論文基于嵌入式ARM的圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要隨著現(xiàn)代制造工業(yè)中微細(xì)加工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)微細(xì)零件表面形貌測(cè)量的要求越來越高，具有較高橫向及縱向分辨率的激光并行共焦顯微系統(tǒng)可以突破光學(xué)衍射的極限要求,對(duì)物體表面進(jìn)行無損檢測(cè)及三維形貌重構(gòu)。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的便攜化、智能化需求，具有體積小、成本低、專用性強(qiáng)等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的嵌入式系統(tǒng)，無疑有著極好的應(yīng)用前景。本文主要研制了一種基于ARM的便攜式圖像采集處理系統(tǒng)。論文主要以硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分完成對(duì)系統(tǒng)的論述：硬件設(shè)計(jì)中，通過分析實(shí)際圖像采集需求后總結(jié)設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)，確定了采集系統(tǒng)的主要控制平臺(tái)和圖像傳感芯片，給出了總體的硬件設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上完成了SCCB控制模塊、圖

2、像數(shù)據(jù)捕獲模塊、串口調(diào)試模塊等硬件接口模塊的設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)中，完成了CMOS的驅(qū)動(dòng)程序、圖像數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動(dòng)程序、Bayer圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法等軟件設(shè)計(jì)工作，最后論述了靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)相關(guān)調(diào)試、實(shí)驗(yàn)工作，結(jié)果表明此嵌入式圖像采集系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證明了設(shè)計(jì)的合理性和正確性。本系統(tǒng)一定程度上提高了低功耗微控制器圖像采集的效率，將圖像采集系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)人員的軟件設(shè)計(jì)工作，相對(duì)于傳統(tǒng)PC機(jī)+CCD的方案，不僅在體積、成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)，更體現(xiàn)出良好的柔性，便于今后的維護(hù)、優(yōu)化。關(guān)鍵詞：ARM，LPC2478,圖像采集，便攜式 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _To

3、c290043860 第一章 緒論 PAGEREF _Toc290043860 h 4 HYPERLINK l _Toc290043861 1.1 課題的研究背景 PAGEREF _Toc290043861 h 4 HYPERLINK l _Toc290043862 1.1.1 并行共焦顯微系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc290043862 h 4 HYPERLINK l _Toc290043863 1.1.2 嵌入式系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc290043863 h 5 HYPERLINK l _Toc290043864 1.1.3 嵌入式圖像采集系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc2

4、90043864 h 6 HYPERLINK l _Toc290043865 1.2 課題研究的目的和意義 PAGEREF _Toc290043865 h 7 HYPERLINK l _Toc290043866 1.3 課題研究的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc290043866 h 7 HYPERLINK l _Toc290043867 第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043867 h 9 HYPERLINK l _Toc290043868 2.1 系統(tǒng)核心器件概述 PAGEREF _Toc290043868 h 9 HYPERLINK l _Toc290

5、043869 基于ARM7TDMI的LPC2478開發(fā)板 PAGEREF _Toc290043869 h 9 HYPERLINK l _Toc290043870 OV7620圖像傳感器 PAGEREF _Toc290043870 h 11 HYPERLINK l _Toc290043871 2.2 圖像采集系統(tǒng)硬件總體架構(gòu) PAGEREF _Toc290043871 h 16 HYPERLINK l _Toc290043872 2.3 圖像采集系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043872 h 17 HYPERLINK l _Toc290043873 SCCB控制模塊 PAGER

6、EF _Toc290043873 h 17 HYPERLINK l _Toc290043874 2.3.2 圖像數(shù)據(jù)采集模塊 PAGEREF _Toc290043874 h 18 HYPERLINK l _Toc290043875 2.3.3 存儲(chǔ)、顯示模塊 PAGEREF _Toc290043875 h 22 HYPERLINK l _Toc290043876 串口通訊模塊 PAGEREF _Toc290043876 h 24 HYPERLINK l _Toc290043877 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc290043877 h 24 HYPERLINK l _Toc29004

7、3878 第三章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043878 h 25 HYPERLINK l _Toc290043879 3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043879 h 25 HYPERLINK l _Toc290043880 3.2 系統(tǒng)初始化模塊的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043880 h 25 HYPERLINK l _Toc290043881 LPC2400的bootloader軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043881 h 26 HYPERLINK l _Toc290043882 CMOS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) PAGERE

8、F _Toc290043882 h 27 HYPERLINK l _Toc290043883 3.3 圖像采集模塊的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043883 h 31 HYPERLINK l _Toc290043884 CMOS與ARM的工作匹配 PAGEREF _Toc290043884 h 31 HYPERLINK l _Toc290043885 同步信號(hào)捕獲的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043885 h 31 HYPERLINK l _Toc290043886 3.4 存儲(chǔ)處理顯示模塊的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043886 h 33 HYPERLI

9、NK l _Toc290043887 片外SDRAM存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc290043887 h 33 HYPERLINK l _Toc290043888 Bayer圖像數(shù)據(jù)的差值算法 PAGEREF _Toc290043888 h 35 HYPERLINK l _Toc290043889 3.1 本章小結(jié) PAGEREF _Toc290043889 h 39 HYPERLINK l _Toc290043890 第四章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc290043890 h 40 HYPERLINK l _Toc290043891 4.1 圖像采集系統(tǒng)的組成 PAG

10、EREF _Toc290043891 h 40 HYPERLINK l _Toc290043892 4.2 圖像采集系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析 PAGEREF _Toc290043892 h 40 HYPERLINK l _Toc290043893 ARM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc290043893 h 40 HYPERLINK l _Toc290043894 圖像數(shù)據(jù)采集有效像素點(diǎn)及錯(cuò)幀率實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc290043894 h 43 HYPERLINK l _Toc290043895 4.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc290043895 h 44 HYPER

11、LINK l _Toc290043896 第五章 總結(jié)和展望 PAGEREF _Toc290043896 h 45 HYPERLINK l _Toc290043897 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc290043897 h 46第一章 緒論 課題的研究背景 課題來源Unitary intensity of illuminationZzFWHM0隨著現(xiàn)代制造工業(yè)的高速發(fā)展，特別是微細(xì)加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)零件的三維形貌進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)，逐漸成為現(xiàn)代儀器研究及測(cè)試方法的重要課題。在半導(dǎo)體技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，共焦顯微術(shù)因其高精度、高分辨力、能夠較容易對(duì)被測(cè)物三維形貌實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的特性從而得到較為廣

