基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統(tǒng)設計
出處：江川貴，廖啟征，魏世民 發(fā)布于：2007-09-25 10:56:47
摘要：介紹以CPLD控制為的CMOS圖像采集系統(tǒng)，系統(tǒng)選用彩色圖像傳感器OV7620，并通過USB接口以類似DMA方式進行快速的圖像傳輸。給出了單片機固件程序和設備驅動程序的實現(xiàn)方法。
關鍵詞：CMOS圖像傳感器；圖像采集；CPLD；USB
系統(tǒng)設計
圖1 為圖像采集系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)選用OminiVision公司生產的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一個640×480 (30萬像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達60Hz，逐行掃描時為30幀/s。其像面大小為1/3英寸，支持8位或16位數(shù)字信號從單通道或雙通道輸出，輸出信號的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇，圖像矩陣支持VGA或CIF 規(guī)定， 數(shù)字輸出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等標準。OV7620有很強的攝像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩陣，窗口選擇等，所有這些功能都可以通過I2C接口進行編程控制。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系統(tǒng)中處于地位，既要負責將OV7620輸出的視頻數(shù)據(jù)存入SRAM，又要與MCU配合完成視頻數(shù)據(jù)的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機C8051F020，它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài)， C8051F020自帶SMBUS總線接口，可以把I2C的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過交叉開關分配到端口引腳，MCU作為I2C總線通訊的主機，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作為從機地址與MCU進行通信。另外MCU還控制USB 通信，負責USB芯片的初始化和與PC的通信連接，其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，該芯片為高速靜態(tài)RAM，存儲時間在10ns左右， 可以滿足OV7620 的速度要求， 其512KB的存儲空間足以用來存儲30萬像素的視頻數(shù)據(jù)(Bayer2pattern: 每一像素包含一個字節(jié)的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，該芯片支持USB 1.1標準協(xié)議和DMA傳輸模式。
圖像采集部分
OV7620的輸出特性
OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應不同的應用場合，針對我們的較小系統(tǒng)，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實現(xiàn)是通過MCU 的I2C編程控制的。當OV7620 設置工作方式穩(wěn)定后，它就會輸出視頻數(shù)據(jù)，同時還有3個重要的參考信號輸出:幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時鐘信號PCLK。參見圖2，每一個幀同步信號SYNC 周期包含480 個水平同步信號HREF脈沖，而每一個HREF周期包含640個PCLK時鐘脈沖。每一個PCLK時鐘輸出一個像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標準的Bayer-pattern彩色RGB數(shù)據(jù)) 。
圖2 圖像采集信號時序
圖像存儲方式
根據(jù)640 ×480 的像素輸出特點， 將512KB 的RAM分成512行，每行1KB空間，由A0～A9共10條地址線選通行內地址記為低位地址：ADDR-L； 高位A18～A10共9條地址線選通各行記為高位地址：ADDR-H。為保證OV7620 采集的數(shù)據(jù)同步寫入SRAM中，用CPLD宏單元設計了2個地址計數(shù)器:低位計數(shù)器ADDR-L和高位記數(shù)器ADDR-H。當圖像數(shù)據(jù)采集開始時( SYNC信號低有效) ，記數(shù)器由0開始記數(shù)，每來一個像素時鐘PCLK使低位計數(shù)器順序加1，完成1行像素的寫入，OV7620產生的行同步信號HREF使低位計數(shù)器清0，并使高位記數(shù)器順序加1，改變行地址直到完成480行寫入后產生幀同步信號，并使高位計數(shù)器清0，這樣完成1幀圖像數(shù)據(jù)的緩存，詳細的圖像采集信號時序如圖2。512KB的SRAM芯片實際上只用了640 ×480約300多KB 的存儲空間。芯片工作方式設定在PCLK信號的下降沿更新數(shù)據(jù)；在上升沿，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定時期，所以如圖2，在PCLK信號的下降沿更新SRAM的地址信號ADDR；在PCLK信號上升沿使/WR信號有效， 然后寫數(shù)據(jù)到SRAM 中。其中CPLD控制SRAM的寫數(shù)據(jù)邏輯用VHDL 語言編寫，用MAX+PLUSII工具進行仿真設計，實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。
圖像傳輸部分
類似DMA方式數(shù)據(jù)傳輸
