基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计与实现

机器视觉在国民经济、科学研究以及国防建设等领域都有着广泛的应用。在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉可以提高生产效率和自动化程度。图像采集系统是机器视觉系统的重要组成部分，目前图像采集常用的两种图像传感器为CCD与CMOS图像传感器。CCD一般输出带制式的模拟信号，需要经过视频解码器得到数字信号才能传入微处理器中，而CMOS图像传感器直接输出数字信号，可以直接与微处理器进行连接。不同的CMOS图像传感器有不同的性能，主要表现在图像分辨率大小不同、帧速率不同、曝光方式不同等，CMOS图像传感器可直接通过I2C来设置图像分辨率大小及曝光、增益等参数，而CCD图像传感器则需要对视频解码器进行设置来控制图像的曝光、增益等参数信息。相对于CCD图像传感器，CMOS图像传感器具有低功耗、小体积、高速数据传输和方便控制等优点，因此，CMOS图像传感器更适用于嵌入式系统应用中[1]。本文从实际应用出发，采用32位ARM9微处理器S3C2410A作为CPU来控制其他功能模块，设计实现面向机器视觉的CMOS图像采集系统，主要功能模块有SDRAM存储单元、图像采集单元、以太网传输模块、UART串口通信模块、Flash模块、电源模块等。与传统的"图像采集卡-PC-终端控制设备"模式的机器视觉系统相比，具有体积小、成本低、功耗低、实时性强、设计灵活等优点。

1 系统结构

典型的机器视觉系统一般包括图像采集模块、图像数字化模块、数字图像处理模块、光源系统、智能判断决策模块和机械控制执行模块[2]。其中图像采集和数字图像处理模块的速度是评价嵌入式视觉系统硬件设计的性能指标，文献[3～6]分别给出了目前常见的四种嵌入式视觉系统结构：(1)采用USB接口摄像头结构[3]：图像采集部分的硬件用USB接口的CMOS摄像头，摄像头应可与集成的USB的CPU接口直接相连。USB接口可以实现高速的串行通信，但USB摄像头要开发专门的驱动，大大增加了软件的开发量和难度。(2)引入异步FIFO结构[4]：在图像传感器和主控CPU间采用异步FIFO解决传感器输出数据频率和主控CPU采集频率不匹配的问题，当FIFO满时CPU再快速读取FIFO数据。异步FIFO可以是双口RAM或者在FPGA内开辟。

　(3)CPLD为核心的图像采集结构[5]：直接由CPLD根据图像传感器输出的时序信号，控制SRAM的读写，当一帧数据信息采集完毕后向CPU发送采集完毕信号；CPU需要对图像进行处理时，再通过CPLD到SRAM里读取数据。(4)由外部中断实现图像采集结构[6]：图像传感器的帧同步、行同步和像元同步信号分别与CPU的一个外部中断连接，CPU根据中断次数来判断一帧图像是否采集完成。

通过对几种方案的对比分析，综合实际应用及开发难度等因素，确定系统结构如图1所示，系统由图像采集、图像缓冲和图像处理三部分组成。在图像缓存中，CPLD将图像传感器采集的10位数据移位成32位，再通过外部请求DMA的办法，由主控CPU的DMA控制器将32位数据送到RAM保存。这样可以减少常见中低速图像采集的资源浪费，又避免了CPU响应滞后的缺点。

2 硬件设计

系统总体硬件结构图如图2所示。其中，图像采集器采用柯达公司的CMOS单色图像传感器KAC9638；图像的缓存由CPLD芯片XC95144和外扩SDRM(HY57V561620)组成；图像处理核心部分采用Samsung公司的ARM9(S3C2410A)，并外扩了UART、以太网通信接口、USB口及LCD人机接口，方便系统调试和与其他设备交换数据。

硬件系统工作流程是：(1)系统上电后ARM9通过I2C接口直接对图像传感器进行初始化，然后等待上位机命令；(2)接收到上位机命令后，ARM9先进行DMA初始化，然后向CPLD发送采集命令。CPLD启动图像采集并申请ARM9的DMA，将一帧图像的数据保存到ARM9的SDRAM中；(3)完成图像采集后ARM9进入DMA完成，进行图像处理并将结果通过串口输出。

