基于圖像傳感器的CPLD視覺(jué)系統設計與研究

目前，關(guān)于視覺(jué)系統的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，也有開(kāi)發(fā)出的系統可供參考。但這些系統大多是基于PC機的，由于算法和硬件結構的復雜性而使其在小型嵌入式系統中的應用受到了，限制。上述系統將圖像數據采集后，視覺(jué)處理算法是在PC機上實(shí)現的。隨著(zhù)嵌入式微處理器技術(shù)的進(jìn)步，32位ARM處理器系統擁有很高的運算速度和很強的信號處理能力，可以作為視覺(jué)系統的處理器，代替PC機來(lái)實(shí)現簡(jiǎn)單的視覺(jué)處理算法。下面介紹一種基于ARM和CPLD的嵌入式視覺(jué)系統，希望能分享嵌入式視覺(jué)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些經(jīng)驗。

　　1 系統方案與原理

　　 在嵌入式視覺(jué)的設計中，目前主流的有以下2種方案：

　　 方案1 圖像傳感器+微處理器(ARM或DSP)+SRAM

　　 方案2圖像傳感器+CPLD／FPGA+微處理器+SRAM

　　方案1系統結構緊湊，功耗低。在圖像采集時(shí)，圖像傳感器輸出的同步時(shí)序信號的識別需要借助ARM的中斷，而中斷處理時(shí)，微處理器需要完成程序跳轉、保存上下文等工作，降低了圖像采集的速度，適合對采集速度要求不高、功耗低的場(chǎng)合。

　　方案2借助CPLD來(lái)識別圖像傳感器的同步時(shí)序信號，不必經(jīng)過(guò)微處理器的中斷，因而系統的采集速度提高，但CPLD的介入會(huì )使系統的功耗提高。

　　為了綜合以上2種方案的優(yōu)勢，在硬件上采用“ARM+CPLD+圖像傳感器+SRAM”。該方案充分利用了CPLD的可編程性，通過(guò)軟件編程來(lái)兼有方案1的優(yōu)勢，具體體現在以下方面：

　?、俟牡母叩涂梢钥刂?。對于功耗有嚴格要求的場(chǎng)合，通過(guò)CPLD的可編程性將時(shí)序部分的接口與ARM的中斷端口相連，僅僅是組合邏輯的總線(xiàn)相連，可以降低CPLD的功耗從而達到方案1的效果；對于采集速度要求高而功耗要求不高的情況，可以充分發(fā)揮CPLD的優(yōu)勢，利用組合與時(shí)序邏輯來(lái)實(shí)現圖像傳感器輸出同步信號的識別，并將圖像數據寫(xiě)入SRAM中。

　?、谄骷倪x擇可以多樣。在硬件設計上，所有總線(xiàn)均與CPLD相連；在軟件設計上，不同的模塊單獨按功能封裝。這樣以CPLD為中心，系統的其他器件均可更換而無(wú)需對CPLD部分程序進(jìn)行改動(dòng)，有利于系統的功能升級。作為本系統的一種應用，開(kāi)發(fā)了視覺(jué)跟蹤的程序，可以在目標和背景顏色對比強烈的情況下對物體進(jìn)行跟蹤。通過(guò)對CMOS攝像頭采集來(lái)的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據物體的顏色計算出被追蹤物體的質(zhì)心坐標。下面分別描述系統各部分的功能。

　　2 系統硬件

　　2．1 硬件組成及連接

　　系統的硬件主要有4部分：CMOS圖像傳感器OV6620、可編程器件CPLD、512 KB的SRAM和32位微處理器LPC2214。

　　OV6620是美國OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應用在嵌入式圖像采集系統中，本系統圖像數據的輸入都是通過(guò)OV6620采集進(jìn)來(lái)的；可編程器件CPLD采用Altera公司的EPM7128S，用Verilog硬件編程語(yǔ)言在QuartusII下編寫(xiě)程序；作為系統的數據緩沖，SRAM選用的是IS61LV5128，其隨機訪(fǎng)問(wèn)的特性為圖像處理程序提供了便利；而LPC2214在PLL(鎖相環(huán))的支持下最高可以運行在60 MHz的頻率下，為圖像的快速處理提供了硬件支持。

　　0V6620集成在一個(gè)板卡上，有獨立的17 MHz晶振。輸出3個(gè)圖像同步的時(shí)序信號：像素時(shí)鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時(shí)，還可以通過(guò)8位或16位的數據總線(xiàn)輸出RGB或YCrCb格式的圖像數據。

　　在硬件設計上，有2個(gè)問(wèn)題需要解決：

　?、賵D像采集的嚴格時(shí)序同步；

　?、陔pCPU共享SRAM的總線(xiàn)仲裁。

　　解決第一個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何實(shí)時(shí)、準確地讀取OV6620的時(shí)序輸出信號，據此將圖像數據寫(xiě)入SRAM中。這里采用的解決方案是用CPLD來(lái)實(shí)現時(shí)序信號的識別以及圖像數據的寫(xiě)入。CPLD在硬件上可以識別信號的邊沿，速度更快，通過(guò)Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)Mealy狀態(tài)機來(lái)實(shí)現圖像數據的SRAM寫(xiě)入，更加穩定。