視頻數(shù)據(jù)按行列關系有序存入SRAM芯片后，就可以順序讀取數(shù)據(jù)并進行傳輸。傳統(tǒng)的USB 傳輸方式是MCU 先從SRAM 中取得數(shù)據(jù)再送到PDIUBD12；通過PDIUBD12發(fā)送到主機。不管是MCU從SRAM取數(shù)據(jù)還是向作為外設的PDIUBD12寫數(shù)據(jù)，速度都較慢。因此我們考慮用系統(tǒng)中的CPLD控制來實現(xiàn)類似DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)工作過程中，單片機負責解釋USB的控制傳輸。當要進行從外存取數(shù)送到PDIUBD12時，單片機讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產生外存的讀信號和地址，同時產生PDIUBD12的寫信號和地址，自動實現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到PDIUBD12接口芯片的傳送。這種類似DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸解決了由單片機控制引起的速度瓶頸，極大提高了傳輸速度，限度發(fā)揮了USB的優(yōu)點。
數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實現(xiàn)
當主機需要傳輸數(shù)據(jù)時，通過控制管道發(fā)送請求，MCU接到命令后立即讓OV7620 讓出SRAM的數(shù)據(jù)總線，并通知PDIUBD12準備好用于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞫它c，然后發(fā)送TXCOM 命令信號給CPLD (見圖1) ，通知CPLD開始傳送數(shù)據(jù)；當完成64B的數(shù)據(jù)傳送后， CPLD向單片機發(fā)送TXEND信號，以示64B 傳送完畢，并等待下一個TXCOM信號，進行下一個64B的傳送。單片機和CPLD通過這兩個信號完成握手。CPLD在接收到TXCOM命令后，地址總線正確恢復上次傳輸?shù)降腟RAM地址(次傳輸時地址為0) ，并且控制MCU讓出PDIUBD12的數(shù)據(jù)總線，然后產生SRAM讀信號/RD，此時數(shù)據(jù)總線上就有了要傳送的數(shù)據(jù)； 同時產生PDIUBD12 的寫數(shù)據(jù)標志信號A0和寫信號/D12WR，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入PDIUBD12，完成數(shù)據(jù)從SRAM 到PDIUBD12 的傳送。其傳送數(shù)據(jù)的時序如圖3。注意， PDIUBD12的寫數(shù)據(jù)信號/D12WR， SRAM 的讀數(shù)據(jù)信號/RD 和SRAM的地址信號ADDR時序要嚴格配合。當每完成64B 的數(shù)據(jù)傳輸后， CPLD 要發(fā)送TXEND 信號給MCU。整個傳輸過程控制嚴密緊湊，所有CPLD邏輯控制程序均采用VHDL 語言編寫，經過測試，系統(tǒng)傳輸速度擺脫了單片機的影響，幾乎接近PDIUBD12的極限速度。
圖3 圖像傳輸信號時序
系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件包括USB設備固件、設備驅動程序和應用程序。
設備固件程序
設備固件是設備運行的，其主要的功能是控制接口芯片PDIUBD12并完成USB1.1協(xié)議(包括標準的設備請求、廠商請求處理、設置設備接口等) 。值得一提的是，此系統(tǒng)的單片機程序除了USB設備固件程序外，還有單片機對OV7620 的I2C控制軟件，與CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C進行編制，鏈接后到MCU中。
設備驅動程序
在Windows操作系統(tǒng)中通過運行內核層的驅動程序才能控制硬件， USB 設備驅動程序采用標準WDM設備驅動。WDM采用IRP驅動機制。當應用程序提出I/O請求時，它調用WIN32AP I函數(shù)向設備發(fā)出命令，然后由I/O管理器構成一個IRP，USB設備驅動程序收到該IRP后，取出其中的控制碼來找到對應的例程入口。在本系統(tǒng)開發(fā)中，驅動程序采用了DR IVERSTUD IO提供的DR IVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代碼生成工具(DR IVER WIZARD)及相應的類庫。開發(fā)驅動項目時，應用W IZARD 工具開發(fā)，自動生成驅動程序的. INF安裝信息文件。對USB 設備驅動DR IVERW IZARD生成的代碼只需做少量的修改便可，對項目編譯鏈接后生成.SYS驅動程序。
應用程序
在Win2系統(tǒng)中，把每個設備抽象為文件，應用程序就通過幾條簡單的文件操作AP I函數(shù)實現(xiàn)與驅動程序中某個設備通信。USB通信常使用的API函數(shù)有:CreatFile， WriteFile， ReadFile， DeviceControl， CloseFile等。在應用程序時只需將上述函數(shù)加入到相應的功能模塊中便可完成應用程序對USB 設備進行打開、讀、寫操作，這樣就完全實現(xiàn)了兩者的通信。應用程序終實現(xiàn)了VGA， CIF等圖像格式的應用。
關鍵詞：CMOS圖像傳感器；圖像采集；CPLD；USB
系統(tǒng)設計
