摘 要： 為了解決高像素CMOS圖像采集傳感器MT9T001和一些沒有視頻采集控制器的DSP接口難的問題，采用了2KB容量的線緩沖FIFO＋CPLD的方案，結合TI公司的6000系列DSP芯片TMS320C6711的EMIF接口，在DSP中設計了采集圖像的中斷程序，通過DSP將采集的圖像寫到SD卡中，終證明了本采集方案的可行。接下來本文就講方案的具體設計。

圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類，隨著數(shù)碼技術、半導體制造技術以及網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，目前市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數(shù)碼相機產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機就由幾十萬像素，發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達的歐美國家，數(shù)碼相機已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件——圖像傳感器產(chǎn)品就成為當前以及未來業(yè)界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡介CMOS傳感器的技術。

CMOS圖像傳感器于80年代發(fā)明以來，由于當時COMS工藝制程的技術不高，以致于傳感器在應用中的雜訊較大，商品化進程一直較慢。時至今日，CMOS傳感器的應用范圍也開始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機 、PC Camera、影像電話、第三代手機、視訊會議、智能型保全系統(tǒng)、汽車倒車雷達、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等用途。在低檔產(chǎn)品方面，其畫質(zhì)質(zhì)量已接近低檔CCD的解析度，相關業(yè)者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐漸明朗。CMOS傳感器有可細分為：被動式像素傳感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動式像素傳感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。

隨著CMOS技術的發(fā)展，原來CMOS圖像傳感器比CCD噪聲大的特點得到大大改善，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，在攝像頭、微型數(shù)碼照相機、掃描儀、手機、可視電話、視頻會議等眾多領域應用。

從產(chǎn)品的技術發(fā)展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標。因為像素大則圖像產(chǎn)品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應用面更廣泛。

　1 系統(tǒng)設計

由于大部分DSP都有與SDRAM、Flash、SRAM、FIFO等存儲器接口的EMIF接口，而沒有直接與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的一個時序協(xié)調(diào)控制器。同時由于圖像傳感器的像素時鐘PIXCLK很高，可以達到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)，對于高像素的圖像來說，F(xiàn)IFO只能充當線緩沖的作用，要作為幀緩沖，除非系統(tǒng)對速度要求很高，否則成本太高。由于采集到DSP中的圖像數(shù)據(jù)量很大，靠寫文件的方式來驗證采集的數(shù)據(jù)非常慢，所以本系統(tǒng)采用GPIO設計了一個SD卡的控制器，通過寫B(tài)MP文件，對采集的圖像進行驗證。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)設計的關鍵在于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EDMA讀取FIFO中的圖像數(shù)據(jù)，當FIFO半滿時中斷DSP啟動EDMA讀取數(shù)據(jù)，這樣對FIFO讀時鐘的頻率要求很高，需要讀時鐘為寫時鐘的2倍。但這種方案存在問題，即FIFO時鐘的選擇問題。EMIF口的在EDMA啟動的過程中都是一些不穩(wěn)定不規(guī)則的負脈沖信號，難以選擇作為FIFO的讀時鐘。這種采用EDMA的方案在TMS320DM642中可行，因為TMS320DM642能與FIFO無縫連接。

2 硬件設計

2.1 硬件電路圖

本系統(tǒng)硬件連所示，所采用的圖像傳感器型號是MT9T001，它是一款主要針對數(shù)碼相機領域的CMOS圖像傳感器。與其他的CMOS圖像傳感器相比，有以下明顯的特點：

（1）像素大小可以通過IIC接口改變相應寄存器進行硬件裁剪。

（2）高的幀速，輸出為QXGA分辨率（2 048×1 536）時，可以達到12f/s，而輸出為VGA分辨率（320×240）時，有93f/s。

（3）MT9T001型CMOS圖像傳感器可以采集到比較清晰的Bayer格式圖像，經(jīng)雙線性差值進行格式轉(zhuǎn)化后，可以基本還原圖像的本來色彩。