12、泛的應(yīng)用。本論文來源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（NO.50775063），該項(xiàng)目研究的是微型器件三維形貌的測(cè)量系統(tǒng)。其中便利用共焦顯微術(shù)【1】，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微器件形貌的高精度、高分辨率及易實(shí)現(xiàn)成像數(shù)字化的測(cè)量。圖1- SEQ 圖1- * ARABIC 1 并行共焦測(cè)量原理圖 圖1- SEQ 圖1- * ARABIC 2 光強(qiáng)位移曲線圖并行共焦測(cè)量的原理圖如圖1-1所示。其中1為光源，2為微透鏡陣列，3為分光鏡，4為CCD，5、6為凸透鏡，7為微動(dòng)臺(tái)。光源發(fā)射的光在經(jīng)過微透鏡陣列分束后成為點(diǎn)光源陣列，通過透鏡組成的遠(yuǎn)心光路在被測(cè)物面處成像，最后經(jīng)由被測(cè)物面的反射，在CCD的像面成像（如圖1-3），其中的

13、點(diǎn)光源陣列面、被測(cè)物面及CCD像面彼此共軛。測(cè)量時(shí)，隨著物面做Z向移動(dòng)，成像于CCD像面的光斑大小發(fā)生改變，導(dǎo)致CCD上處在光斑區(qū)域中的感光像素所接受光強(qiáng)發(fā)生變化，因此可以得到該被測(cè)物點(diǎn)的光強(qiáng)變化曲線，如圖1-2。曲線峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值（值）即為該被測(cè)物點(diǎn)的正焦位置，把所有采樣點(diǎn)的正焦位置找到后即可得到被測(cè)物面的表面形貌【2】。圖1- SEQ 圖1- * ARABIC 3 并行共焦局部圖并行共焦顯微系統(tǒng)用CCD接收光點(diǎn)陣列圖像，經(jīng)過圖像采集卡在PC機(jī)上顯示。由于該系統(tǒng)體積大，不便于攜帶，滿足不了一些在線檢測(cè)需求，因此本學(xué)位論文的任務(wù)是為并行共焦顯微系統(tǒng)研制一種體積微型化的圖像采集系統(tǒng)。由并行

14、共焦檢測(cè)的方式及輸出圖像特征可知，需要設(shè)計(jì)的是一種能夠采集黑白灰階圖像的靜態(tài)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)。要達(dá)到微型貌測(cè)量的目的需要圖像采集系統(tǒng)具有若干特性，具體歸納如下：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，便攜性能好系統(tǒng)能夠識(shí)別256或以上灰階圖像圖像數(shù)據(jù)格式便于處理、顯示系統(tǒng)采集時(shí)間不低于1幀/秒具有較大的存儲(chǔ)空間本論文旨在設(shè)計(jì)一種具有上述特性的圖像采集系統(tǒng)，可以對(duì)并行共焦光路輸出的光強(qiáng)圖像進(jìn)行采集、顯示，并具有較高的便攜性、穩(wěn)定性及可靠性。圖像采集系統(tǒng)內(nèi)的圖像傳感模塊和控制處理模塊應(yīng)具有一定的通用性，即圖像傳感器具有采集像素位深、數(shù)據(jù)格式、圖像分辨率可選的多樣化輸出，控制處理部分具有可裁剪的多種總線接口模塊。綜上所

15、述，所設(shè)計(jì)的便攜式圖像采集系統(tǒng)必須脫離PC機(jī)，因而采用了具有專用性、嵌入式、計(jì)算機(jī)性特點(diǎn)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。本課題研究的基于ARM的便攜式圖像采集系統(tǒng)利用了嵌入式ARM平臺(tái)多種功能接口、總線協(xié)議，掌握ARM微處理器的相關(guān)應(yīng)用，為各種測(cè)試測(cè)量方法在便攜式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 嵌入式系統(tǒng)概述1、嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)被IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）定義為“是一種用來控制、監(jiān)視或者輔助儀器、機(jī)械操作的裝置”。無論嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)如何發(fā)展，都改變不了其“內(nèi)含計(jì)算機(jī)”、“嵌入到對(duì)象體系中”、“滿足對(duì)象智能化控制要求”的技術(shù)本質(zhì)，因此可以將嵌入式系統(tǒng)定義為：“嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)

16、應(yīng)用系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)具有3個(gè)基本特點(diǎn)，即“計(jì)算機(jī)性”、“嵌入性”及“專用性”：“計(jì)算機(jī)性”是目標(biāo)系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化控制的根本保證，內(nèi)含微處理器的現(xiàn)代電子系統(tǒng)，方才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能化控制能力；“嵌入性”則是專指起源于微型機(jī)、嵌入到目標(biāo)對(duì)象系統(tǒng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能控制的特性；“專用性”是指為了貼合對(duì)象控制需求或特定環(huán)境要求下的軟硬件的裁剪性。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，包括消費(fèi)電子、國(guó)防軍事、工業(yè)控制等領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，從軍用的導(dǎo)彈知道系統(tǒng)到民用的消費(fèi)電子、智能家電、汽車，嵌入式系統(tǒng)無處不在。2、嵌入式處理器通用計(jì)算機(jī)處理器的系統(tǒng)擁有大量的應(yīng)用編程資源、外設(shè)接口總線及

17、先進(jìn)的高速緩存邏輯，但也具有能源消耗大、產(chǎn)生熱量高、成本尺寸大等不可回避的問題，因此誕生了為各種專用應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特殊目的處理器嵌入式處理器，主要分為以下四類：嵌入式微處理器：在應(yīng)用中將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能而換來系統(tǒng)體積和功耗的大幅減小，在功能上保留和標(biāo)準(zhǔn)微處理器一致的同時(shí)更在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面得到增強(qiáng)。嵌入式微控制器：即單片機(jī)，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中，一般以某一微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線等必要功能和外設(shè)，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。嵌入式DSP處理器：對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于

18、執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度快，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。嵌入式片上系統(tǒng)：將通用處理器內(nèi)核作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述存儲(chǔ)在器件庫中，在定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)并仿真通過后即可制作樣品，大大優(yōu)化了系統(tǒng)電路板體積、功耗和可靠性。1.2 圖像采集技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.2.1 圖像采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖像采集是將圖像信息光電轉(zhuǎn)化成便于計(jì)算機(jī)傳輸、存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)的過程。圖像采集術(shù)在現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的方向是視頻應(yīng)用，早在上世紀(jì)無聲電影的出現(xiàn)便開啟了視頻應(yīng)用的時(shí)代，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及圖像處理、視頻壓縮等技術(shù)的不斷發(fā)展很大程度上擴(kuò)展了圖