　　對于雙CPU共享SRAM，可以通過(guò)合理的連接方式來(lái)解決?？紤]到CPLD的可編程性，將OV6620的數據總線(xiàn)，LPC2214的地址、數據總線(xiàn)以及SRAM的總線(xiàn)都連接到CPLD上。通過(guò)編程來(lái)控制總線(xiàn)之間的連接，只要在軟件上保證總線(xiàn)的互斥性，即在同一時(shí)刻有且僅有一個(gè)控制器(CPLD或者LPC2214)來(lái)操作SRAM的總線(xiàn)，就可以有效地避免總線(xiàn)沖突。這樣，硬件上的仲裁就可以通過(guò)軟件來(lái)保證，該過(guò)程可以通過(guò)在CPLD中編寫(xiě)多路數據選擇器來(lái)實(shí)現。

　　各器件之間的連接關(guān)系如圖1所示。

　　由圖1可見(jiàn)，微處理器的總線(xiàn)接在CPLD上，在對功耗有嚴格要求的場(chǎng)合中，只需要在CPLD中，將OV6620的同步時(shí)序信號所對應的引腳與LPC2214連接在CPLD上的中斷引腳相連，系統就可以轉換成方案1的形式。對CPLD而言，引腳相連的僅僅是組合邏輯，降低了功耗。方案1的具體工作過(guò)程可見(jiàn)參考文獻。而對于采集速度要求較高的場(chǎng)合，CPLD部分的程序源代碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn——編者注。下面重點(diǎn)介紹這種情況下的應用。

　　2．2 工作過(guò)程

　　系統上電后，首先由LPC2214通過(guò)I2C總線(xiàn)配置攝像頭的工作狀態(tài)，需要配置的主要有輸出圖像的數據格式、速率、是否白平衡，以及自動(dòng)增益是否打開(kāi)。配置完成后，LPC2214發(fā)出圖像采集的信號給CPLD，此時(shí)CPlD操作SRAM的總線(xiàn)，并通過(guò)對OV6620輸出時(shí)序的檢測將圖像數據寫(xiě)入SRAM。當然，寫(xiě)入SRAM需要嚴格符合SRAM的操作時(shí)序。一幀圖像采集完成后，CPLD置位標志位來(lái)通知LPC2214，如果LPC2214處于空閑狀態(tài)，則通知CPLD將總線(xiàn)使用權切換至LPC2214，由LPC2214讀取SRAM中的數據并進(jìn)行圖像處理。同時(shí)，發(fā)送信號給CPLD進(jìn)行數據采集，圖像的采集和處理將并行執行，提高了系統的工作效率。當再次采集完一幀數據后，重復上述過(guò)程。

　　2．3 硬件方案的特點(diǎn)

　　LPC2214負責圖像處理，CPLD負責圖像數據的采集，很好地實(shí)現了功能上的封裝?？梢钥吹?，CPLD將與硬件時(shí)序相關(guān)的程序封裝，與外界的接口僅為標志狀態(tài)線(xiàn)以及數據采集總線(xiàn)，極大地方便了系統的升級而無(wú)需改動(dòng)圖像采集部分的硬件和軟件。甚至更換為其他型號功能更為強大的微處理器，只要按照上述標志狀態(tài)線(xiàn)的約定來(lái)操作，系統仍然可以正常工作，增強了系統的兼容性和可移植性。

　　3 系統軟件

　　系統軟件主要由ARM微處理器和CPLD兩部分程序構成。ARM部分的代碼使用C語(yǔ)言在A(yíng)DSl．2環(huán)境下開(kāi)發(fā)，而CPLD部分則使用Verilog硬件語(yǔ)言在QuartusII下開(kāi)發(fā)。

　　3．1 CPLD部分程序設計

　　CPLD的程序主要分為2部分：組合邏輯和時(shí)序邏輯。組合邏輯主要完成總線(xiàn)仲裁，程序并不依賴(lài)CPLD的全局時(shí)鐘；時(shí)序邏輯完成對信號的檢測，根據SRAM的操作時(shí)序將圖像數據寫(xiě)入。

　　在總線(xiàn)仲裁部分，需要注意的是：對CPLD而言，不同的時(shí)刻同一總線(xiàn)的數據流人方向是不同的。因而在Verilog中，需要聲明總線(xiàn)為雙向端口。具體的總線(xiàn)仲裁程序如下：

　　對雙向端口的總線(xiàn)操作總結如下：

　?、傩枰刂菩盘栔该鞫丝谠谀骋粫r(shí)刻的方向；

　?、谳敵龈咦杓创碓撾p向端口是輸入狀態(tài)，此時(shí)可以作為普通的輸入端口來(lái)使用。