（4）具有AF對焦窗口的圖像輸出格式，如圖3所示，（2 048×512）時，可以達到30f/s。

（5）應用嵌入式系統(tǒng)進行圖像的采集，有利于系統(tǒng)的小型化設計，將灰度的Bayer格式圖像轉(zhuǎn)化為彩色的RGB格式，使圖像的可視性更好，應用范圍更廣。

硬件設計主要體現(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I/O引腳和240個邏輯單元，資源足夠滿足各種方式的采集設計的需要。

DSP采用TI公司的TMS320C6711DSK板，TMS320C6711DSK有以下特點：

（1）板上留有2個80腳的接口，方便系統(tǒng)擴展；

（2）EMIF接口有兩種時鐘模式可以選擇，時鐘頻率分別為150MHz和100MHz；

（3）100MHz的16MB同步動態(tài)存儲器（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XDS510支持；

（6）1個并行接口，主機可通過該并口訪問開發(fā)板上的存儲器；

（7）150MHz主頻，可執(zhí)行900 MFLOPS浮點操作；

（8）128KB的可編程Flash存儲器；

（9）16位語音CODEC電路。

2.2 CPLD內(nèi)部的邏輯

TMS320C6711的EMIF口連接異步存儲器的時序。

　　從時序可以看出， 在的上升沿便讀取數(shù)據(jù)，所以用這個引腳來作為讀取FIFO的時鐘合適。如果用ECLKOUT讀取，需要在CPLD中設計計數(shù)器，很不方便，也不靈活。

3 軟件設計

　　3.1 圖像傳感器的配置

SCLK和SDATA兩條線構成了該串行總線，SCLK為串行時鐘，SDATA為串行數(shù)據(jù)。兩條線通過1.5kΩ的電阻上拉到3.3V。在實際應用中，通過上拉1.3kΩ電阻，用TMS320VC6711（外擴一片EPM240實現(xiàn)）模擬總線時序，完全可以達到要求。其操作方法幾乎和IIC總線一樣，在速度和位數(shù)上稍微有一點差別，限于篇幅不再贅述。

芯片內(nèi)部集成了模擬處理電路（10bit A/D轉(zhuǎn)換器，放大器）、時鐘控制電路（反相，相位調(diào)節(jié)）、圖像大小調(diào)節(jié)、原點定位、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一個串行總線口進行操作（SCLK和SDATA）。數(shù)據(jù)輸出則為10bit并行口，數(shù)據(jù)同步時鐘PIXCLK，行同步LINE_VALID和幀同步信號FRAME_VALID。

在本系統(tǒng)設計中，由于在綠色通道增益的情況下采集到的圖像還是偏綠，所以對紅色和藍色通道的增益調(diào)大了少許。

3.2 系統(tǒng)的主體程序

為了便于后期圖像處理和分析工作，采用了DSP BIOS的程序設計架構。BIOS上的程序總體設計流程圖如圖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，這樣，每一行便觸發(fā)中斷，然后在中斷服務程序中通過讀取FIFO的數(shù)據(jù)到SDRAM中，完成一行數(shù)據(jù)的采集，通過行計數(shù)器來判斷一幀是否傳完。值得注意的是，本系統(tǒng)的軟件設計沒有采用兩級中斷來保證行讀到的圖像數(shù)據(jù)就是圖像本身的行，而是采用讀取行同步信號的上升沿來簡化程序。

由于在TI公司的CCS3.1開發(fā)環(huán)境下面寫文件方式的速度太慢，所以采用DSP寫SD卡的方法來保存圖像數(shù)據(jù)，采集到更加清晰的圖像。

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行緩沖器的方案沒有那些有專門視頻接口的DSP的VP0-VP3端口方便，但本方案具有成本上的優(yōu)勢；同時在浮點運算特別多的圖像算法中，本方案的算法效率要比DM642高。

實驗證明，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