19、像采集術(shù)在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域使用，并且面對(duì)多樣化的應(yīng)用方面出現(xiàn)了基于多種處理平臺(tái)的圖像采集系統(tǒng)?？偟膩碚f圖像采集系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理兩大模塊組成：光電轉(zhuǎn)換模塊：用來完成對(duì)成像光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其中的主要轉(zhuǎn)換器件從最早的光電二極管到現(xiàn)在的CCD、CMOS傳感器的時(shí)代；CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器，具有較高的信噪比和敏感度，功耗相對(duì)CMOS較大（3個(gè)以上電源電壓），主要應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)數(shù)碼產(chǎn)品；CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器，原本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要芯片，用來保存系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料，后來被人們應(yīng)用于影像傳感器領(lǐng)域。前期無論在信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等方面均不如CCD，主要應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)

20、業(yè)及高端圖像傳感領(lǐng)域。信號(hào)處理模塊：根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用級(jí)別、領(lǐng)域的不同而呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，如在工業(yè)檢測(cè)方面多用AVR單片機(jī)，在民用級(jí)生產(chǎn)生活中多用圖像采集卡和PC機(jī)，介于近年來嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域、民生生活方面都有了廣泛應(yīng)用：DSP：高工作頻率（500Mhz以上）、內(nèi)含乘法器、在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及指令進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的DSP處理器在視頻系統(tǒng)的應(yīng)用尤其深入，不足之處則是相對(duì)較高的成本投入及較少的外設(shè)接口；FPGA：在ASIC（特定用途集成電路）領(lǐng)域現(xiàn)今發(fā)展最為充分的平臺(tái)，用標(biāo)準(zhǔn)VHDL硬件設(shè)計(jì)語言便可實(shí)現(xiàn)對(duì)任何芯片的仿真制造，特別善于對(duì)數(shù)字信號(hào)的邏輯處理；ARM：近年來隨著工作頻率和功能模塊嵌入種類的

21、不斷提升，及特有的小體積、低功耗、接口豐富的特點(diǎn)在圖像采集乃至視頻監(jiān)控領(lǐng)域嶄露頭角。1.2.2 嵌入式圖像采集系統(tǒng)CMOS圖像傳感器內(nèi)部集成了A/D，且隨著近幾年的不斷發(fā)展，分辨率也不斷提高，集成化程度高、功耗低、體積小的特點(diǎn)更使得CMOS模塊在消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)中的 、數(shù)碼相機(jī)等大放異彩。結(jié)合了圖像采集系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)的利弊特點(diǎn)，人們逐漸將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于圖像采集領(lǐng)域，充分將嵌入式技術(shù)的專用性、便攜性等特征在圖像采集方面得到體現(xiàn)，也帶來了圖像采集技術(shù)在工業(yè)計(jì)量、生物醫(yī)學(xué)、多媒體等多領(lǐng)域上的飛速發(fā)展?，F(xiàn)今較為常用的嵌入式圖像采集方案主要有以下3種：1、圖像傳感器 + FPGA + SRAM2、圖像傳

22、感器 + DSP + SRAM3、圖像傳感器 + ARM + SRAM方案1利用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）可以較為方便的實(shí)現(xiàn)圖像采集中多種同步信號(hào)的邏輯處理；方案2中的DSP（數(shù)字信號(hào)微處理器）所具有的高運(yùn)行速度、強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力使之在圖像采集領(lǐng)域最先得到發(fā)展；而相對(duì)于前面兩個(gè)方案，ARM開始在圖像采集領(lǐng)域并未得到很好的運(yùn)用，但近幾年尤其在工業(yè)檢測(cè)、便攜圖像采集等方向越來越得到人們的重視，隨著嵌入式制造工藝的飛速發(fā)展，ARM的工作頻率、數(shù)據(jù)處理能力也得到大幅提高，加上其含有豐富的接口模塊，非常適合用于在工業(yè)監(jiān)控、檢測(cè)方面。1.3 課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)的主要目的是構(gòu)建基于ARM的圖像采集系

23、統(tǒng)，在滿足共焦光路需求的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的靜態(tài)圖像采集。論文研究的內(nèi)容主要由硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)三大部分構(gòu)成，具體如下：1、硬件設(shè)計(jì)：首先根據(jù)課題需要選擇合適圖像傳感器件及嵌入式平臺(tái)，其次完成具有圖像數(shù)據(jù)緩沖、CMOS傳感器控制及CMOS高頻同步信號(hào)快速捕獲的接口電路設(shè)計(jì)，最后完成便攜系統(tǒng)與上位機(jī)的調(diào)試模塊接口設(shè)計(jì)。2、軟件設(shè)計(jì)：基于各個(gè)硬件模塊完成相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，以完成ARM和CMOS的初始化、緩沖采集模塊的驅(qū)動(dòng)，及原始圖像數(shù)據(jù)陣列的插值轉(zhuǎn)化。3、實(shí)驗(yàn)：首先測(cè)試系統(tǒng)硬件連接是否正確無誤，其次分模塊的加入驅(qū)動(dòng)軟件驗(yàn)證各功能模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，包括ARM對(duì)CMOS配置實(shí)驗(yàn)、數(shù)

24、據(jù)SDRAM存儲(chǔ)讀寫實(shí)驗(yàn)、圖像采集有效像素點(diǎn)數(shù)實(shí)驗(yàn)、ARM采集與LCD顯示速率匹配實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)系統(tǒng)總體的靜態(tài)圖像采集進(jìn)行錯(cuò)幀率實(shí)驗(yàn)，從而先分后總的驗(yàn)證系統(tǒng)圖像采集工作的正確性、可靠性。第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)CMOSARM開發(fā)板2.1 圖像采集系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 1 系統(tǒng)工作流程圖圖2-1為本圖像采集系統(tǒng)的工作流程圖。CMOS上位機(jī)調(diào)試模塊SCCB總線控制數(shù)據(jù)采集模塊存儲(chǔ)顯示模塊ARM7TDMI并行共焦光學(xué)系統(tǒng)為系統(tǒng)光學(xué)成像源，圖像捕獲模塊選用CMOS圖像傳感器OV7620，控制、處理顯示模塊選用ARM7開發(fā)板SMART2400，軟件開發(fā)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試

