基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統設計

系統設計

圖1 為圖像采集系統的原理框圖。系統選用OminiVisiON公司生產(chǎn)的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一個(gè)640×480 (30萬(wàn)像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達60Hz，逐行掃描時(shí)為30幀/s。其像面大小為1/3英寸，支持8位或16位數字信號從單通道或雙通道輸出，輸出信號的類(lèi)型可在YCrCb和RGB 之間選擇，圖像矩陣支持VGA或CIF 規定， 數字輸出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等標準。OV7620有很強的攝像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩陣，窗口選擇等，所有這些功能都可以通過(guò)I2C接口進(jìn)行編程控制。

圖1　系統原理框圖

CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系統中處于核心地位，既要負責將OV7620輸出的視頻數據存入SRAM，又要與MCU配合完成視頻數據的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機C8051F020，它通過(guò)I2C總線(xiàn)控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài)， C8051F020自帶SMBUS總線(xiàn)接口，可以把I2C的時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數據線(xiàn)SDA通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)分配到端口引腳，MCU作為I2C總線(xiàn)通訊的主機，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作為從機地址與MCU進(jìn)行通信。另外MCU還控制USB 通信，負責USB芯片的初始化和與PC的通信連接，其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，該芯片為高速靜態(tài)RAM，存儲時(shí)間在10ns左右， 可以滿(mǎn)足OV7620 的速度要求， 其512KB的存儲空間足以用來(lái)存儲30萬(wàn)像素的視頻數據(Bayer2pattern: 每一像素包含一個(gè)字節的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，該芯片支持USB 1.1標準協(xié)議和DMA傳輸模式。

圖像采集部分

OV7620的輸出特性

OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應不同的應用場(chǎng)合，針對我們的較小系統，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實(shí)現是通過(guò)MCU 的I2C編程控制的。當OV7620 設置工作方式穩定后，它就會(huì )輸出視頻數據，同時(shí)還有3個(gè)重要的參考信號輸出:幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時(shí)鐘信號PCLK。參見(jiàn)圖2，每一個(gè)幀同步信號SYNC 周期包含480 個(gè)水平同步信號HREF脈沖，而每一個(gè)HREF周期包含640個(gè)PCLK時(shí)鐘脈沖。每一個(gè)PCLK時(shí)鐘輸出一個(gè)像素的視頻數據(8位標準的Bayer-pattern彩色RGB數據) 。

圖2　圖像采集信號時(shí)序