圖1 為圖像采集系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)選用OminiVision公司生產的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一個640×480 (30萬像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達60Hz，逐行掃描時為30幀/s。其像面大小為1/3英寸，支持8位或16位數(shù)字信號從單通道或雙通道輸出，輸出信號的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇，圖像矩陣支持VGA或CIF 規(guī)定， 數(shù)字輸出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等標準。OV7620有很強的攝像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩陣，窗口選擇等，所有這些功能都可以通過I2C接口進行編程控制。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系統(tǒng)中處于地位，既要負責將OV7620輸出的視頻數(shù)據(jù)存入SRAM，又要與MCU配合完成視頻數(shù)據(jù)的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機C8051F020，它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài)， C8051F020自帶SMBUS總線接口，可以把I2C的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過交叉開關分配到端口引腳，MCU作為I2C總線通訊的主機，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作為從機地址與MCU進行通信。另外MCU還控制USB 通信，負責USB芯片的初始化和與PC的通信連接，其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，該芯片為高速靜態(tài)RAM，存儲時間在10ns左右， 可以滿足OV7620 的速度要求， 其512KB的存儲空間足以用來存儲30萬像素的視頻數(shù)據(jù)(Bayer2pattern: 每一像素包含一個字節(jié)的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，該芯片支持USB 1.1標準協(xié)議和DMA傳輸模式。
圖像采集部分
OV7620的輸出特性
OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應不同的應用場合，針對我們的較小系統(tǒng)，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實現(xiàn)是通過MCU 的I2C編程控制的。當OV7620 設置工作方式穩(wěn)定后，它就會輸出視頻數(shù)據(jù)，同時還有3個重要的參考信號輸出:幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時鐘信號PCLK。參見圖2，每一個幀同步信號SYNC 周期包含480 個水平同步信號HREF脈沖，而每一個HREF周期包含640個PCLK時鐘脈沖。每一個PCLK時鐘輸出一個像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標準的Bayer-pattern彩色RGB數(shù)據(jù)) 。
圖2 圖像采集信號時序
圖像存儲方式
根據(jù)640 ×480 的像素輸出特點， 將512KB 的RAM分成512行，每行1KB空間，由A0～A9共10條地址線選通行內地址記為低位地址：ADDR-L； 高位A18～A10共9條地址線選通各行記為高位地址：ADDR-H。為保證OV7620 采集的數(shù)據(jù)同步寫入SRAM中，用CPLD宏單元設計了2個地址計數(shù)器:低位計數(shù)器ADDR-L和高位記數(shù)器ADDR-H。當圖像數(shù)據(jù)采集開始時( SYNC信號低有效) ，記數(shù)器由0開始記數(shù)，每來一個像素時鐘PCLK使低位計數(shù)器順序加1，完成1行像素的寫入，OV7620產生的行同步信號HREF使低位計數(shù)器清0，并使高位記數(shù)器順序加1，改變行地址直到完成480行寫入后產生幀同步信號，并使高位計數(shù)器清0，這樣完成1幀圖像數(shù)據(jù)的緩存，詳細的圖像采集信號時序如圖2。512KB的SRAM芯片實際上只用了640 ×480約300多KB 的存儲空間。芯片工作方式設定在PCLK信號的下降沿更新數(shù)據(jù)；在上升沿，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定時期，所以如圖2，在PCLK信號的下降沿更新SRAM的地址信號ADDR；在PCLK信號上升沿使/WR信號有效， 然后寫數(shù)據(jù)到SRAM 中。其中CPLD控制SRAM的寫數(shù)據(jù)邏輯用VHDL 語言編寫，用MAX+PLUSII工具進行仿真設計，實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。
圖像傳輸部分
類似DMA方式數(shù)據(jù)傳輸
視頻數(shù)據(jù)按行列關系有序存入SRAM芯片后，就可以順序讀取數(shù)據(jù)并進行傳輸。傳統(tǒng)的USB 傳輸方式是MCU 先從SRAM 中取得數(shù)據(jù)再送到PDIUBD12；通過PDIUBD12發(fā)送到主機。不管是MCU從SRAM取數(shù)據(jù)還是向作為外設的PDIUBD12寫數(shù)據(jù)，速度都較慢。因此我們考慮用系統(tǒng)中的CPLD控制來實現(xiàn)類似DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)工作過程中，單片機負責解釋USB的控制傳輸。當要進行從外存取數(shù)送到PDIUBD12時，單片機讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產生外存的讀信號和地址，同時產生PDIUBD12的寫信號和地址，自動實現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到PDIUBD12接口芯片的傳送。這種類似DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸解決了由單片機控制引起的速度瓶頸，極大提高了傳輸速度，限度發(fā)揮了USB的優(yōu)點。
