TI PGA308模擬傳感器信號調理方案

0引 言

　　與視頻采集卡等傳統圖像采集系統相比，嵌入式圖像采集系統具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在智能交通、遠距離監控、汁算機視覺(jué)等領(lǐng)域應用廣泛。本文所設計的嵌入式圖像采集系統是采用以ARM7為內核的LPC2106作為主控芯片和，先控制CMOS傳感器OV6620進(jìn)行圖像采集，然后由LPC2106控制先將圖像數據存放人FIFO存儲器AL4V8M1440中，最后將圖像采集結果通過(guò)多種通信接口進(jìn)行傳輸，或者通過(guò)SD卡來(lái)提取該圖像采集系統中的圖像數據。該圖像采集系統僅用一個(gè)ARM芯片就實(shí)現了對OV6620的功能控制、時(shí)序同步、數據采集與處理等功能，系統結構緊湊，功能強大。

1系統總體方案

　　如圖1所示，在檢測時(shí)，光線(xiàn)會(huì )照射在被攝物體表面，ARM控制面陣CMOS攝像頭采集圖像，再把獲得的圖像數據送入FIFO存儲器中緩沖一下，然后通過(guò)串口傳輸給電腦，也可通過(guò)SD卡接口將圖像存放入SD卡中。

2系統硬件設計

2.1 ARM與CMOS的接口

　　OV6620是CMOS彩色／黑白圖像傳感器。它支持連續和隔行2種掃描方式，CIF與QCIF兩種圖像格式；最高像素為352×288，幀速率為26 fps；數據格式包括YUV、YCrCb、RGB三種，能夠滿(mǎn)足一般圖像采集系統的要求。OV6620內部可編程功能寄存器的設置有上電模式和SCCB編程模式。本系統采用SCCB編程模式，連續掃描，8位RGB數據輸出。系統硬件結構框圖如圖2所示。

　　ARM芯片選用具有ARM7TDMI內核的LPC2106，通過(guò)LPC2106的GPIO模擬SCCB總線(xiàn)協(xié)議設置OV6620的功能寄存器。使用LPC2106中斷口引入OV6620的圖像輸出垂直同步信號VSYNC，以中斷方式同步圖像數據輸出。OV6620的Y0～Y7通道輸出的8位并行數據先通過(guò)AL4V8M440緩存，再進(jìn)入LPC2106中。

　　AL4V8M440為FIFO存儲器，作用是對CMOS傳感器所采集的圖像數據進(jìn)行緩存，調節ARM同CMOS之間速度的差異，從而采集到完整圖像。

2.2 ARM與SD卡接口

　　SD卡(secure digiatl memory card)是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備。SD卡由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開(kāi)發(fā)研制。SD卡有著(zhù)廣泛的應用領(lǐng)域，音樂(lè )、電影、新聞等多媒體文件都可以方便地保存到SD卡中。本文加入該接口，可以方便提取圖像采集系統的數據。

　　SD卡支持SPI和BUS兩種接口模式，本系統采用SPI接口模式。SD卡的DAT0接到MOSI，CLK(時(shí)鐘線(xiàn))接到SCK，CMD(命令線(xiàn))接到MOSI，CS接到P0.14。SD卡支持單線(xiàn)和4線(xiàn)讀／寫(xiě)，前者通過(guò)DAT0進(jìn)行數據串行傳輸，CS作為中斷口，最高傳輸速率25 Mbps；后者通過(guò)DAT0～DAT3分別進(jìn)行串行數據傳輸，最高傳輸速率100 Mbps。本系統選用的是前者，可以節省硬件資源，實(shí)現方便，ARM與SD卡接口的硬件結構框圖如圖3所示。

3系統軟件設計

3.1 ARM與CMOS的軟件接口設計

3.1.1 OV6620的寄存器設置

　　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，所以采用普通IO口P0.22，P0.23模擬SCCB總線(xiàn)的方式。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。OV6620功能寄存器的地址為0x00～0x50(其中，不少是保留寄存器)。通過(guò)設置相應的寄存器，可以使OV6620工作于不同的模式。

　　例如，設置OV6620為低分辨率、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡和設置幀時(shí)鐘周期，需要進(jìn)行如下設置：
 

　　camera_set_register()為設置寄存器函數，它的第1個(gè)參數OV6620_addr為宏定義的芯片地址0xC0，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。

3.1.2 OV6620采集過(guò)程

　　OV6620有4個(gè)同步信號：VSYNC(垂直同步信號)、FODD(奇數場(chǎng)同步信號)、HREF(水平同步信號)、PCLK(像素同步信號)。當采用連續掃描方式時(shí)，只使用VSYNC和HREF、PCLK三個(gè)同步信號，如圖2所示。

