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嵌入式系統(tǒng)數(shù)字圖像采集接口電路設(shè)計(jì)
（作者未知） 2009/10/18
內(nèi)容摘要：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，I/O接口和內(nèi)存直接寫入。在對(duì)采集速度要求不高的應(yīng)用中，I/O接口方法可以簡(jiǎn)化接口電路設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)資源。對(duì)于要求實(shí)時(shí)進(jìn)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(chǔ)區(qū)內(nèi)，實(shí)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(jì)
Abstract: In this paper, we present two different interfaces between digital a image sensors and a processor for embed systems, I/O mode and DMW (Direct Memory Write) mode. In I/O mode, processor can read image data through I/O port, and the interface is simple. In DMW mode, image data can be write into RAM directly while a processor is suspended.
Key words: Embed System, Image Capture, Electronic Circuit
一、引言
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，具有圖像功能的嵌入式應(yīng)用愈來愈多。從數(shù)碼相機(jī)、可視電話、多功能移動(dòng)電話等消費(fèi)產(chǎn)品到門禁、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部分之一。圖像采集需要進(jìn)行同步信號(hào)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(jì)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基礎(chǔ)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(hào)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(jì)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)成本。所以，通常嵌入式系統(tǒng)中要求自行設(shè)計(jì)圖像采集接口電路。本文針對(duì)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(jì)方法。
目前市場(chǎng)上主流的圖像傳感器有CCD、CMOS兩種器件，其中CMOS器件上世紀(jì)90年代產(chǎn)生，近年來得到了迅速發(fā)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(jì)時(shí)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(jì)與此類似，將在討論中說明。
本文內(nèi)容做如下安排：第二部分簡(jiǎn)述圖像信號(hào)的特點(diǎn)；第三、四部分分別介紹I/O和內(nèi)存直接寫入兩種接口設(shè)計(jì)方法；最后部分是討論。
二、圖像信號(hào)介紹
圖1給出了采樣時(shí)鐘(PCLK)和輸出數(shù)據(jù)（D）之間的時(shí)序關(guān)系。在讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)用PCLK鎖存輸出數(shù)據(jù)。除采樣時(shí)鐘（PCLK）和數(shù)據(jù)輸出(D)外，還有水平方向的行同步信號(hào)(HSYNC))和垂直方向的場(chǎng)同步信號(hào)（VSYNC）。對(duì)于隔行掃描器件，還有幀同步信號(hào)（FRAME）。如圖2，一幀包括兩場(chǎng)。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(wú)效。
PLCK存在時(shí)，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(chǎng)之間輸出數(shù)據(jù)無(wú)效，在采集圖像數(shù)據(jù)必須考慮同步信號(hào)，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(jì)
對(duì)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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，而且程序也很簡(jiǎn)單。但由于讀取每一個(gè)像素都要檢測(cè)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速度要求不高的應(yīng)用中，I/O接口方式是一個(gè)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(gè)鎖存器分別鎖存狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)，處理器通過兩個(gè)I/O端口分別讀取。圖3中，在采樣時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)鎖存器保存?zhèn)鞲衅鬏敵龅膱D像數(shù)據(jù)，當(dāng)處理器通過I/O口讀取圖像時(shí)，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(hào)和圖像就緒（Ready）指示信號(hào)。在數(shù)據(jù)鎖存器保存圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，狀態(tài)鎖存器產(chǎn)生Ready信號(hào)（從‘0’到‘1’）。處理器讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，Ready信號(hào)自動(dòng)清除（從‘1’到‘0’）。處理器讀取狀態(tài)時(shí)鎖存器驅(qū)動(dòng)總線，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(chǎng)圖像的第一行開始讀取，對(duì)于隔行掃描輸出的圖像則必須從一幀的第一行開始讀取。讀取每行圖像數(shù)據(jù)（未完，下一頁(yè)）
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