基于DSP5416水表號碼圖像采集系統

1引言

隨著(zhù)科學(xué)研究對圖像采集的要求日益提高，對號碼圖像采集系統的存儲量、速度都提出了越來(lái)越高的技術(shù)要求。為了實(shí)現號碼圖像的自動(dòng)讀取, 以前采用CCD圖像傳感器加顯示器推出新型高集成視頻解碼/解交織和縮放系統方案。視頻解碼芯片SA7113實(shí)現號碼圖像的采集，經(jīng)過(guò)數據緩存器FIFO后存入外擴的隨機存儲器RAM中, 圖像的截取是通過(guò)可編程邏輯器件CPLD來(lái)實(shí)現的[1][2]。雖然該種方法實(shí)現了圖像的截取，但硬件電路復雜，增加了設計成本。本文使用的信號處理器TMS320VC5416的片上程序存儲器ROM為16K，數據存儲器RAM為128K，而一幅640*480的灰度圖像就有300K左右，顯然處理器的存儲容量不夠。因此本文針對這種情況采用具有圖像截取功能的CMOS數字圖像傳感器OV7620，取代CCD模擬傳感器加視頻解碼芯片SA7113，簡(jiǎn)化了硬件電路，解決了信號處理器TMS320VC5416的存儲容量有限的問(wèn)題。

2系統采集方案的確定

號碼圖像采集的方法有一種是采用CCD圖像傳感器加視頻解碼芯片，從CCD攝像頭出來(lái)的視頻模擬信號需經(jīng)過(guò)視頻解碼器轉換為視頻數字信號，再經(jīng)過(guò)先進(jìn)先出存儲器FIFO緩存，最后通過(guò)可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行圖像截取才能進(jìn)入信號處理器(DSP)處理。由于DSP的控制能力比較差，本身的通用I/O口少，而對視頻解碼器的控制是通過(guò)內置的I2C總線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。為了實(shí)現對視頻解碼器的控制，I2C總線(xiàn)是用單片機的P1口模擬完成對視頻解碼器的初始化，雖然這種方案實(shí)現了號碼采集，但硬件結構復雜。

TMS320VC5416最大允許訪(fǎng)問(wèn)的數據存儲空間為128K,而一幅640*480的灰度圖像就需要大約300K的存儲空間，因此系統針對信號處理器的TMS320VC5416存儲容量有限的特點(diǎn)，選擇了內部集成模數轉換器A/D且具有圖像開(kāi)窗功能的CMOS圖像傳感器OV7620。這種傳感器具有內部默認工作模式和I2C總線(xiàn)模式，為實(shí)現圖像截取功能，將TMS320VC5416的主機接口HPI改為通用I/O口，分別用HD2和HD3模擬I2C總線(xiàn)的數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘線(xiàn)SCL進(jìn)行I2C總線(xiàn)的設置。通過(guò)設置OV7620內部各個(gè)寄存器實(shí)現開(kāi)窗等

一系列功能，將感興趣的圖像截取出來(lái)，數據輸出只采集OV7620低8位(Y7-Y0)亮度數據，減少了TMS320VC5416的數據存儲量和處理量，節省了TMS320VC5416的存儲空間。

3 采集系統硬件設計

3.1號碼圖像采集系統的基本結構

如圖1所示，該號碼圖像采集系統是由CMOS圖像傳感器OV7620，信號處理器TMS320VC5416及數據隔離器74LVCH16245A三部分組成。

這里主要介紹圖像傳感器的確定和圖像采集系統的實(shí)現過(guò)程，系統采用CMOS數字圖像傳感器OV7620采集水表號碼，存入TMS320VC5416內部的RAM中，在OV7620與TMS320VC5416之間采用菲利普公司的74LVCH16245A作為數據隔離芯片。用TMS320VC5416的HD2和HD3分別模擬數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL, 即在硬件電路上保證圖像傳感器工作在I2C總線(xiàn)格式，在軟件上系統將TMS320VC5416的HP0改為通用I/O口作為水表號碼采集的使能。當/1OE為低電平時(shí)，74LVCH16245A將數據通道打開(kāi)，TMS320VC5416開(kāi)始接收數據從而系統完成水表號碼的采集工作。

3.2圖像傳感器OV7620

由圖2所示，圖像傳感器OV7620內部集成了行列選擇電路、模數轉換電路、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路等，并可與I2C總線(xiàn)接口。大大簡(jiǎn)化了其外圍電路設計，外圍電路僅有石英晶體和一些電阻、電容等元器件組成。OV7620的開(kāi)窗特征允許用戶(hù)根據實(shí)際需要設置有效圖像數據窗口的大小。其范圍從4×2到664×492，并且該窗口能夠被置于664×492邊界范圍內的任何位置,同時(shí)窗口大小的變化不會(huì )改變輸出數據速率和幀速，它僅僅是通過(guò)調整行頻參考信號的有效時(shí)間來(lái)實(shí)現的。在速度方面可通過(guò)設置寄存器11(時(shí)鐘速率控制)改變采集速度，降低采集速度可為識別處理水表號碼提供時(shí)間，這對于系統采集有效數據以及提高系統性能等方面都起到了很大幫助，因此系統選用了具有圖像截取功能的CMOS數字圖像傳感器OV7620。

3.3圖像采集硬件電路的實(shí)現

在圖像傳感器OV7620和TMS320VC5416之間需加一個(gè)數據隔離信號，通知信號處理器TMS320VC5416接收圖像。本文用的是菲利普公司的帶方向控制的數據接收、發(fā)送器74HC16245A，它的作用是數據隔離。