　　LPC2106的1個(gè)外部中斷引腳分別作為VSYNC信號的輸入，相應的中斷服務(wù)程序分別為Vsync_IRQ()，HREF接LPC2106的普通IO口，PCLK接FIFO存儲器的讀時(shí)鐘。

　　圖像采集的基本流程為：當用SCCB初始化好OV6620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圖像數據。若不是，則打開(kāi)FIFO的寫(xiě)使能，將一幀圖像數據寫(xiě)入FIFO存儲器中；若是，則關(guān)閉FIFO的寫(xiě)使能，CMOS不向FIFO存儲器，而等待ARM讀取FIFO存儲器的一幀圖像數據。

3.1.3圖像提取過(guò)程

　　圖像提取的基本流程為：當采集數據已經(jīng)存放在FIFO中，利用ARM取出數據，再傳輸給上位機。先對FIFO進(jìn)行讀復位，使FIFO指針指向首地址，再根據OV6620所輸出RGB數據的格式進(jìn)行讀取。

　　其中，提取過(guò)程最重要的是OV6620所輸出RGB數據格式，它影響到提取圖像的準確性。本系統應用的是8位輸出，其數據格式見(jiàn)表1所示。

　　從表1中可以看出，第一行Y通道是無(wú)效數據應該去除，從第二行開(kāi)始讀取，在一行之內，B、R數據只在奇次項出現，G數據只在偶次項出現。而在每一行內，偶數點(diǎn)的R數據、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，一幅圖像就提取完了，可以直接存成二進(jìn)制文件(本系統采用串口輸出到PC進(jìn)行顯示處理)或者存儲到SD卡上。

3.2 ARM與SD卡的軟件接口設計

　　ARM同SD卡接口有SPI和BUS兩種接口模式，本系統采用SPI接口模式，這樣可以直接利用LPC2106自帶的SPI接口進(jìn)行數據傳輸，實(shí)現方便。SD卡的SPI通道由以下4個(gè)信號組成：CS(片選)，CLK(時(shí)鐘)，DataIn(主機到卡的數據信號)和DataOut(卡到主機的數據信號)。CS是SD卡的片選信號線(xiàn)，在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，必須保持低電平有效，CLK用于同步，DataIn不但傳輸數據，還發(fā)送命令，同樣DataOut除了發(fā)送數據外還傳送應答信號。

　　在SPI模式中，SD卡可以支持單塊以及多塊數據的讀寫(xiě)。這里以單塊數據的寫(xiě)入和讀取為例。其中單塊數據寫(xiě)入SD卡的步驟是先向SD卡發(fā)送單塊寫(xiě)命令CMD24以及寫(xiě)地址，卡將發(fā)送給主機一個(gè)應答信號，并且等待主機發(fā)送一個(gè)數據塊來(lái)，當應答信號reasult為0時(shí)，說(shuō)明可以發(fā)送數據，一塊的大小為512個(gè)字節?？▽γ總€(gè)發(fā)送給自己數據塊通過(guò)一個(gè)應答信號確認，它有1字節長(cháng)，當其低4位十六進(jìn)制為0x05時(shí)，數據塊才被正確寫(xiě)入SD卡。所以在發(fā)送完單塊數據后，將判斷應答信號是否為0x05。單塊數據寫(xiě)入SD卡流程圖如圖4所示。而從SD卡讀取單塊數據的步驟是先向SD卡發(fā)送單塊寫(xiě)命令CMD17以及讀地址，卡將發(fā)送給主機一個(gè)應答信號，并且向主機發(fā)送單塊數據，當應答信號reasult為0時(shí)，說(shuō)明可以接收數據，接著(zhù)判斷接收的第一個(gè)字節是否為起始字節0xFE，是的話(huà)就接收5112 B，否則就讀取數據失敗。寫(xiě)入和讀取SD卡單塊數據流程圖如圖4、5所示。

4實(shí)驗結果

　　根據以上的設計思路搭建了一個(gè)圖像采集系統，進(jìn)行圖像采集實(shí)驗，并將所采集到的圖像數據添加上BMP位圖文件頭信息用bmp格式文件存入SD卡，便于在電腦上讀取SD卡上的圖像數據。

　　現以拍攝運動(dòng)中的商標帶為例，在運動(dòng)中的某一時(shí)刻拍攝圖片如圖6所示。從圖6上表明該圖像采集系統可以實(shí)現實(shí)時(shí)采集，且所采集圖像的圖案清晰，準確率較高，基本滿(mǎn)足設計的要求。

5結語(yǔ)

　　本文主要介紹了利用LPC2106硬件平臺和OV6620攝像頭進(jìn)行圖像采集，以及將采集到的圖像數據通過(guò)SD卡進(jìn)行圖像存儲的方法。與普通的視頻采集卡相比，此嵌入式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。