基于雙內存的圖形采集卡的設計

摘要：提出一種新的圖像采集卡的設計方案，它采用兩片存儲器交替使用，使得圖像采集和計算機讀取圖像數據可同時(shí)進(jìn)行，提高了圖像質(zhì)量。分析了一般圖像采集卡的缺陷，給出了新的圖像采集卡的設計思想和原理。

關(guān)鍵詞：圖象采集 上內存 計算機

數字圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域得到愈來(lái)愈廣泛的應用。微機圖像處理系統以其使用靈活、性能價(jià)格比高而在醫療、氣象、工業(yè)視覺(jué)等領(lǐng)域獲得廣泛應用。在工業(yè)控制中一般采用攝像頭得到現場(chǎng)的圖像，而現在攝像頭輸出的信號多為模擬信號。為了實(shí)現攝像頭和計算機的接口，必須采用圖像采集卡。

但是現在市面上的圖像采集卡往往數據采集和數據讀取不能同時(shí)進(jìn)行，這給編程和實(shí)時(shí)控制帶來(lái)很大的麻煩。本文提供的圖像卡解決了這個(gè)問(wèn)題，它采用兩片存儲器，計算機讀取的內存和圖像采集所用的內存交替使用，使得圖像采集與計算機讀取數據可同時(shí)進(jìn)行。

本文先分析了一般圖像采集卡的缺陷，然后給出了新的圖像采集卡的原理和設計思想。由于本圖像采集卡基于全電視信號，所以有必要先來(lái)簡(jiǎn)要地介紹黑白全電視信號。

１ 全電視信號及其原理

黑白ＣＣＤ攝像頭經(jīng)過(guò)光電轉換將圖像（光信號）轉變?yōu)殡娦盘?，其最終輸出信號就是黑白全電視信號。它主要由圖像信號（視頻信號）、復合消隱脈沖和同步脈沖組成。

電視信號其極性可分為正極性和負極圖像信號。若圖像最亮時(shí)，對應其信號電壓的幅度最大，則該信號稱(chēng)為正極性信號；反之為負極性信號。這里采用負極性信號。將圖像信號送到視頻放大器中進(jìn)行放大、處理，同時(shí)加入同步機送來(lái)的行、場(chǎng)同步脈沖和行、場(chǎng)消隱脈沖，就形成了全電視信號。

消隱脈沖主要用于消除行場(chǎng)掃描逆程時(shí)產(chǎn)生的回掃線(xiàn)，同步脈沖保證收端與發(fā)端的掃描點(diǎn)應有一一對應的幾何位置。

由于場(chǎng)同步期間沒(méi)有行同步信號，這會(huì )影響在整個(gè)掃描過(guò)程中的嚴格同步。為了解決整個(gè)問(wèn)題，采取在場(chǎng)同步脈沖中開(kāi)槽的方法用以替代同步信號。場(chǎng)同步前后兩倍行頻的脈沖稱(chēng)為均衡脈沖。

電視標準規定，全電視信號的幅度比例是：若以峰值白電平到同步電平作為１００％，則峰值白電平到消隱黑電平的值為７５％，峰值白電平為０％，圖像信號介于白與黑電平之間。

信號如圖１所示，從時(shí)間上看，每秒傳送２５幀圖像，每幀６２５行；隔行掃描時(shí)每秒５０場(chǎng)，每場(chǎng)３１２．５行。每一行的周期為６４μｓ其中圖像占５２．２μｓ，行消隱占１１．８μｓ。行同步脈沖為４．７μｓ，它比行消隱延遲１．３μｓ。每一場(chǎng)的周期為３１２．５Ｈ＝２０ｍｓ，其中場(chǎng)消隱信號占２５Ｈ＋１行消隱信號，即等于１６００μｓ＋１１．８μｓ。均衡脈沖的寬度為２．３５μｓ，周期為半行，共１２個(gè)前６個(gè)，后６個(gè)。場(chǎng)同步脈沖的寬度為２．５Ｈ的時(shí)間即１６０μｓ。場(chǎng)同步脈沖有６個(gè)槽脈沖，其寬度為４．７μｓ。