25、平臺(tái)用PC機(jī)完成。由圖可以初步了解嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)的整個(gè)流程：當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)成像完成，用CMOS圖像傳感器完成對(duì)圖樣的獲取，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖后進(jìn)入ARM開發(fā)板進(jìn)行差值處理，進(jìn)而直接在內(nèi)部存儲(chǔ)、顯示。期間可通過串口連接到PC機(jī)進(jìn)行調(diào)試、處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2。圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)核心器件概述2.2.1 基于ARM7TDMI的LPC2478開發(fā)板1 ARM簡(jiǎn)介ARM（Advanced RISC Machines）公司是一家知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，與一般的半導(dǎo)體公司最大不同是ARM公司只通過轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)方案，由合作伙伴公司生產(chǎn)各色芯片來實(shí)

26、現(xiàn)企業(yè)價(jià)值，自身并不向終端用戶售賣實(shí)體芯片。ARM公司利用這種雙贏的伙伴關(guān)系飛速成為了全球RISC微處理器標(biāo)準(zhǔn)締造者，該模式同樣使得用戶大為受惠，當(dāng)用戶掌握一種ARM內(nèi)核結(jié)構(gòu)及開發(fā)手段邊可以使用購(gòu)買ARM公司的其他伙伴公司生產(chǎn)出的相同ARM內(nèi)核的芯片。ARM架構(gòu)是ARM公司面對(duì)市場(chǎng)設(shè)計(jì)首款低成本、低功耗的RISC微處理器，其具有非常高的性價(jià)比和代碼密度以及出色的實(shí)時(shí)終端響應(yīng)，并且芯片料件占用硅片面積極少，因此成為嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，應(yīng)用范圍充斥在消費(fèi)電子、工業(yè)測(cè)量控制、醫(yī)療器件診斷等多種產(chǎn)業(yè)，帶來了無可估量的價(jià)值。2 LPC2400系列ARM概述LPC2400系列ARM一款具有極高集成度并且

27、以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的微控制器，支持支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤，處理器時(shí)鐘為72MHz。LPC2400系列ARM為多種類型的通信應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。它包括1個(gè)10/100以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、1個(gè)帶4KB終端RAM的USB全速設(shè)備/主機(jī)/OTG控制器、4個(gè)UART、2路CAN通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口（SSP）、3個(gè)IIC接口和1個(gè)IIS接口。同時(shí)還帶有1個(gè)4MHz的片內(nèi)振蕩器、98KB RAM（包括64KB局部SRAM、16KB以太網(wǎng)SRAM、16KB GPDMA SRAM和2KB電池供電SRAM）以及1個(gè)外部存儲(chǔ)器控制器（EMC）來支持上述的各種串行通

28、信接口。這些特性使得本設(shè)備非常適用于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器。除此以外，還有許多串行通信控制器、多用途的時(shí)鐘功能和存儲(chǔ)器特性，包括有不同的32位定時(shí)器、增強(qiáng)型告訴GPIO。LPC2400系列ARM鏈接64個(gè)GPIO管腳到基于硬件的向量中斷控制器（VIC），這表示了這些外部輸入可產(chǎn)生邊沿觸發(fā)終端。所有的這些特性使LPC2400系列ARM特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。LPC2400系列的主要特性有：ARM7TDMI-S處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)72MHZ。512KB片上Flash程序存儲(chǔ)器，具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能。Flash程序存儲(chǔ)器位于ARM局部總線，可用于高性能的CPU訪問。

29、有雙AHB總線系統(tǒng)（Dual AHB System）。這使得某一外設(shè)資源的存取操作、程序執(zhí)行操作可以和另一外設(shè)資源的存取操作和程序執(zhí)行操作并行不悖，從而使得各高頻外設(shè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)而不引起總線堵塞。EMC支持諸如RAM、ROM和Flash的異步靜態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)備以及動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)備（例如SDRAM）。先進(jìn)的向量中斷控制器（VIC），支持多達(dá)32個(gè)向量中斷。僅LPC2470/78：LCD控制器，支持STN和TFT顯示屏的顯示有專用的DMA控制器可選擇顯示分辨率（最高可達(dá)1024768像素）。支持高達(dá)24位的真彩色模式串行接口：Ethernet MAC帶有MII/RMII接口和相關(guān)的DMA控制器，這些功能位

30、于獨(dú)立的AHB總線上USB2.0全速雙端口設(shè)備/主機(jī)/OTG控制器，帶有片內(nèi)PHY和相關(guān)的DMA控制器4個(gè)帶小數(shù)波特率發(fā)生功能的UART。其中1個(gè)帶有Modem控制I/O，還有一個(gè)帶有IrDA。除此之外，全部UART都帶有FIFO3個(gè)I2C總線接口（1個(gè)開漏管腳，另外2個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)輸出管腳）CAN控制器，帶有兩個(gè)通道其他外設(shè)，包括10位AD、2個(gè)PWM模塊、RTC等。3 LPC2400系列ARM體系架構(gòu)LPC2400系列ARM是由支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、用于緊密耦合并高速訪問片內(nèi)主要存儲(chǔ)器的ARM7局部總線、連接到高速片內(nèi)外設(shè)和外部存儲(chǔ)器的AMBA(Advanced Microco

31、ntroller Bus Architecture) AHB4 HYPERLINK :/epub t result2 周彩寶， HYPERLINK :/epub t result2 劉應(yīng)學(xué)， HYPERLINK :/epub t NewBriefDetail ARM體系以及AMBA總線分析J. HYPERLINK :/epub t result2 計(jì)算機(jī)工程，2003，以及連接到其他片內(nèi)外設(shè)功能的AMBA APB5 HYPERLINK :/epub t result2 周彩寶， HYPERLINK :/epub t result2 劉應(yīng)學(xué)， HYPERLINK :/epub t NewBrie

32、fDetail ARM體系以及AMBA總線分析J. HYPERLINK :/epub t result2 計(jì)算機(jī)工程，2003，構(gòu)成的.LPC2400系列ARM始終按照小端字節(jié)順序進(jìn)行配置。LPC2400系列ARM具有兩個(gè)AHB總線，這使得以太網(wǎng)模塊的操作不受其它系統(tǒng)操作的干涉：第一個(gè)AHB成為AHB1，包含VIC（中斷向量控制器）、GPDMA控制器和EMC；第二個(gè)AHB成為AHB2，它只包含以太網(wǎng)模塊和一個(gè)相關(guān)的16KB SRAM。另外，該處理器還提供一個(gè)總線橋接器，允許第二個(gè)AHB作為AHB1的總線主機(jī)，還允許把以太網(wǎng)緩沖區(qū)的擴(kuò)展空間延伸到片外存儲(chǔ)器、或者是AHB1所在的未使用存儲(chǔ)空間。L

