隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)CMOS圖像傳感器比CCD噪聲大的特點(diǎn)得到大大改善，并且以其成本低、功耗低、單一工作電壓、集成AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字形式數(shù)據(jù)輸出、圖像大小可編程控制等優(yōu)點(diǎn)，在攝像頭、微型數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀、手機(jī)、可視電話、視頻會(huì)議等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。但要將CMOS的圖像采集到DSP芯片中的硬件設(shè)計(jì)成本較高，實(shí)現(xiàn)難度較大?，F(xiàn)階段，比較多的方案是采用帶視頻控制器的DSP芯片，如TI6000系列中帶有3個(gè)VPO接口的TMS320DM642和ADI公司帶PPI接口的Blackfin處理器。很多低價(jià)通用的DSP如TI55x系列和67x系列的DSP，與CMOS圖像傳感器都沒(méi)有直接接口，需要設(shè)計(jì)硬件電路。本文便是針對(duì)這種低價(jià)通用的DSP，提出的一種低成本的采集方案。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于大部分DSP都有與SDRAM、Flash、SRAM、FIFO等存儲(chǔ)器接口的EMIF接口，而沒(méi)有直接與CMOS/CCD固體圖像傳感器接口的控制器。所以采用CPLD作為圖像傳感器到FIFO以及FIFO到DSP的一個(gè)時(shí)序協(xié)調(diào)控制器。同時(shí)由于圖像傳感器的像素時(shí)鐘PIXCLK很高，最高可以達(dá)到48MHz,固體圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)量大，而FIFO的容量有限，一般都是幾K、幾十K字節(jié)，對(duì)于高像素的圖像來(lái)說(shuō)，F(xiàn)IFO只能充當(dāng)線緩沖的作用，要作為幀緩沖，除非系統(tǒng)對(duì)速度要求很高，否則成本太高。由于采集到DSP中的圖像數(shù)據(jù)量很大，靠寫文件的方式來(lái)驗(yàn)證采集的數(shù)據(jù)非常慢，所以本系統(tǒng)采用GPIO設(shè)計(jì)了一個(gè)SD卡的控制器，通過(guò)寫B(tài)MP文件，對(duì)采集的圖像進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于DSP采用何種方式去讀取FIFO中的圖像數(shù)據(jù)。很多方案中都是啟動(dòng)EDMA讀取FIFO中的圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO半滿時(shí)中斷DSP啟動(dòng)EDMA讀取數(shù)據(jù)，這樣對(duì)FIFO讀時(shí)鐘的頻率要求很高，需要讀時(shí)鐘為寫時(shí)鐘的2倍。但這種方案存在問(wèn)題，即FIFO時(shí)鐘的選擇問(wèn)題。EMIF口的在EDMA啟動(dòng)的過(guò)程中都是一些不穩(wěn)定不規(guī)則的負(fù)脈沖信號(hào)，難以選擇作為FIFO的讀時(shí)鐘。這種采用EDMA的方案在TMS320DM642中可行，因?yàn)門MS320DM642能與FIFO無(wú)縫連接。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路圖
本系統(tǒng)硬件連接如圖2所示，所采用的圖像傳感器型號(hào)是MT9T001，它是一款主要針對(duì)數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域的CMOS圖像傳感器。與其他的CMOS圖像傳感器相比，MT9T001有以下明顯的特點(diǎn)：
(1)像素大小可以通過(guò)IIC接口改變相應(yīng)寄存器進(jìn)行硬件裁剪。
(2)高的幀速，輸出為QXGA分辨率(2 048×1 536）時(shí)，可以達(dá)到12f/s，而輸出為VGA分辨率（320×240）時(shí)，有93f/s。
(3)高性能的低照度成像性能。
(4)具有AF對(duì)焦窗口的圖像輸出格式，如圖3所示，(2 048×512)時(shí)，可以達(dá)到30f/s。
硬件設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在CPLD的邏輯上面。本系統(tǒng)采用ALTERA公司的CPLD芯片EPM240作為系統(tǒng)的邏輯控制器件，有80個(gè)I/O引腳和240個(gè)邏輯單元，資源足夠滿足各種方式的采集設(shè)計(jì)的需要。
DSP采用TI公司的TMS320C6711DSK板，TMS320C6711DSK有以下特點(diǎn)：
(1)板上留有2個(gè)80腳的接口，方便系統(tǒng)擴(kuò)展；
(2)EMIF接口有兩種時(shí)鐘模式可以選擇,時(shí)鐘頻率分別為150MHz和100MHz；
(3)100MHz的16MB同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)；
(4)直接提供1.8V和3.3V直流電源；
