嵌入式系統(tǒng)數(shù)字圖像采集接口電路設(shè)計(一)

1、嵌入式系統(tǒng)數(shù)字圖像采集接口電路設(shè)計 (一 )I/O摘要：本文介紹了兩種用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字圖像采集接口方法， 接口和內(nèi)存直接寫入。在對采集速度要求不高的應(yīng)用中， I/O 接口方法 可以簡化接口電路設(shè)計，減少系統(tǒng)資源。對于要求實時進行圖像處理 的系統(tǒng)，直接寫入內(nèi)存法可以在不需要處理器干預(yù)的情況下，直接將 圖像數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)存儲區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)高速圖像采集。關(guān)鍵詞：嵌入式系 統(tǒng)，圖像采集，電路設(shè)計 Abstract:Inthispaper,wepresenttwodifferentinterfacesbetweendigitalaimag esensorsandaprocessorforembedsyst

2、ems,I/OmodeandDMW(DirectMemor yWrite)mode.InI/Omode,processorcanreadimagedatathroughI/Oport,andt heinterfaceissimple.InDMWmode,imagedatacanbewriteintoRAMdirectlyw hileaprocessorissuspended.Keywords:EmbedSystem,ImageCapture,Electro nicCircuit 一、引言隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速開展，具有圖像功能的嵌入 式應(yīng)用愈來愈多。從數(shù)碼相機、可視 、多功能移動 等消費產(chǎn) 品到

3、門禁、數(shù)字視頻監(jiān)視等工業(yè)控制及安防產(chǎn)品，圖像采集和處理已 成為重要的組成局部之一。圖像采集需要進行同步信號的處理，比通 常的A/D數(shù)據(jù)采集過程復(fù)雜，電路的設(shè)計也較為困難。傳統(tǒng)PC上的圖 像采集卡都是在 Philips、Brooktree 等半導(dǎo)體公司提供的接口芯片根底 上，由專業(yè)公司開發(fā)生產(chǎn)。在嵌入式系統(tǒng)中不同的處理器和圖像傳感 器的信號定義及接口方式不同，沒有通用的接口芯片。另外，利用系 統(tǒng)中的現(xiàn)有資源設(shè)計圖像采集電路，可以減少器件數(shù)量、縮小產(chǎn)品體積和降低系統(tǒng)本錢。所以，通常嵌入式系統(tǒng)中要求自行設(shè)計圖像采集 接口電路。本文針對不同采集速度的要求，提出了兩種圖像采集接口 電路的設(shè)計方法。目前市

4、場上主流的圖像傳感器有 CCD CMOS兩種器 件，其中CMOS器件上世紀90年代產(chǎn)生，近年來得到了迅速開展。傳 感器的輸出有模擬和數(shù)字兩種。由于 CMOS器件功耗小、使用方便， 具有直接數(shù)字圖像輸出功能，作者在設(shè)計時選用了CMOS數(shù)字輸出圖像傳感器件。其他方式器件的接口設(shè)計與此類似，將在討論中說明。 本文內(nèi)容做如下安排：第二局部簡述圖像信號的特點；第三、四局部 分別介紹 I/O 和內(nèi)存直接寫入兩種接口設(shè)計方法； 最后局部是討論。二、 圖像信號介紹圖1給出了采樣時鐘PCLK和輸出數(shù)據(jù)D之間的時序 關(guān)系。在讀取圖像數(shù)據(jù)時用 PCLK鎖存輸出數(shù)據(jù)。除采樣時鐘PCLK 和數(shù)據(jù)輸出D外，還有水平方向的

5、行同步信號HSYNC和垂直方向的場 同步信號VSYNC。對于隔行掃描器件，還有幀同步信號FRAME。 如圖 2，一幀包括兩場。 圖 2 中窄的矩形條是同步脈沖， 同步脈沖期間 數(shù)據(jù)端口輸出的數(shù)據(jù)無效。PLCK存在時，圖像數(shù)據(jù)端口連續(xù)不斷地輸 出數(shù)據(jù)。由于行之間以及場之間輸出數(shù)據(jù)無效，在采集圖像數(shù)據(jù)必須 考慮同步信號，讀取有效數(shù)據(jù)才能保證圖像的完整性。三、 I/O 接口設(shè) 計對于MCU、DSP處理器，I/O是最方便的訪問方式之一。以I/O方式 讀取圖像數(shù)據(jù)不僅可以簡化電路設(shè)計，而且程序也很簡單。但由于讀 取每一個像素都要檢測狀態(tài)， 在處理器速度低的情況下， 讀取圖像慢。 在處理器速度快或圖像采集