33、PC2400系列ARM的結(jié)構(gòu)框圖見圖2-3，由于開發(fā)板所含模塊較多，只列出與本系統(tǒng)相關(guān)的模塊。高速GPIO160引腳SRAMJTAGARM7TDMIAHB橋AHB橋PLL系統(tǒng)功能內(nèi)部RC振蕩器系統(tǒng)時(shí)鐘VICSRAMEMCAHB2AHB1AHB到APB橋LCD外部中斷定時(shí)器IICAHBAPB圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 3 LPC2400開發(fā)板功能模塊圖2.2.2 OV7620圖像傳感器1 CMOS概述CMOS（Complementary Metal-Oxid Semiconductor）全稱是互補(bǔ)性氧化金屬板導(dǎo)體，與CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器的作

34、用相似，都是使用高感光度的半導(dǎo)體材料制成，其作用是把光子信號(hào)轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的電荷信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及其他相關(guān)處理芯片變成易于傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示的數(shù)字信息或模擬信息。與CCD的由馬賽克網(wǎng)格、聚光鏡片及底部鋪墊電子線路矩陣的結(jié)構(gòu)不同，CMOS的機(jī)理和一般計(jì)算機(jī)芯片幾乎無差，即利用硅、鍺這兩種元素組成半導(dǎo)體，并使其在CMOS上共存著帶N（負(fù)電）和P（正電）級(jí)的半導(dǎo)體，以上兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片轉(zhuǎn)化、壓縮、解讀成影像，原理圖如圖2-4：圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 4 CMOS傳感器原理圖由圖可看出，感光元件的核心結(jié)構(gòu)上每個(gè)單位像素點(diǎn)均由一個(gè)感光電極、一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換

35、單元、一個(gè)信號(hào)傳輸晶體管及一個(gè)信號(hào)放大器所組成。當(dāng)CMOS感受到光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上正負(fù)電荷，由互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)（電流或電勢(shì)差）被CMOS逐個(gè)從像素中順次提取到外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于在早期的設(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化圖像時(shí)，因?yàn)殡娏髯兓^于頻繁會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象導(dǎo)致CMOS容易出現(xiàn)雜點(diǎn)，但在近年來人們的不斷努力下已經(jīng)對(duì)CMOS技術(shù)作出了革命性變更設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了片面消除噪點(diǎn)技術(shù)、全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)、傳感器模擬處理技術(shù)等不斷更新CMOS圖像傳感技術(shù)并取得相當(dāng)好的效果。2 OV7620簡(jiǎn)介由第一章可知課題所設(shè)計(jì)的是一種能夠識(shí)別256灰階黑白的靜態(tài)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)，考慮嵌入式ARM7的LPC

36、2478開發(fā)板LCD分辨率（320*240）、最大bpp（bit per pixer）不超過24位的硬件限制，選取了OmniVision公司的OV7620 CMOS圖像傳感器。OV7620是一款具有較高分辨率（640*480）、逐行/隔行掃描模式可選的CMOS彩色/黑白數(shù)字圖像傳感芯片。數(shù)字輸出端口支持RGB RAW/YUV的8/16bpp數(shù)字格式輸出。其中的SCCB編程模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭功能寄存器的控制。1） OV7620性能與引腳OV7620性能參數(shù)如下：326，688像素點(diǎn)，1/3英寸，VGA/QVGA分辨率格式輸出信 噪 比： 48 dB最低照度：2.5 lux at f1.4 (3

37、000k)掃描模式：逐行掃描/隔行掃描數(shù)字格式：YcrCb 4:2:2，GRB 4:2:2，RGB Raw Data8/16 bit視頻數(shù)據(jù)：CCIR601,CCIR656規(guī)范，ZV端口輸出SCCB（Serial Camera Control Bus）接口電子曝光/增益/白平衡控制圖像增強(qiáng)：亮度，對(duì)比度，伽馬，飽和度內(nèi)/外部同步設(shè)計(jì)幀曝光/行曝光可選5伏系統(tǒng)，低功耗OV7620采用48腳LCC封裝，其引腳排列如圖2-5，管腳功能描述如表2-1所示。引腳編號(hào)引腳名稱描述1SVDD感應(yīng)電源（5V）2RESET芯片復(fù)位（高復(fù)位）3AGCEN自動(dòng)增益控制使能4FREX幀曝光控制輸入5、10VrEQ/V

38、rS內(nèi)部參考電壓（需對(duì)地接0.1uF電容）6、7、15、43AGND模擬地8、14、44AVDD模擬電源（5V）11VcCHG內(nèi)部參考電壓（需對(duì)地接1uF電容）12SBB為0選擇SCCB編程模式13VTO視頻模擬輸出（NTSC）16VSYNC垂直同步信號(hào)（低電平表征一幀圖有效）17FODD行場(chǎng)同步信號(hào)18HREF水平參考輸出（控制開窗大小）1926UV07數(shù)字輸出UV通道27、28XCLK1/2分別是片上輸入/輸出視頻振蕩器29DOVDD數(shù)字電源（5V）30、31DGND數(shù)字地32DOVDD數(shù)字IO口電源引腳（5V/3.3V）33PCLK像素時(shí)鐘輸出（高電平數(shù)據(jù)有效）3441Y0Y7數(shù)字輸出Y

39、通道42CHSYNC復(fù)合同步信號(hào)45SIO-1SCCB串行時(shí)鐘輸入46SIO-0SCCB串行數(shù)據(jù)表2- SEQ 表2- * ARABIC 1 OV7620管腳功能描述表圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 5 OV7620引腳圖2） OV7620內(nèi)部結(jié)構(gòu)OV7620內(nèi)部集成一個(gè)664*492分辨率的圖像陣列，一個(gè)模擬信號(hào)處理器（mux），雙10bit的A/D轉(zhuǎn)換器，模擬視頻多路復(fù)用器（analog processing），數(shù)字格式器（digital data formatter）及視頻端口，SCCB接口及其寄存器。其中數(shù)字控制包括時(shí)序模塊、曝光模塊和白平衡。圖像傳感芯片OV7620的內(nèi)部功