在全電視信號中，把奇數場(chǎng)同步信號的前沿作為一場(chǎng)的起點(diǎn)，第１、２、３行是場(chǎng)同步信號，第４、５、６行是后均衡脈沖，７～２２行還是場(chǎng)消隱信號，該場(chǎng)消隱信號從前場(chǎng)６２３行開(kāi)始，因此，整個(gè)消隱信號是２５行加一個(gè)行消隱的時(shí)間。圖像信號從２３行出現到３０９．５行止，共２８７．５行，這就是第一場(chǎng)或稱(chēng)奇數場(chǎng)。從３０９．５行開(kāi)始又是下一場(chǎng)的場(chǎng)消隱信號及前均衡脈沖，在３１２．５行出現下一個(gè)偶數場(chǎng)的同步脈沖，奇數到此結束，偶數場(chǎng)開(kāi)始。一個(gè)奇數場(chǎng)加上一個(gè)偶數場(chǎng)合在一起稱(chēng)為一幀。

２ 一般圖像采集卡的原理

一般圖像采集卡的結構如圖２所示。

首先對視頻信號進(jìn)行預處理和同步分離。預處理主要是進(jìn)行放大、亮度、對比度調節、信號限幅（保護Ａ／Ｄ）。同步分離電路主要是分離出信號中的行同步和場(chǎng)同步信號，供采集卡的時(shí)序電路使用。然后由高速的Ａ／Ｄ轉換器把處理后的視頻信號轉化為數字信號，在時(shí)序電路的控制下寫(xiě)入存儲器。

但這樣的采集卡有一個(gè)問(wèn)題，數據采集和數據讀取不能同時(shí)進(jìn)行。不妨設奇數場(chǎng)掃描期間，每采樣一次就將Ａ／Ｄ轉換的結果存入存儲器，在偶數場(chǎng)期間，計算機將存儲器中的數據讀入計算機。但是，由于在計算機讀存儲器時(shí)，Ａ／Ｄ轉換的結果并不能同時(shí)寫(xiě)入該片存儲器，即存儲器不能同時(shí)進(jìn)行讀和寫(xiě)兩種操作，所以會(huì )丟掉偶數場(chǎng)的信息。

３ 基于雙內存的圖像采集卡的設計

為了解決這個(gè)問(wèn)題，這里用了兩片存儲器進(jìn)行交替工作。當給其中一片存儲器寫(xiě)數據時(shí)，計算機讀取另一片存儲器的數據，反之亦然。這種采集卡的框圖如圖３所示。下面對各部分電路進(jìn)行介紹。

（１）預處理電路：實(shí)現把標準的全電視信號轉化為０～５Ｖ模擬信號，并具有亮度調節、對比度調節等功能。放大器用的運放采用寬帶運放ＬＭ３１８。

（２）同步分離電路：為了將數字化后的圖像信號存入相應的幀存儲器，必須獲得行同步信號和場(chǎng)同步信號。由于同步信號的幅度最大，占全電視信號幅度的７６％～１００％的電平范圍，可根據這一特征采用幅度分離法先將復合同步信號分離出來(lái)。又因為場(chǎng)同步脈沖的寬度為１６０μｓ，遠大于行同步脈沖的寬度４．７μｓ，這樣又可在已分離出的行、場(chǎng)復合同步信號中 進(jìn)一步分離出行同步和場(chǎng)同步出來(lái)。

（３）Ａ／Ｄ轉換器：圖像采集卡中的Ａ／Ｄ轉換器選用８ｂｉｔ高速視頻轉換芯片ＣＡ３３１８ＣＥ完成。它的最高轉換速率可達１５ＭＨｚ。由前面的黑白全電視信號的分析可知，每一行圖像約５２．２μｓ，本卡在電視信號每行的行正程期間需采樣５１２點(diǎn)，采樣時(shí)鐘約為１０ＭＨｚ．因此選用ＣＡ３３１８ＣＥ 完全符合要求，只需將其采樣率選在１０ＭＨｚ即可。

（４）控制電路：控制電路的核心器件是一片通用邏輯門(mén)陣列ＧＡＬ２０Ｖ８。該電路產(chǎn)生幀存儲器的讀信號ＭＥＭＲ１、ＭＥＭＲ２和寫(xiě)信號ＭＥＭＷ１、ＭＥＭＷ２以及圖像采集卡所需的工作狀態(tài)信號ＰＣ／ＬＯＣＡＬ和?。校茫蹋希茫粒?，電路原理如圖４所示。Ｕ３３是一片ＧＡＬ２０Ｖ８，它工作在簡(jiǎn)單模式，管腳１８～２２配置成輸出，其它配置成輸入。１～６管腳接ＰＣ機的地址線(xiàn)ＰＣ＿Ａ４～ＰＣ＿Ａ９，７～１０管腳接ＰＣ機的地址線(xiàn)ＰＣ＿Ａ１６～ＰＣ＿Ａ１９，管腳１１接系統時(shí)鐘ＣＬＫ，管腳１３接ＰＣ機的ＰＣ＿ＩＯＷ信號，管腳１４接ＰＣ／ＬＯＣＡＬ信號，管腳１５、１６分別接行消隱和場(chǎng)消隱指示信號Ｈ＿ＭＲ和Ｖ＿ＭＲ，管腳１７接ＰＣ機的讀存儲器信號ＰＣ＿ＭＥＭＲ，管腳１８、１９輸出幀存儲器ＲＡＭ１的寫(xiě)信號ＭＥＭＷ２和讀信號ＭＥＭＲ２，２０、２１腳輸出存儲器ＲＡＭ１的寫(xiě)信號ＭＥＭＷ１和讀信號ＭＥＭＲ１，２２腳輸出信號ＰＣ／ＬＯＣＡＬ＿ＣＬＫ作為觸發(fā)器ＯＰ６Ｂ的時(shí)鐘，２３腳接ＰＣ機的ＰＣ＿ＡＥＮ信號。

