新型網(wǎng)絡(luò )數字攝像系統的設計

１ 圖像處理模塊

１．１ 芯片介紹 圖像采集芯片采用OmniVision公司的CMOS彩色圖像傳感器OV6620[１]。在它內部集成了一個(gè)356×292的彩色圖像陣列。該圖像傳感器能對所拍攝的圖像進(jìn)行預處理，包括自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)白平衡調節、gamma校正、自動(dòng)圖像增強；并可通過(guò)與DSP芯片相連的串行通信接口，對傳感器內部的92個(gè)寄存器的參數進(jìn)行設置。

圖像壓縮芯片采用TI公司的TMS320VC5416[2]定點(diǎn)運算數字信號處理器(DSP)，其內部采用一種改進(jìn)型的哈佛總線(xiàn)結構(一條程序總線(xiàn)，三條數據總線(xiàn))，數據總線(xiàn)寬度為16
bit。分開(kāi)的數據和指令空間使該芯片具有高度的并行操作能力，在單周期內允許指令和數據同時(shí)存取，再加上其高度優(yōu)化的指令集，使得該芯片具有很高的運算速度，最高可達
160MIPS。

VC5416芯片的外部程序存儲空間為8M×16bits，外部數據存儲空間為64K×16bits。在芯片內部還集成了128K×16bits片上存儲器。該芯片具有多種片上外部設備單元，包括一個(gè)１６位計時(shí)器，一個(gè)６通道DMA傳輸控制器，三個(gè)帶緩沖器的串行通信接口(McBSP
)和一個(gè)8/16位的主機通信接口(HPI8/16)。

１．２ 功能介紹

圖像處理模塊主要負責模擬圖像的采集、數字化、壓縮等工作。首先，在系統加電運行后，由NetMCU模塊對VC5416芯片復位，然后VC5416芯片運行固化在芯片內的BootLoader程序，將存儲在外部程序存儲器上的應用程序復制到內部存儲器中，并開(kāi)始運行應用程序。應用程序的任務(wù)主要有以下三個(gè)方面：

(１)通過(guò)VC5416芯片的１號串行通信接口(McBSP1)對OV6620的內部寄存器進(jìn)行參數配置。主要參數包括：將輸出圖像分辨率設置為352×288，將輸出圖像幀的速率設置為２５幀／秒，將數字圖像的輸出格式設置為ＹＵＶ分量４:２:２格式。

(２)將OV6620芯片輸出的圖像數據利用JPEG算法進(jìn)行數字圖像壓縮。在本設計中采用一種改進(jìn)的JPEG算法[４]。將二維ＤＣＴ變換分解成兩次一維快速DCT變換。對８×８象素塊的DCT變換，共需176次乘法和464次加法，比標準DCT算法的1024次乘法和896次加法在運算速度上有極大提高。

(３)VC5416芯片通過(guò)與ＮｅｔＭＣＵ模塊相連的０號串行通信接口(Mc BAP0)，接收改變傳輸圖像的分辨率、幀速、曝光時(shí)間等參數的命令，并及時(shí)調整OV6620芯片的內部寄存器參數。

OV6620芯片和VC5416芯片之間存在大量的數據傳輸，因此在系統中采用一片ＡＬＴＥＲＡ公司的FPGA(ＦＬＥＸ１０Ｋ２０)芯片作為數據傳輸接口，代替VC5416芯片管理外部數據存儲區。在ＦＰＧＡ芯片中集成了一個(gè)512×16bits的FIFO和一個(gè)存儲控制器。通過(guò)OV6620芯片輸出的圖像象素移位脈沖和圖像的行、場(chǎng)同步脈沖的控制，將原始圖像數據存入ＦＩＦＯ中。由于ＪＰＥＧ圖像壓縮以８×８象素塊基本運算單位，需要存儲控制器將ＦＩＦＯ中以行順序輸入的原始圖像數據進(jìn)行存儲地址調整，變換成按８×８像素塊順序存入外部數據存儲區。同時(shí)，由于受ＶＣ５４１６芯片的外部數據存儲區容量的限制，存儲控制器將一幀原始圖像數據分成上下兩個(gè)半區，各占用一個(gè)６４ＫＢ地址空間。當ＶＣ５４１６芯片讀數據時(shí)，存儲控制器會(huì )自動(dòng)在這兩個(gè)半區之間切換，使得DSP芯片能夠處理一幀圖像。

２ NetMCU模塊

２．１ 芯片介紹

本系統采用三星公司的S3C4510B[３]芯片作為主控制器。芯片內部結構見(jiàn)圖３。S3C4510B芯片集成了ＡＲＭ公司的３２位精簡(jiǎn)指令集處理器ARM7TDMI核。ARM7TDMI核采用馮·諾依曼體系結構，使用單-３２位總線(xiàn)傳送指令和數據，使用三級流水線(xiàn)操作以提高處理器執行速度。ARM7TDMI核可以使用兩種指令集：一種是３２位ＡＲＭ指令集；一種是１６位Thumb指令集。Thumb指令集是ＡＲＭ指令集的子集，但它能提供比１６位體系結構更高的性能、比３２位體系結構更高的代碼密度。因此，Thumb指令集使ARM7TDMI核非常適合有存儲器寬度和代碼密度限制的嵌入式場(chǎng)合。 S3C4510B芯片的存儲空間最大可達１６Ｍ×３２ｂｉｔｓ(包括程序存儲區、數據存儲區和Ｉ／Ｏ設備區)，它內部集成了一個(gè)存儲控制器，具有自動(dòng)刷新存儲區數據和自動(dòng)插入可編程等待周期的功能，可以支持多種類(lèi)型的存儲芯片(包括ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ和ＤＲＡＭ)。在芯片內部還集成有８Ｋ×８ｂｉｔｓ的指令／數據Ｃａｃｈｅ，采用ｐｓｅｕｄｏ－ＬＲＵ(Ｌｅａｓｔ Ｒｅｃｅｎｔｌｙ Ｕｓｅｄ)算法，大大提高了芯片的性能。