基于PXA255設計的圖像采集傳輸系統

0 引言

圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得圖像采集處理系統在提高農業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度中的應用越來(lái)越廣泛。目前的圖像采集系統有的基于CCD攝像機、圖像采集卡和計算機，有的基于CCD攝像機、解碼器、FPGA和DSP，而有的基于CMOS圖像傳感器芯片、FPGA和DSP，它們在實(shí)時(shí)性，靈活性，可維護性方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。而在農業(yè)生產(chǎn)中，以基于CCD攝像機、圖像采集卡和計算機的系統居多。本文結合實(shí)際系統中的前端圖像處理和圖像數據傳輸需要．充分利用ARM的靈活性和FPGA的并行性特點(diǎn)，設計了一種基于ARM+FPGA的圖像快速采集傳輸系統。所選的ARM (Ad-vanced RISC Machines)體系結構是32位嵌入式RISC微處理器結構，該微處理器擁有豐富的指令集且編程靈活。而FPGA(Field ProgrammableGate Array)則在速度和并行運算方面有很大優(yōu)勢，適合圖像處理的實(shí)時(shí)性要求。本文選用Intel公司的Xcale PXA255和Xilinx公司的Spartan-3XC3S1000來(lái)實(shí)現本系統的設計。

1 系統結構設計

本系統的結構框圖如圖1所示。圖中，圖像傳感器模塊負責圖像采集，FPGA用來(lái)控制CMOS圖像傳感器芯片，ARM負責圖像數據的交換、以太網(wǎng)芯片的控制及UDP／IP協(xié)議的實(shí)現，以太網(wǎng)模塊主要實(shí)現以太網(wǎng)數據傳輸，SDRAM用于存儲圖像數據，FLASH為程序存儲器。系統工作時(shí)，先由FPGA將CMOS傳感器采集的數據存儲到雙口SRAM，再由ARM從FPGA的雙口SRAM中讀取數據并存儲到SDRAM，存滿(mǎn)一幀圖像數據后，ARM便通過(guò)以太網(wǎng)芯片將數據發(fā)送給上位機。

2 系統硬件設計

2.1 CMOS圖像傳感器模塊

本系統采用OV9650作為圖像采集傳感器。OV9650是Omni Vision公司的彩色CMOS圖像傳感器，可支持SXVGA，VGA，QVGA，QQVGA，CIF，QCIF，QQCIF模式和SCCB接口，并具有自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)帶通濾波、自動(dòng)黑級校準等功能。OV9650的最大幀速率在VGA格式時(shí)為30 fps，在SXVGA格式時(shí)為15 fps。本系統采用VGA格式。

2.2 FPGA模塊

FPGA主要用于圖像傳感器的控制、圖像數據的緩存及外圍芯片時(shí)序的產(chǎn)生?？紤]到圖像處理算法的實(shí)現需要，本系統選用了Xilinx公司的XC3S1000，它屬于SPARTAN-3系列，容量為100萬(wàn)門(mén)。在本設計中，FPGA通常運行于80 MHz。XC3S1000與OV9650的接口電路示意圖如圖2所示。FPGA的內部結構包括CMOS控制單元、SC-CB接口單元、雙口RAM單元、FIFO單元等。其中CMOS控制單元又包括幀同步模塊、場(chǎng)同步模塊、像素時(shí)鐘模塊等。

2.3 ARM處理器模塊

本系統的ARM處理器選用PXA255，用于實(shí)現圖像數據交換和以太網(wǎng)數據傳輸等功能。PXA255是Intel公司推出的基于第五代ARM RISC體系結構ARMV5TE的微處理器。CPU的運行頻率最高為400 MHz，有32 KB指令Cache，32 KB數據Cache，2 KB微數Cache，并帶有豐富的串行外設接口，并可支持各種存儲器芯片。本系統采用兩片SDRAM和兩片FLASH存儲器，其中SDRAM用于圖像數據暫存，本系統選用SAMSUNG公司的K4S561632C-TC75，容量為32 MB。而FLASH程序存儲器則選用Intel公司的E28F128J3A-150來(lái)作為NOR FLASH，容量為16 MB。

2.4 以太網(wǎng)傳輸模塊

本系統的以太網(wǎng)芯片選用LAN91C113。這是SMSC公司推出的快速以太網(wǎng)10／100 Mbps控制器，支持多種嵌入式處理器主機接口。LAN91C1B內部有8 KB的FIFO，可用于接收和發(fā)送數據的存儲。此外，LAN91C113芯片還集成了CSMA／CD協(xié)議的MAC(媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層)和PHY(物理層)，IEEE802.3／802.3u-100BASE-TX／10Base-T規范。本系統中，LAN91C113的串行EEPROM接口與AT93C46相連。PXA255訪(fǎng)問(wèn)LAN91C113采用異步靜態(tài)存儲器方式，LAN91C113的地址使能信號AEN與PXA255的靜態(tài)芯片片選四相連。PXA255與LAN91C113接口示意圖如圖3所示。