控制電路還要產(chǎn)生ＰＣ／ＬＯＣＡＬ信號。該信號必須由ＰＣ機控制。在這里，ＰＣ／ＬＯＣＡＬ作為ＰＣ機Ｉ／Ｏ口的最低一位，口地址是２２０Ｈ～２２ＦＨ，ＰＣ機只需向２２０Ｈ～２２ＦＨ任意地址寫(xiě)１或０即可以將ＰＣ／ＬＯＣＡＬ設置為１或０。Ｉ／Ｏ口地址的譯碼由Ｕ３３完成，可以用ＡＢＥＬ語(yǔ)言描述如下：

ＩＯＣＳ＝?。ǎ。校茫撸粒矗Γ校茫撸粒担Γ。校茫撸粒叮Α牐校茫撸粒罚Γ。校茫撸粒福Γ校茫撸粒梗Γ。校茫撸粒牛危?/p>

ＰＣ／ＬＯＣＡＬ＿ＣＬＫ＝ＩＯＣＳ＃ＰＣ＿ＩＯＷ

ＩＯＣＳ是端口的選通信號，低電平有效。當ＰＣ機的地址線(xiàn)ＰＣ＿Ａ９～ＰＣ＿Ａ４為１０００１０時(shí)，ＰＣ＿ＡＥＮ為低電平ＰＣ＿ＡＥＮ為高電平時(shí)指示ＰＣ機處于ＤＭＡ狀態(tài)時(shí)，ＩＯＣＳ有效。ＰＣ／ＬＯＣＡＬ＿ＣＬＫ由ＩＯＣＳ和ＰＣ機的Ｉ／Ｏ口寫(xiě)地址ＰＣ＿ＩＯＷ相或產(chǎn)生，當端口未選中時(shí)，它一直是高電平；當端口被選中后，由ＰＣ＿ＩＯＷ產(chǎn)生一個(gè)上升沿。ＰＣ／ＬＯＣＡＬ＿ＣＬＫ的上升沿將觸發(fā)ＯＰ６Ｂ，將ＰＣ機的最低一位數據線(xiàn)ＰＣ＿Ｄ０鎖存，產(chǎn)生ＰＣＬＯＣＡＬ和?。校茫蹋希茫粒?。

當幀存儲器的地址由ＰＣ機產(chǎn)生時(shí)，需要譯碼邏輯。ＰＣ機低于１Ｍ的內存空間分配如表１所示。為了不發(fā)生地址沖突，從表中可知，可以把Ｄ００００Ｈ～ＤＦＦＦＦＨ空間作為幀存儲器的映射地址。這部分譯碼工作也由Ｕ３３完成，用ＡＢＥＬ語(yǔ)言描述：

表1 微機低端內存空間分配

ＭＥＭＣＳ＝?。ǎ校茫撸粒保梗Γ校茫撸粒保福Γ。校茫撸粒保罚Γ校茫撸粒保叮?/p>

由式子可知當ＰＣ＿Ａ１９～ＰＣ＿Ａ１６為１１０１時(shí)，ＭＥＭＣＳ有效低電平。

幀存儲器的讀信號ＭＥＭＲ１、ＭＥＭＲ２和寫(xiě)信號ＭＥＭＷ１、ＭＥＭＷ２也由控制電路產(chǎn)生。當ＰＣ／ＬＯＣＡＬ為０時(shí)，ＰＣ機讀幀存ＲＡＭ１，同時(shí)ＡＤ轉換的結果送入幀存ＲＡＭ２；反之亦然。讀信號由ＰＣ機的外存儲器讀信號ＰＣ＿ＭＥＭＲ和譯碼信號ＭＥＭＣＳ產(chǎn)生；寫(xiě)信號由系統時(shí)鐘ＣＬＫ、行、場(chǎng)消隱指示信號Ｈ＿ＭＲ、Ｖ＿ＭＲ生成。當Ｈ＿ＭＲ或Ｖ＿ＭＲ任意一個(gè)為高電平時(shí)，表示現在處于消隱狀態(tài)；只有當Ｈ＿ＭＲ和Ｖ＿ＭＲ都為低電平時(shí)，表示處于場(chǎng)正程和行正程，Ａ／Ｄ轉換的結果才寫(xiě)入幀存儲器。