2.1 存储器选择

S3C2410A芯片外部可寻址的存储空间是1 GB，被分成8个存储块，每块128 MB，各个存储块由片选信号nGCS0～nGCS7译码产生。数据总线引脚为DATA0～DATA31共32根，可配置成8 bit/16 bit/32 bit的数据宽度；地址总线引脚为ADDR0~ADDR26共27根，支持128 MB空间。S3C2410A是32位的微处理器，外部总线也是32位，要充分发挥其32位总线性能优势，应采用32位的存储系统。方法是采用两片16位数据宽度的Flash存储器芯片并联或一片32位数据宽度的Flash存储器芯片。本设计采用了两片Intel的E28F128J3A组成了16M×32bit的NOR Flash，其中一片为高16位，另一片为低16位。采用三星公司的两片半字SDRAM (HY57V561620)共同组成一个16 M×32 bit的SDRAM系统，提高了其与CPU的通信效率。

2.2 通信接口设计

2.2.1 UART及USB接口设计

S3C2410A的UART提供了三个独立的异步串行I/O口，每个串行口可以独立地工作在中断模式和DMA模式。UART使用系统时钟，支持最高230.4 kb/s波特率的数据通信。每个UART串行口提供两个16 B的FIFO分别用来做发送和接收缓冲。本系统采用MAX202芯片作为RS-232的接收器/驱动器，将UART0和UART1连接到9DB接头与DSP和PC通信。S3C2410A有2个USB主设备和1个USB从设备，USB设备控制器允许DMA模式的批量传输、中断传输和控制传输。在系统设计中，USB设备用来和PC机通信供调试用，因此使用从设备口(兼容USB Ver1.1标准)。

2.2.2 以太网接口电路设计

S3C2410A片上没有以太网口，因此必须外加以太网控制器才能扩展。系统采用16位以太网控制器CS8900A，该芯片的特点是：符合IEEE802.3标准，支持全双工收发可达10 Mb/s，内置SRAM收发缓冲，减轻了对主处理器的开销。以太网电路如图3所示，S3C2410A通过16位数据线，20位地址线连接CA8900A。片选信号为nGCS3，即将CS8900A的内部寄存器和帧缓冲区映射到S3C2410A的Band4中连续4 KB的存储区中，主机可以通过这个存储空间直接访问CS8900A的内部寄存器和帧缓冲区。CS8900A与RJ-45接口直接连接一个网络变压器，起到电平转换及电气隔离的作用。此外，CS8900A提供两种操作模式：I/O模式和内存模式，本系统通过CPLD选择其工作模式。


2.3 图像采集模块电路设计

图像传感器采用柯达公司生产的CMOS单色图像传感器KAC9638。KAC9638是高性能、低功耗、SXGA CMOS有源像元传感器，具有以下特点：(1)KAC9638是1/2英寸，1 024×1 280有效图像阵列的CMOS图像传感器，在满足应用场合所需的分辨率条件下，还具有良好的动态范围(55 dB)，最小照度(2.40/Lux-sec)等性能；(2)KAC9638内置10位的A/D转换器，直接输出8位或10位的数字灰度值，在保证精度的同时不需另外接A/D转换器，大大简化外围电路；(3)KAC9638具有良好的电源管理功能和低功耗特性。数据传送时芯片的总功耗为150 mW。此外，为进一步降低系统的功耗，芯片还具有可编程"上电"和"下电"模式。CMOS图像传感器目前普遍采用I2C总线，本系统通过S3C2410A的I2C总线与KAC9638的SCL、SDA连接。由S3C2410A直接完成对图像传感器的初始化。KAC9638内部嵌入了一个10位A/D转换器，因而可以同步输出10位的数字视频流，但是S3C2410A具有32位的外部总线，直接将10位数据接到总线上会造成资源浪费，降低CPU效率，因此，KAC9638和S3C2410A之间连接CPLD，由CPLD完成10位视频数据到32位的转换，图像采集接口电路结构框图如图4所示。

为使S3C2410A能像访问内存一样读取图像传感器的数据，将CPLD映射到S3C2410A的存储单元上。CPLD上的图像缓存片选信号nGCS4，地址映射到S3C2410A的Bank4，地址范围：0x20000000～0x27ffffff。实际只用其中的一个地址0x20000000(即DMA的源地址)。图像传感器由S3C2410A的clockout0引脚提供。此外，PCLK、HREF、VSYNC分别为像素、行、帧同步信号；OE为图像传感器启动采集信号；XINT是ARM9与CPLD的外部中断联络信号；XDREQ和XDACK为S3C2410A的DMA的请求和握手信号。