基于OV7620和ARM開(kāi)發(fā)的圖像采集系統

ARM芯片選用具有ARM7TDMI內核的LPC2210，通過(guò)LPC2210的GPIO模擬SCCB總線(xiàn)協(xié)議，控制OV7620的功能寄存器。使用LPC2210的3個(gè)中斷引腳引入OV7620的圖像輸出同步信號VSYNC、HSYNC、PCLK，以中斷方式同步圖像數據輸出。OV7620的YUV通道輸出的16位并行數據通過(guò)LPC2210的高16位數據線(xiàn)接入。SST39VF160和IS61LV25616AL為擴展的Flash和SRAM，分別用作程序存儲器和數據存儲器。

2 具體實(shí)現
2．1 OV7620的功能控制
OV7620的控制采用SCCB(SeriaI Camera ControlBus)協(xié)議。SCCB是簡(jiǎn)化的I2C協(xié)議，SIO-l是串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)，SIO-O是串行雙向數據線(xiàn)，分別相當于I2C協(xié)議的SCL和SDA。SCCB的總線(xiàn)時(shí)序與I2C基本相同，它的響應信號ACK被稱(chēng)為一個(gè)傳輸單元的第9位，分為Don’t care和NA。Don’t care位由從機產(chǎn)生；NA位由主機產(chǎn)生，由于SCCB不支持多字節的讀寫(xiě)，NA位必須為高電平。另外，SCCB沒(méi)有重復起始的概念，因此在SCCB的讀周期中，當主機發(fā)送完片內寄存器地址后，必須發(fā)送總線(xiàn)停止條件。不然在發(fā)送讀命令時(shí)，從機將不能產(chǎn)生Don’t care響應信號。
由于I2C和SCCB的一些細微差別，所以采用GPIO模擬SCCB總線(xiàn)的方式。SCL所連接的引腳始終設為輸出方式，而SDA所連接的引腳在數據傳輸過(guò)程中，通過(guò)設置IODIR的值，動(dòng)態(tài)改變引腳的輸入／輸出方式。SCCB的寫(xiě)周期直接使用I2C總線(xiàn)協(xié)議的寫(xiě)周期時(shí)序；而SC-CB的讀周期，則增加一個(gè)總線(xiàn)停止條件。
OV7620功能寄存器的地址為0x00～0x7C(其中，不少是保留寄存器)。通過(guò)設置相應的寄存器，可以使OV7620工作于不同的模式。例如，設置OV7620為連續掃描、RGB原始數據16位輸出方式，需要進(jìn)行如下設置：