40、能模塊圖如圖2-6。圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 6 OV7620內(nèi)部原理框圖OV7620正常工作時(shí)，圖像的光電轉(zhuǎn)化在1/3英寸的感光元件上完成，同時(shí)在圖2-6左下方的視頻時(shí)序發(fā)生模塊包含的各種同步信號(hào)（如VSYNC、HREF、PCLK）控制模擬信號(hào)處理器，定時(shí)的對(duì)感光陣列下方的感應(yīng)電路行列像素點(diǎn)進(jìn)行捕獲，與此同時(shí)框圖右下方的受SCCB接口編程控制的寄存器模塊對(duì)模擬信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)格式控制，可選進(jìn)入不同數(shù)據(jù)輸出格式的多路復(fù)用器（mx），進(jìn)而通過數(shù)字端口（Y/UV通道）或模擬測(cè)試端口（VTO）輸出。3） OV7620圖像采集方法CMOS圖像陣列的設(shè)計(jì)是建立在逐行傳送的掃描場(chǎng)讀出系統(tǒng)和

41、帶同步像素讀出電路的電子快門之上6 嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)的研究與開發(fā)11 OmniVision Serial Camera Control Bus（SCCB）Fu12 王慶友.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù) 北京：電子工業(yè)出版社，2003.9 p224。電子曝光控制算法規(guī)范則是建立在目標(biāo)圖像亮度基礎(chǔ)上，即當(dāng)背景光線在圖像傳感器正常范圍內(nèi)時(shí)，一般結(jié)果會(huì)比較理想；而當(dāng)景象光線接近極限值甚至超出，則應(yīng)該通過AEC自動(dòng)曝光控制器的黑白比調(diào)節(jié)并使之滿足應(yīng)用要求。OV7620與輸出圖像數(shù)據(jù)相關(guān)的有4路同步信號(hào)：垂直同步信號(hào)VSYNC、水平參考同步信號(hào)HREF、像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK、奇偶場(chǎng)同步信號(hào)FODD。其中FODD一

42、般用于隔行掃描中，二分頻即為VSYNC，在本設(shè)計(jì)中不予考慮。圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 7 OV7620同步信號(hào)時(shí)序圖各同步信號(hào)時(shí)序如圖2-7。一般的圖像采集方法是依靠VSYNC、HREF和PCLK3個(gè)同步信號(hào)來提示MCU捕獲有效的圖像數(shù)據(jù)，大致的流程為：VSYNC用來判斷一幀圖像數(shù)據(jù)的開始，其上升沿表示的是一幀圖像的到來，之后的下降沿則提示外部電路一幀有效圖像數(shù)據(jù)開始；HREF是判斷一行有效像素?cái)?shù)據(jù)的依據(jù)，高電平時(shí)Y和UV通道才輸出有效數(shù)據(jù)，通過示波器觀察，HREF與HSYNC（水平同步信號(hào)）頻率及波形幾近相同，選用HREF而非HSYNC來判斷一行有效數(shù)據(jù)，是考慮到對(duì)OV762

43、0修改HREF，還可更改OV7620輸出圖像的開窗大小，使采集系統(tǒng)具有更大的靈活性和適用性；PCLK則是判斷一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)有效的信號(hào)，其每個(gè)負(fù)跳沿驅(qū)動(dòng)圖像傳感器更新圖像數(shù)據(jù)并在正跳沿時(shí)穩(wěn)定。值得注意的是，相對(duì)其他同步信號(hào)及外部微控制器，PCLK的頻率很高，而且通過示波器查看其波形呈現(xiàn)三角波，高電平即有效數(shù)據(jù)時(shí)間段很窄，而PCLK又是直接與每個(gè)像素的數(shù)據(jù)掛鉤，因此此處需要用特殊方法，具體在本章第四節(jié)及下章討論。2.3 圖像采集系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)由圖可以看出，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為以下模塊進(jìn)行：SCCB控制模塊圖像數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)緩沖同步信號(hào)捕獲存儲(chǔ)顯示模塊FLASH和SDRAM的存儲(chǔ)接口LCD顯示上位機(jī)串

44、口調(diào)試模塊以下便分別對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行論述。2.3.1 SCCB控制模塊1 SCCB總線概述SCCB（Serial Camera Control Bus）串行攝像控制總線是OmniVision公司開發(fā)的一種專門用于其CMOS攝像頭/模塊的串行總線。SCCB總線分為兩線模式和三線模式，在精簡(jiǎn)引腳封裝的CMOS芯片上一般使用兩線模式，以下討論不作說明均為兩線SCCB總線。SIO_CSIO_D圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 8 SCCB總線典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)SCCB總線使用兩條線（串行數(shù)據(jù)SIO_C，串行時(shí)鐘SIO_D）連接到總線上的任何一個(gè)器件，每個(gè)器件有著唯一的地址，并且都可以作為一個(gè)發(fā)送器

45、和節(jié)后器。發(fā)送器：本次傳送發(fā)數(shù)據(jù)（不包括地址和命令）到總線的器件接收器：本次傳送從總線接受數(shù)據(jù)（不包括地址和命令）的器件主機(jī)：初始化發(fā)送、產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和終止發(fā)送的器件，可以是發(fā)送器或接收器。主機(jī)通常是微控制器從機(jī)：被主機(jī)尋址的器件，可以是發(fā)送器或接收器OV7620本身可以設(shè)置為主機(jī)模式和從機(jī)模式，考慮傳感器內(nèi)部各功能寄存器的配置修改，因此將OV7620視為從機(jī)，將ARM視為主機(jī)，SCCB總線的典型結(jié)構(gòu)如圖2-8。SCCB總線協(xié)議基于IIC協(xié)議開發(fā)，可以將兩線SCCB看成是IIC總線協(xié)議的子集，但要注意軟件設(shè)計(jì)時(shí)與IIC的區(qū)別，此問題將在第三章軟件設(shè)計(jì)中討論。2 SCCB總線接口設(shè)計(jì)圖2- SE

46、Q 圖2- * ARABIC 9 SCCB總線接口電路圖LPC2478開發(fā)板內(nèi)部有IIC模塊及高速GPIO引腳模塊，完成對(duì)OV7620的控制有兩種方式：一是直接用IIC模塊接口來實(shí)現(xiàn)控制；二是將兩個(gè)GPIO引腳連接SCCB總線，用軟件模擬總線協(xié)議的方式完成對(duì)圖像傳感器的寄存器配置。由于SCCB與IIC的微細(xì)區(qū)別，即在讀數(shù)據(jù)時(shí)SCCB多了一個(gè)總線停止的條件，直接用IIC模塊讀數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)謬誤，所以選用第二中方法，即用GPIO軟件模擬控制SCCB。設(shè)計(jì)雖然摒棄了LPC2478的IIC模塊控制的方法，但可以利用其中的IIC0接口（引腳），因?yàn)長(zhǎng)PC2478的GPIO只有這兩個(gè)端口是開漏輸出，符合整個(gè)I