(5)JTAG仿真器,可支持并口或外接X(jué)DS510支持；
(6)1個(gè)并行接口,主機(jī)可通過(guò)該并口訪問(wèn)開(kāi)發(fā)板上的存儲(chǔ)器；
(7)150MHz主頻，可執(zhí)行900 MFLOPS浮點(diǎn)操作；
(8)128KB的可編程Flash存儲(chǔ)器；
(9)16位語(yǔ)音CODEC電路。
2.2 CPLD內(nèi)部的邏輯
TMS320C6711的EMIF口連接異步存儲(chǔ)器的時(shí)序如圖4所示。
從時(shí)序圖可以看出， 在的上升沿便讀取一次數(shù)據(jù)，所以用這個(gè)引腳來(lái)作為讀取FIFO的時(shí)鐘最合適。如果用ECLKOUT讀取，需要在CPLD中設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器，很不方便，也不靈活。圖5為CPLD內(nèi)部邏輯圖。
圖5 邏輯連接圖
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 圖像傳感器的配置
SCLK和SDATA兩條線構(gòu)成了該串行總線，SCLK為串行時(shí)鐘，SDATA為串行數(shù)據(jù)。兩條線通過(guò)1.5kΩ的電阻上拉到3.3V。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)上拉1.3kΩ電阻，用TMS320VC6711（外擴(kuò)一片EPM240實(shí)現(xiàn)）模擬總線時(shí)序，完全可以達(dá)到要求。其操作方法幾乎和IIC總線一樣，在速度和位數(shù)上稍微有一點(diǎn)差別，限于篇幅不再贅述。圖6為寫時(shí)序圖，圖7為讀時(shí)序圖。
芯片內(nèi)部集成了模擬處理電路(10bit A/D轉(zhuǎn)換器，放大器)、時(shí)鐘控制電路（反相，相位調(diào)節(jié)）、圖像大小調(diào)節(jié)、原點(diǎn)定位、白平衡調(diào)節(jié)、曝光調(diào)節(jié)、幀速率調(diào)節(jié)等眾多功能電路，所有這些控制都通過(guò)一個(gè)串行總線口進(jìn)行操作（SCLK和SDATA）。數(shù)據(jù)輸出則為10bit并行口，數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘PIXCLK，行同步LINE_VALID和幀同步信號(hào)FRAME_VALID。
在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于在綠色通道增益最低的情況下采集到的圖像還是偏綠，所以對(duì)紅色和藍(lán)色通道的增益調(diào)大了少許。
3.2 系統(tǒng)的主體程序
視頻采集系統(tǒng)軟件需要完成CMOS圖像傳感器圖像數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。
為了便于后期圖像處理和分析工作，采用了DSP BIOS的程序設(shè)計(jì)架構(gòu)。BIOS上的程序總體設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。
中斷觸發(fā)源采用了EXT4，即外部中斷引腳中斷。而外部引腳連接的是行有效信號(hào)，這樣，每一行便觸發(fā)一次中斷，然后在中斷服務(wù)程序中通過(guò)讀取FIFO的數(shù)據(jù)到SDRAM中，完成一行數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)行計(jì)數(shù)器來(lái)判斷一幀是否傳完。值得注意的是，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)沒(méi)有采用兩級(jí)中斷來(lái)保證第一行讀到的圖像數(shù)據(jù)就是圖像本身的第一行，而是采用讀取行同步信號(hào)的上升沿來(lái)簡(jiǎn)化程序。
由于在TI公司的CCS3.1開(kāi)發(fā)環(huán)境下面寫文件方式的速度太慢，所以采用DSP寫SD卡的方法來(lái)保存圖像數(shù)據(jù)，采集到更加清晰的圖像，如圖9。
MT9T001圖像傳感器的靈敏度很高，在很低的照度下都能清晰成像。要調(diào)整好鏡頭的光圈以避免出現(xiàn)局部過(guò)曝光的現(xiàn)象。
雖然采用DSP的EMIF接口外加FIFO行緩沖器的方案沒(méi)有那些有專門視頻接口的DSP(如DM642)的VP0-VP3端口方便，但本方案具有成本上的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)在浮點(diǎn)運(yùn)算特別多的圖像算法中，本方案的算法效率要比DM642高。本方案對(duì)很多沒(méi)有視頻控制器的DSP具有通用性；另外，本方案擴(kuò)展了一片CPLD，可以對(duì)硬件控制進(jìn)行一些靈活的處理，如可以通過(guò)對(duì)HD信號(hào)靈活計(jì)數(shù)，控制閃光燈的點(diǎn)亮?xí)r間等。
實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)適合帶有EMIF接口的DSP系統(tǒng)，這種圖像采集接口還能很好地移植到其他基于DSP的圖像采集與處理系統(tǒng)中。