數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實現(xiàn)
當主機需要傳輸數(shù)據(jù)時，通過控制管道發(fā)送請求，MCU接到命令后立即讓OV7620 讓出SRAM的數(shù)據(jù)總線，并通知PDIUBD12準備好用于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞫它c，然后發(fā)送TXCOM 命令信號給CPLD (見圖1) ，通知CPLD開始傳送數(shù)據(jù)；當完成64B的數(shù)據(jù)傳送后， CPLD向單片機發(fā)送TXEND信號，以示64B 傳送完畢，并等待下一個TXCOM信號，進行下一個64B的傳送。單片機和CPLD通過這兩個信號完成握手。CPLD在接收到TXCOM命令后，地址總線正確恢復上次傳輸?shù)降腟RAM地址(次傳輸時地址為0) ，并且控制MCU讓出PDIUBD12的數(shù)據(jù)總線，然后產生SRAM讀信號/RD，此時數(shù)據(jù)總線上就有了要傳送的數(shù)據(jù)； 同時產生PDIUBD12 的寫數(shù)據(jù)標志信號A0和寫信號/D12WR，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入PDIUBD12，完成數(shù)據(jù)從SRAM 到PDIUBD12 的傳送。其傳送數(shù)據(jù)的時序如圖3。注意， PDIUBD12的寫數(shù)據(jù)信號/D12WR， SRAM 的讀數(shù)據(jù)信號/RD 和SRAM的地址信號ADDR時序要嚴格配合。當每完成64B 的數(shù)據(jù)傳輸后， CPLD 要發(fā)送TXEND 信號給MCU。整個傳輸過程控制嚴密緊湊，所有CPLD邏輯控制程序均采用VHDL 語言編寫，經過測試，系統(tǒng)傳輸速度擺脫了單片機的影響，幾乎接近PDIUBD12的極限速度。
圖3 圖像傳輸信號時序
系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件包括USB設備固件、設備驅動程序和應用程序。
設備固件程序
設備固件是設備運行的，其主要的功能是控制接口芯片PDIUBD12并完成USB1.1協(xié)議(包括標準的設備請求、廠商請求處理、設置設備接口等) 。值得一提的是，此系統(tǒng)的單片機程序除了USB設備固件程序外，還有單片機對OV7620 的I2C控制軟件，與CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C進行編制，鏈接后到MCU中。
設備驅動程序
在Windows操作系統(tǒng)中通過運行內核層的驅動程序才能控制硬件， USB 設備驅動程序采用標準WDM設備驅動。WDM采用IRP驅動機制。當應用程序提出I/O請求時，它調用WIN32AP I函數(shù)向設備發(fā)出命令，然后由I/O管理器構成一個IRP，USB設備驅動程序收到該IRP后，取出其中的控制碼來找到對應的例程入口。在本系統(tǒng)開發(fā)中，驅動程序采用了DR IVERSTUD IO提供的DR IVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代碼生成工具(DR IVER WIZARD)及相應的類庫。開發(fā)驅動項目時，應用W IZARD 工具開發(fā)，自動生成驅動程序的. INF安裝信息文件。對USB 設備驅動DR IVERW IZARD生成的代碼只需做少量的修改便可，對項目編譯鏈接后生成.SYS驅動程序。
應用程序
在Win2系統(tǒng)中，把每個設備抽象為文件，應用程序就通過幾條簡單的文件操作AP I函數(shù)實現(xiàn)與驅動程序中某個設備通信。USB通信常使用的API函數(shù)有:CreatFile， WriteFile， ReadFile， DeviceControl， CloseFile等。在應用程序時只需將上述函數(shù)加入到相應的功能模塊中便可完成應用程序對USB 設備進行打開、讀、寫操作，這樣就完全實現(xiàn)了兩者的通信。應用程序終實現(xiàn)了VGA， CIF等圖像格式的應用。
參考文獻:
[1]. CPLD datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. OV7620 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/OV7620_525855.html.
[3]. 60Hz datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/60Hz_2517196.html.
[4]. VGA datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/VGA_2568786.html.
[5]. EPM7128S datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/EPM7128S_301040.html.
[6]. C8051F020 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/C8051F020_209830.html.
[7]. IS61LV5128AL datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/IS61LV5128AL_1121042.html.
[8]. PDIUSBD12 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PDIUSBD12+_544412.html.
[9]. A10 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/A10_1817627.html.
關鍵詞：基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統(tǒng)設計PDIUSBD12IS61LV5128ALPDIUBD12
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