47、IC規(guī)范及SCCB協(xié)議。值得注意的是驅(qū)動(dòng)SCCB的SCL、SDA應(yīng)上拉2K5K的電阻，SCCB總線接口電路如圖2-9。 圖像數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)ARM完成了對(duì)CMOS的寄存器配置后，正常上電的情況下，OV7620的同步信號(hào)端口VSYNC、HREF、PCLK及數(shù)據(jù)通道Y、UV便會(huì)連續(xù)不斷的輸出各種同步信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)，如果直接用ARM的GPIO口對(duì)Y、UV通道采集數(shù)據(jù)效率會(huì)非常低，采集一個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)（8/16bit）會(huì)讓ARM浪費(fèi)許多等待時(shí)間，因此還需要緩沖器件的幫助。由于一般的MCU工作頻率不會(huì)高于圖像傳感器太多，取得一個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)這一線程算上中斷響應(yīng)、中斷延時(shí)、程序執(zhí)行的時(shí)間很難在兼顧采集時(shí)間的同時(shí)

48、采滿一幀圖像，所以通常會(huì)采取一定的方法使CMOS與MCU相互匹配起來，達(dá)到最好的采集效率。常用的圖像數(shù)據(jù)緩沖方法大致總結(jié)為以下三條：一、通過SCCB配置OV7620里面的時(shí)鐘控制寄存器（Clock rate control）對(duì)OV7620進(jìn)行大幅降頻處理，用MCU中斷捕獲降頻后的PCLK進(jìn)行采集。二、在CMOS和MCU中加74HC573鎖存器作為緩沖器件，對(duì)圖像數(shù)據(jù)每一像素?cái)?shù)據(jù)（8或16bit）進(jìn)行鎖存達(dá)到緩沖目的。三、用FIFO器件作為緩沖。方法一在犧牲采集速率的情況下可以獲得較多有效像素點(diǎn)的采集，方法二則是犧牲部分有效像素點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下獲得采集速率的提高，方法三比方法在速率犧牲較少的同時(shí)能

49、夠采集更多的有效像素點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的，權(quán)衡采集速率及圖像清晰度（與有效像素點(diǎn)個(gè)數(shù)成正比關(guān)系），本設(shè)計(jì)中選用專門用于圖像數(shù)據(jù)緩沖的FIFO芯片AL422作為圖像數(shù)據(jù)的緩沖，配合適當(dāng)配置圖像傳感器的時(shí)鐘控制模塊，結(jié)合起來使圖像像素點(diǎn)個(gè)數(shù)與采集時(shí)間達(dá)到最好的平衡。1 緩沖電路設(shè)計(jì)圖像數(shù)據(jù)緩沖部分的核心芯片AL422緩沖芯片是一款緩存容量大小為393,216字*8 bit的FIFO，內(nèi)部集成的3M-bit的DRAM附帶相應(yīng)的控制器，使之具有友好的硬件接口。現(xiàn)今多數(shù)的緩沖芯片由于內(nèi)部存儲(chǔ)空間限制不能做大容量數(shù)據(jù)的緩存，而專為高清視頻/圖像系統(tǒng)定制的AL422內(nèi)部集成了較大存儲(chǔ)量的DRAM，使其可以直

50、接保存一幀（最大分辨率720*480）圖像數(shù)據(jù)，更提供了50%以上的內(nèi)存支持視頻/圖像方面的應(yīng)用，因此這款A(yù)L422特別適合于與圖像數(shù)據(jù)有關(guān)采集、處理方面的應(yīng)用。器件特點(diǎn)：384K（393，216）*8 bits FIFO結(jié)構(gòu)支持VGA，CCIR，NTSC，PAL和HDTV圖像分辨率緩沖獨(dú)立的讀/寫操作（高速I/O數(shù)據(jù)傳輸速率）高速一部串行通道讀/寫周期：20ns數(shù)據(jù)存取時(shí)間：15ns輸出使能控制自刷新AL422芯片的引腳描述見表2-2：表2- SEQ 表2- * ARABIC 2 AL422引腳描述表引腳名稱引腳號(hào)輸入/輸出類型功能描述DI0DI714,1114輸入數(shù)據(jù)輸入WCK9輸入寫周期

51、/WE5輸入（低有效）寫使能/WRST8輸入（低有效）寫復(fù)位DO0DO71518，2528輸出數(shù)據(jù)輸出RCK20輸入讀時(shí)鐘/RE24輸入（低有效）讀使能/RRST21輸入（低有效）讀復(fù)位/OE22輸入（低有效）輸出使能TST7輸入測(cè)試引腳（下拉）VDD10DEC/VDD19退耦輸入GND6,23地圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 10 緩沖電路原理圖緩沖電路原理圖如上圖，AL422緩沖器件接受和釋放數(shù)據(jù)靠WCK、/WE、/WRST、RCK、/RE、/RRST引腳的相互配合完成?？紤]圖像采集系統(tǒng)可以對(duì)靜態(tài)黑白、彩色圖像均可進(jìn)行采集，用兩片AL422搭建成緩沖模塊。其中WCK寫周期引腳與O

52、V7620的PCLK相連（此做法可以規(guī)避用效率不高的中斷嵌套方式捕獲高頻PCLK而采集圖像的方法，直接用PCLK觸發(fā)FIFO鎖存數(shù)據(jù)的方式很快采集到一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)），TST測(cè)試引腳外接下拉電阻下拉，DEC腳接104pF的退耦電容。2 同步信號(hào)捕獲電路設(shè)計(jì)由本章2.2.2可以了解到，對(duì)一幀有效圖像的獲取質(zhì)量好壞直接與MCU捕獲三個(gè)同步信號(hào)VSYNC、HREF和PCLK的效率，在硬件本身的限制范圍內(nèi)盡可能用合適的軟硬件設(shè)計(jì)方法來完成。VSYNC垂直同步信號(hào)為表征一幀圖像數(shù)據(jù)的到來，且低電平有效，可以直接與ARM的一個(gè)外部中斷引腳相接（LPC2400的向量中斷控制器VIC有32個(gè)中斷源，其中外部中斷E