（５）存儲器：為了實(shí)時(shí)采集和顯示，數字圖像采集卡中設置了存儲器。一般對圖像幀存儲器有如下要求：Ａ 高速存取，Ｂ 存儲量大，Ｃ 非同步輸入輸出的存取。存儲一幀或一場(chǎng)電視信號必須的存儲容量可用下式計算：

存儲容量＝１幀（或１場(chǎng)）的掃描線(xiàn)數×１行的取樣數×量化ｂｉｔ數

在本圖像采集卡中，一場(chǎng)采集的圖像為５１２×２５６點(diǎn)，需要存儲容量為１２８Ｋ×８ｂｉｔ的存儲器。在前面硬件框圖中曾經(jīng)討論過(guò)，需要兩片幀存儲器交替工作，也就是需要設置兩片１２８Ｋ×８ｂｉｔ的幀存儲器，分別用來(lái)存放奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)的數據信息，因而選用兩片高速靜態(tài)存儲芯片ＳＲＡＭ ６２８１２８。

兩片幀存儲器的讀信號ＭＥＭＲ１和ＭＥＭＲ２，寫(xiě)信號ＭＥＭＷ１和ＭＥＭＷ２均由控制電路產(chǎn)生。其中讀信號與ＰＣ機的讀存儲器信號ＰＣ＿ＭＥＭＲ有關(guān)，而寫(xiě)信號與圖像采集卡的采樣時(shí)鐘?。茫蹋擞嘘P(guān)。幀存儲器的八位數據線(xiàn)Ｄ０～Ｄ７通過(guò)接口電路與ＰＣ機的數據線(xiàn)ＰＣ＿Ｄ０～ＰＣ＿Ｄ７相連。

上面提到，把幀存儲器映射到Ｄ００００Ｈ～ＤＦＦＦＦＨ，這樣尋址范圍只有６４Ｋ，而一場(chǎng)的圖像數據有１２８Ｋ，故采用地址分段實(shí)現，這可通過(guò)對幀存地址線(xiàn)Ａ１６進(jìn)行Ｉ／Ｏ操作實(shí)現。

（６）時(shí)序發(fā)生電路：主要用來(lái)產(chǎn)生圖像采集卡所需的幀存儲器的掃描地址信號和實(shí)現同步并避開(kāi)行逆程的消隱信號。

（７）地址切換電路：該電路用于切換時(shí)序發(fā)生電路產(chǎn)生的掃描地址信號和ＰＣ機的地址信號。需要用二選一的數據選擇器來(lái)切換ＰＣ機的地址信號和采集卡上的地址信號。通用的集成電路中只找到四位的數據選擇器，若選用它則３４條地址線(xiàn)需要九片，那將占用了太多采集卡的空間，故而采用ＧＡＬ器件來(lái)實(shí)現。每片ＧＡＬ１６Ｖ８可實(shí)現８位數據選擇，而ＧＡＬ２０Ｖ８可實(shí)現１０位數據選擇，從而３４條地址線(xiàn)僅需３片ＧＡＬ１６Ｖ８和１片ＧＡＬ２０Ｖ８。

該圖像采集卡已制作完成，經(jīng)測試性能完全達到設計要求。該圖像采集卡可用于ＤＯＳ操作系統、也可用于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統。由于采用了可編程邏輯器件大大減少了芯片數目。

采用攝像頭加采集卡作為傳感器，可解決許多常規傳感器無(wú)法實(shí)現的場(chǎng)合。如在鑄造廠(chǎng)的自動(dòng)澆注過(guò)程中，為了測量砂模中鐵水液位的高度，常規液位傳感器難以承受１４００°Ｃ的高溫。即使有這樣的傳感器，因為一個(gè)砂模澆完以后，又有新的砂模傳送過(guò)來(lái)，不可能在每個(gè)砂模都插一個(gè)液位傳感器。而采用攝像頭拍攝砂模澆口杯的圖像，由計算機進(jìn)行圖像處理，就能夠計算出砂模澆口杯內鐵水液位高度，解決了自動(dòng)澆注系統中的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題。