由于TMS320VC5416工作在160MHz時(shí)對同步信號進(jìn)行判斷大約需要7個(gè)時(shí)鐘周期(45ns左右)，而OV7620的輸入時(shí)鐘為27MHz，所以需要對OV7620的輸入時(shí)鐘進(jìn)行二分頻來(lái)產(chǎn)生象素時(shí)鐘(13.5MHz 74ns)，設置時(shí)鐘速率控制寄存器(Clock rate control)為0x80實(shí)現二分頻,實(shí)現DSP與傳感器之間同步工作。

系統上電后，TMS320VC5416通過(guò)I2C總線(xiàn)對CMOS圖像傳感器OV7620的工作寄存器進(jìn)行初始化設置，包括開(kāi)窗大小、位置，場(chǎng)頻，掃描方式等。OV7620即開(kāi)始按要求采集并輸出圖像信號，包括行同步信號HREF、場(chǎng)同步信號VSYNC、像素時(shí)鐘信號PCLK和圖像信號，隨后CMOS圖像傳感器OV7620在使能信號的控制下將采集到的圖像存入TMS320VC5416中，完成圖像的采集。

圖像采集的關(guān)鍵是圖像采集起始點(diǎn)的精確控制，本系統是在I2C總線(xiàn)模式下設置OV7620的內部寄存器實(shí)現各個(gè)同步信號極性的控制，VSYNC的上升沿表示一幀新圖像的到來(lái)，HREF是水平同步信號，其上升沿表示一列圖像數據的開(kāi)始，PCLK是輸出數據同步信號。HREF為高電平即可開(kāi)始有效地數據采集，而PCLK下降沿的到來(lái)則表明數據的產(chǎn)生，PCLK每出現一個(gè)下降沿，系統便傳輸一位數據。HREF為高電平期間，系統共傳輸640位數據。即在一幀圖像中，即VSYNC為低電平期間，HREF會(huì )出現480次高電平。而下一個(gè)VSYNC信號上升沿的到來(lái)則表明分辨率640×480的圖像采集過(guò)程的結束。

4號碼采集系統中軟件設計

4.1通用I/O控制器和通用I/O狀態(tài)寄存器配置

TMS320VC5416主機接口(HPI)用于在主從模式下，實(shí)現DSP與外部器件通信，它具有一個(gè)增強型HPI接口，該接口用8-bit數據總線(xiàn)(HD0-HD7)與主機交換信息[3]。通過(guò)設置通用I/O控制寄存器(GPIOCR)和通用I/O狀態(tài)寄存器(GPIOSR)相應位，可以將HD0- HD7轉換成通用I/O，再通過(guò)軟件編程，實(shí)現與I2C總線(xiàn)的接口。相關(guān)的控制器如圖3所示。

在本系統是將TMS320VC5416的HPIENA直接接地，這時(shí)HD7~HD0作為通用I/O口 使用，HD7 ~ HD0的輸入輸出狀態(tài)由GPIOCR的相應位(DIR7~DIR0)控制，當DIRx為0時(shí)，HDx作為輸入腳，當DIRx為1時(shí)，DIRx作為輸出腳，GPIOSR中的I07 ~ I00作為對應的(HD7~HD0)輸入輸出數據位。

4.2 I2C總線(xiàn)簡(jiǎn)介

集成電路芯片間總線(xiàn)I2C [4](Inter – Integrated Circuit)是Philips公司提出的一種允許在簡(jiǎn)單的二線(xiàn)總線(xiàn)上工作的串行接口和軟件協(xié)議，主要用于傳感器與控制器件間的數據通信。

I2C總線(xiàn)上只有時(shí)鐘SCL為高電平時(shí)的數據才有效，而且SDA上高/低電平的轉換只能在SCL為低電平時(shí)完成;最后以Stop終止傳輸，釋放總線(xiàn)。

4.3 軟件編程實(shí)現HPI與I2C總線(xiàn)接口

首先設置寄存器，將相應的HPI接口改為通用的I/O口，然后通過(guò)軟件編程實(shí)現I2C總線(xiàn)協(xié)議[5]，在此僅以I2C總線(xiàn)啟動(dòng)為例簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明如何實(shí)現的：(其中HD2為SDA,HD3為SCL)

4.4實(shí)驗結果

為了測試系統的實(shí)際效果，本文采用普通的白熾燈為光源，CMOS圖像傳感器OV7620開(kāi)窗為200×40情況下采集了水表號碼圖像，由圖5可以看出所采集到的圖像達到了設計要求，為后續圖像的識別處理奠定了基礎。

5 結論

系統選用具有圖像開(kāi)窗功能的CMOS數字圖像傳感器OV7620采集水表號碼圖像， OV7620內部集成了模數轉換器A/D和視頻時(shí)序產(chǎn)生電路，不但簡(jiǎn)化了硬件電路結構，降低了系統的成本，而且從640×480圖像中截取200×40的有效圖像，大大降低了圖像的存儲量和處理量，解決了信號處理器TMS320VC5416的存儲空間不足的問(wèn)題。

創(chuàng )新點(diǎn)：

1.采用OV7620采集號碼圖像，簡(jiǎn)化了硬件電路 。

2.將TMS320VC5416的HPI接口改為通用I/O口，實(shí)現與I2C總線(xiàn)接口。

3.利用OV7620開(kāi)窗功能實(shí)現圖像的截取，解決TMS320VC5416存儲空間不足的問(wèn)題。

參考文獻

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