6、速度要求不高的應(yīng)用中， I/O 接口方式是一個較好的選擇。 1、電路原理和結(jié)構(gòu)在圖像傳感器和處理器之間，利用 兩個鎖存器分別鎖存狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)， 處理器通過兩個 I/O 端口分別讀 取。圖 3 中，在采樣時鐘的上升沿數(shù)據(jù)鎖存器保存?zhèn)鞲衅鬏敵龅膱D像 數(shù)據(jù)，當處理器通過I/O 口讀取圖像時，數(shù)據(jù)鎖存器輸出數(shù)據(jù)。其它情 況下，鎖存器輸出處于高阻狀態(tài)。處理器通過狀態(tài)鎖存器讀取同步信 號和圖像就緒Ready指示信號。在數(shù)據(jù)鎖存器保存圖像數(shù)據(jù)的同時， 狀態(tài)鎖存器產(chǎn)生Ready信號從到' 1；處理器讀取圖像數(shù)據(jù)時，Ready 信號自動去除從 1到'0'。處理器讀取狀態(tài)時鎖存器驅(qū)動總線

7、，其他 情況下輸出處于高阻狀態(tài)。 2、圖像讀取流程要保證圖像的完整性就必 須從一場圖像的第一行開始讀取，對于隔行掃描輸出的圖像那么必須從 一幀的第一行開始讀取。讀取每行圖像數(shù)據(jù)時，那么從該行的第一個像 素開始。因此，在讀取圖像數(shù)據(jù)前應(yīng)先判斷場和行的起始位置。圖 4 是通過I/O接口方式讀取圖像數(shù)據(jù)的流程。讀取每個像素數(shù)據(jù)前先查詢 數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)已準備好那么讀取數(shù)據(jù)。3、同步信號檢測為了簡化電路設(shè)計，用處理器直接讀取同步信號， 然后找出場和行的起始位置。 從圖 2 可以看出，處理器讀取同步信號時，信號可能處在同步脈沖狀 態(tài) 1'或正常狀態(tài) 0。對于那些同步信號反向的器件，那么分別為和

8、0'。1'如果信號處于同步脈沖狀態(tài)，第一次檢測到的正常狀態(tài)就起 始位置。如果信號處于正常狀態(tài)，那么首先檢測到脈沖狀態(tài)，然后用同 樣的方法確定起始位置。通過上述方法可以檢測出場的起始位置和行 起始位置。4、用VHDL設(shè)計鎖存器在應(yīng)用中，以上兩個鎖存器的功能和其他邏輯集中在一起，用可編程邏輯器件實現(xiàn)。下面分別為它們的VHDL表示。設(shè)DO(0-7)是鎖存器輸出端，DI(0-7)是鎖存器輸入端，DM(0-7) 是中間狀態(tài)，Data_R是數(shù)據(jù)讀信號(低電平時有效)，那么數(shù)據(jù)鎖存器的 VHDL 描 述 為 ： Process(reset,PCLK)-鎖 存 圖 像 數(shù) 據(jù) BeginIfr

9、eset='0'thenDMElseifPCLK'eventandPCLK='1'thenDMEndif;Endproc ess;Process(DM,Data_R)- 讀 取 圖 像 數(shù) 據(jù)Begi nl fData_R='O'the nDOEIseDOE ndif;E ndproces進一步設(shè)數(shù)據(jù)有效狀 態(tài)為Dstatus狀態(tài)讀寫信號為Status_R低點平時有效)，那么狀態(tài)鎖存器 的 VHDL 描述為： Process(reset,PCL，K Data_R)-數(shù)據(jù)有效狀態(tài)控制 BeginIfreset='0'orData_R='0'thenDstatusEIseifPCLK'enentandPCLK