53、INT0T3占據(jù)1417通道），此處選擇與EINT0的p2.10連接；HREF水平參考同步信號(hào)用來表征一行有效圖像數(shù)據(jù)的到來。圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 11 同步信號(hào)捕獲原理圖為了避免使用采集效率較低的中斷嵌套的方法，在充分了解同步信號(hào)捕獲關(guān)系及緩沖芯片AL422讀寫觸發(fā)時(shí)序端口的基礎(chǔ)上，直接將HREF同步引腳取反輸出給緩沖FIFO的/WE寫使能腳（為了方面軟件控制，設(shè)計(jì)將LPC2478一個(gè)GPIO P3.25和HREF相與后取反接FIFO），如此既使得ARM可以軟件編程控制FIFO的寫入數(shù)據(jù)使能端口，又可以在極短的時(shí)間（50ns內(nèi)）內(nèi)完成對(duì)HREF的觸發(fā)響應(yīng)；同樣的，將PCL

54、K像素時(shí)鐘同步引腳與FIFO的WCK寫使能端口，當(dāng)PCLK高電平時(shí)則拉高WCK將有效圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO。值得注意的是，OV7620為5V/3.3V可選電源系統(tǒng)，為了與LPC2400的3.3V接口電壓匹配應(yīng)把DOVDD跳線跳在3.3V且在外部供給DOVDD3.3V電壓。同步信號(hào)接口電路如圖2-11： 存儲(chǔ)、顯示模塊1 存儲(chǔ)模塊程序在嵌入式設(shè)備中一般有兩種加載（load）模式：一種是在配套軟件開發(fā)平臺(tái)的程序直接下載目標(biāo)板的ROM或FLASH存儲(chǔ)器中進(jìn)行；另一種則是加載到目標(biāo)板外接的SDRAM中運(yùn)行。在本文的軟件開發(fā)平臺(tái)ADS（Arm Development Suit）中均是可選的，一般來說都是加

55、載到LPC2478內(nèi)部的Flash中。Flash主要分為NOR Flash和NAND Flash兩個(gè)類別。從擦寫速度上來看，NAND Flash的讀寫編程操作是以“頁”為單位進(jìn)行，擦出操作以“塊”為單位，且擦除的單元面積小、擦除電路少，因此擁有較快的編程、擦出能力；從執(zhí)行代碼效率來看，NOR芯片內(nèi)部執(zhí)行應(yīng)用程序可以直接在閃存中進(jìn)行而不必將代碼讀入系統(tǒng)RAM中，且傳輸效率高，在14MB應(yīng)用很高的成本效益；從容量和成本的角度來看，NAND Flash的單元尺寸將近是NOR的一半，生產(chǎn)過程的簡(jiǎn)化更使其具有更高的性價(jià)比；考慮系統(tǒng)在開發(fā)板自帶320*240像素尺寸的LCD顯示圖像時(shí)，每幀圖像大小約為75

56、KB，因此在LPC2478自身集成了SST公司512KB的NOR Flash芯片后，選配了HY公司32MB的NAND Flash芯片HY57V561620CLT-HI。圖2-12為SST39VF1601和HY57V561620CLT-HI與LPC2478的接口硬件圖。圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 12 NOR Flash、NANDFlash與LPC2478接口將LPC2478的EMC（片外存儲(chǔ)器控制器）A12:0與SDRAM地址線A0A12相連，A14:13與SDRAM的Bank選擇信號(hào)BA0、BA1連接用以對(duì)SDRAM的4個(gè)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行選擇，16位半字?jǐn)?shù)據(jù)線與輸出數(shù)據(jù)線DQ0DQ

57、15相連，片選位LnSDCS0、行列選通位LnSDRAS、CAS分別與SDRAM的nSCS、nSRAS、nSCAS連接，剩下的時(shí)鐘信號(hào)位CLKOUT等也分別連好，如此便完成了ARM與SDRAM的硬件連接，可將SDRAM當(dāng)做ARM的一個(gè)SRAM來適用，值得注意的是LPC2478的只有最多256MB的片外存儲(chǔ)空間，不可超出。2 顯示模塊設(shè)計(jì)選用了與LPC2478的LCD控制器適配的320*240 LCD屏，屏內(nèi)集成了TFT液晶顯示控制芯片SSD1289的。SSD1289是一款包含電源管理、液晶驅(qū)動(dòng)、顯示緩沖區(qū)等諸多功能于一身的單芯片液晶控制器，內(nèi)部顯示緩沖區(qū)擁有高速讀寫能力。圖2- SEQ 圖2-

58、 * ARABIC 13 LCD模塊與LPC2478接口電路圖圖2-13接口電路采用的是RGB色彩空間5:6:5的接法。LPC2478的P1.26P1.29、P2.13接SSD1289的數(shù)據(jù)線D11D15，作為B（藍(lán)）分量數(shù)據(jù)通道；P1.20P1.25接D5D10作為G（綠）分量數(shù)據(jù)通道；P2.6P2.9、P4.29接D0D4作為R（紅）分量通道；剩下的控制信號(hào)LCDPWR、LCDM及同步信號(hào)LCDFP、LCDLE、LCDFP對(duì)應(yīng)的與SSD1289相連。2.3.4 UART串口通訊模塊圖2- SEQ 圖2- * ARABIC 14 串行接口硬件電路圖為了實(shí)現(xiàn)圖像采集系統(tǒng)與ARM及上位機(jī)的數(shù)據(jù)通

59、訊，需要一種通用的總線接口來實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)了UART串行通訊模塊模塊。針對(duì)PC機(jī)典型的9針RS-232C電平串行接口，模塊選用了MAX232CWE芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232CWE芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+V單電源供電，芯片分為三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路，由1、3、4、5腳及電容C12、C13構(gòu)成，功能是產(chǎn)生正負(fù)12V兩個(gè)電源提供給RS-232電平需要；第二部分是兩組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道用以串口總線數(shù)據(jù)的輸入輸出，710腳為第一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，1114為第二組通道，此處只用第二組。第三部分是供電部分。RS-232C串口的接線方式有全串口連接（帶Modem接口）和3線連接等方式，此調(diào)試通訊模塊只需完成對(duì)所采集的圖像幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，只需采用較簡(jiǎn)潔的3線連接方式，硬件電路圖如圖2-14。2.5 本章小結(jié)本章結(jié)合系統(tǒng)所涉及硬件平臺(tái)，首先介紹了選用的核心器件OV7620圖像傳感器和ARM開發(fā)板LPC2478的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能模塊，進(jìn)而分模塊的介紹了包括SCCB控制模塊、圖像采集模塊、存儲(chǔ)顯示模塊及上位機(jī)調(diào)試接口模塊的硬件接口電路設(shè)計(jì)的原理與方法。第三章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)是一個(gè)集合軟硬件的嵌入式便攜系統(tǒng)，如何能對(duì)靜態(tài)圖像信息進(jìn)行相對(duì)快速的捕獲、存儲(chǔ)和顯示以及利用PC對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分