏輯將成像芯片MT9M111采集到的圖像數據實(shí)時(shí)地傳送到SRAM中。在系統中采用雙幀存結構，每個(gè)由一片IS61WV20488 SRAM構成，能夠存放一幀1280×1024分辨率的圖像數據。由于采用了乒乓機制，兩片存儲器之間交替工作，從而使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行。為確保在任何時(shí)刻只有一片SRAM可以讀取采集到的圖像數據，設置了一個(gè)讀互斥鎖，同樣，只有一個(gè)SRAM可接收采集到的圖像數據，因此，又設置了一個(gè)寫(xiě)互斥鎖。需要注意的是，由于圖像傳感器的圖像數據輸出速度要比USB2.0傳輸速度慢，所以，當讀完SRAM2的數據以后，需要等待另一片SRAM1完成寫(xiě)圖像數據后，才可以向SRAM2寫(xiě)入下一幀圖像數據，而SRAM1無(wú)需等待便可以直接進(jìn)行讀取圖像數據的工作，如此循環(huán)往復，實(shí)現了并行工作，有效地提高了系統的工作效率。圖2為系統控制電路的原理框圖，FPGA內部各個(gè)模塊均采用Verilog HDL編寫(xiě)。

　　圖2 FPGA控制電路框圖

　　圖像傳輸模塊

　　采集完一幀圖像后，要經(jīng)過(guò)USB時(shí)鐘信號控制模塊將外部RAM中的圖像數據讀入到主機。在本圖像采集系統中，使用CY7C68013的Slave FIFO異步工作方式，把FIFO配置成和EP2端口相連、每個(gè)數據包1024字節、4緩沖的方式，塊傳輸模式。這樣的設置可以滿(mǎn)足系統要求，同時(shí)也有效地利用了內部的4kB FIFO來(lái)傳輸采集到的圖像數據，系統控制使用了FALGB信號引腳，用來(lái)報告“FIFO滿(mǎn)”的狀態(tài)，默認為低電平有效。本文采用的是自動(dòng)輸入方式，當FIFO中的數據滿(mǎn)一定量時(shí)，EZ-USB-FX2就直接通過(guò)FIFO把數據傳送到USB收發(fā)器，而不經(jīng)過(guò)CPU的干預，這樣就提高了傳輸速度，本系統當FIFO滿(mǎn)1kB時(shí)開(kāi)始自動(dòng)發(fā)送。

　　USB驅動(dòng)和主機應用程序模塊

　　USB設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是USB系統開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)，尤其是在本系統傳輸數據量大且速度要求高的情況下，就要編寫(xiě)出高效的USB設備驅動(dòng)程序，才能保證高分辨率圖像的實(shí)時(shí)傳輸。本系統采用DDK來(lái)開(kāi)發(fā)WDM驅動(dòng)程序。實(shí)際上，USB 客戶(hù)驅動(dòng)程序中包含大量的例程，對開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序有很大的幫助。主機應用程序的主要功能是通過(guò)USB接口讀取圖像數據并實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)圖像.為提高主機應用程序的效率，可以使用雙線(xiàn)程。

　　結語(yǔ)

　　本系統采用具有130萬(wàn)像素的影像傳感器MT9M111，保證了圖像質(zhì)量，采用USB2.0接口芯片CY7C68013保證了圖像的實(shí)時(shí)傳輸，且設計靈活，為實(shí)現各種圖像處理算法提供了軟/硬件支持。