I2CSendByte()為寫(xiě)寄存器函數，它的第1個(gè)參數OV7620為宏定義的芯片地址0x42，第2個(gè)參數為片內寄存器地址，第3個(gè)參數為相應的寄存器設定值。
2．2 OV7620時(shí)鐘同步
OV7620有4個(gè)同步信號：VSYNC(垂直同步信號)、FODD(奇數場(chǎng)同步信號)、HSYNC(水平同步信號)和PCLK(像素同步信號)。當采用連續掃描方式時(shí)，只使用VSYNC和HSYNC、PCLK三個(gè)同步信號，如圖l所示。時(shí)為檢測OV7620掃描窗口的有效大小，還引入了HREF水平參考信號。
LPC2210的3個(gè)外部中斷引腳分別作為3個(gè)同步信號的輸入，相應的中斷服務(wù)程序分別為Vsync_IRQ()、Hsync_IRQ()和Pclk_IRQ()。在內存中定義一個(gè)二維數組存儲圖像數據，一維用變量y表示，用于水平同步信號計數；二維用變量x表示，用于像素同步信號計數。圖像采集的基本流程為：當用SCCB初始化好OV7620后，使能VSYNC對應的中斷，在Vsync_IRQ()中斷服務(wù)程序中判斷是否已取得一幀數據。若是，則在主程序的循環(huán)體中進(jìn)行數據處理；若不是，則使能HSYNC對應的中斷，并將y置為O。在Hsync_IRQ()中斷服務(wù)程序中，判斷HREF的有效電平，若有效，則y加1，x置為O，并使能PCLK對應的中斷。在Pclk_IRQ()中斷服務(wù)程序中，判斷HREF的有效電平，若有效，則z增加，同時(shí)采集一個(gè)像素點(diǎn)的圖像數據。
2．3 圖像數據的輸出速度匹配
在OV7620的3個(gè)同步信號中，PCLK的周期最短。當OV7620使用27 MHz的系統時(shí)鐘時(shí)，默認的PCLK的周期為74 ns。而LPC2210的中斷響應時(shí)間遠遠大于這個(gè)值。LPC2210的最大中斷延遲時(shí)問(wèn)為27個(gè)處理器指令周期，最小延遲時(shí)問(wèn)為4個(gè)指令周期，再加上中斷服務(wù)時(shí)間、現場(chǎng)恢復時(shí)間等，完成一次中斷響應的時(shí)問(wèn)要大于7～30個(gè)指令周期。當LPC2210使用最高系統頻率60 MHz時(shí)，它的中斷響應時(shí)間遠大于O．2～0，6 μs，所以只能將OV7620的PCLK降頻。通過(guò)設置時(shí)鐘頻率控制寄存器，可將PCLK的周期設為4μs左右。
2．4 圖像數據的接入
當OV7620工作于主設備方式時(shí)，它的YUV通道將連續不斷地向總線(xiàn)上輸出數據。如果將OV7620的YUV通道直接接在LPC2210的DO～D15數據總線(xiàn)上，則會(huì )干擾數據總線(xiàn)，使LPC2210不能正常運行；如果使用74HC244等隔離，分時(shí)使用數據總線(xiàn)的方法，則會(huì )大大降低系統的運行速度，使得LPC2210不能及時(shí)取走總線(xiàn)上的數據，造成圖像數據不完整。由于LPC2210的數據總線(xiàn)寬度為32位，而Flash和SRAM僅占用了低16位數據線(xiàn)D0～D15，困此可以采用圖l中的方法，將空閑的高16位數據線(xiàn)D16～D31設為GPIO，用于采集OV7620輸出的16位圖像數據。

2.5 圖像數據的恢復

OV7620采用16位輸出方式時(shí)，Y通道和UV通道的數據輸出格式如表l所列。從表l中可以看出，每一行Y通道和UV通道交替輸出上一行的重復數據和本行的新數據。而在一行之內，B數據只在奇數列出現，R數據只在偶數列出現。

下面以一個(gè)5×5的像素點(diǎn)陣為例，詳細介紹圖像數據的恢復。
首先定義一個(gè)5×15的字節型數組，在Pclk_IRQ()中斷服務(wù)程序中讀取5×5個(gè)像素點(diǎn)的圖像數據；然后對圖像數據進(jìn)行插值，奇數點(diǎn)則在數組的連續3個(gè)字節中存入B、G、0，偶數點(diǎn)則存入O、G、R；最后對當前行的每一個(gè)字節與下一行對應列的每一個(gè)字節求平均值，即可算出當前行的RGB值。而在每一行內，奇數點(diǎn)的R數據和偶數點(diǎn)的B數據可通過(guò)分別對其兩側的2個(gè)點(diǎn)的R和B數據求平均值得到。
這樣，一幅圖像就恢復好了?？梢灾苯哟娉啥M(jìn)制文件(本系統采用串口輸出到PC進(jìn)行顯示)，或者增加BMP位圖文件頭信息，存成biBitCouNt=24的DIB位圖文件；也可用LPC2210對此圖像數據進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如指紋識別等。

3 結論

與搭配OV511+或CPLD／FPGA的圖像采集系統相比，此圖像采集系統極大地簡(jiǎn)化了系統結構，降低了系統設計成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期；圖像數據的采集與處理均由ARM芯片完成，因而降低了數據中轉過(guò)程中傳輸錯誤的幾率，提高了系統的可靠性。
本系統的圖像采集速度主要受限于LPC2210的中斷響應時(shí)間，如果采用帶有DMA控制器，并且具有更高處理速度的ARM芯片，可大大提高整個(gè)圖像采集系統的速度。例如，采用具有ARM9內核的S3C2410，其最高系統頻率達203 MHz，完成一次DMA傳送的時(shí)間約為30 ns。小于默認的PCLK的周期74 ns，可以實(shí)現30 fps的圖像采集速度。