基于高速A／D转换器的视频数据采集系统

TLC5510不仅具有高速的A／D转换功能，还带有内部采样和保持电路，从而大大简化了外围电路的设计。只需要使用内部基准电阻和VDDA构成基准分压器即可实现2V的满量程转换范围。因为正常的复合视频信号最大电压值不超过2V，所以在本系统设计过程中，将TLC5510的REF-BS端短接至REFB端，REFTS端短接至REFT端，从而获得2V基准电压。视屏信号从ANALOGIN引脚输入，同时采用4MHz的有源晶振提供时钟信号。通过计算可知，该芯片在单行视频信号扫描时间内可进行200次的A／D转换，对于简单图像算法而言，横向分辨率已完全能够满足要求。如果提高TLC5510工作时钟频率，可以继续提高横向分辨率。若使TLC5510工作在极限情况下(20 MHz的采样率)，横向分辨率可达到约800个点，也就是30万像素以上。上电以后，由于将TLC5510的OE引脚接到GND，芯片始终处于低有效状态，所以A／D转换将持续工作。8位数据输出直接接到下一级FIFO存储器的输入，由处理器决定存储器是否将A／D转换数据写入。
具体的应用电路如图3所示。需要注意的是，因为TLC5510的AGND引脚和DGND引脚在内部没有连接，所以在外部需要连接。建议采用电感或磁珠连接，用以去除模拟地对数字信号的噪声。同时，在VDDA与AGND，VDDD与DGND引脚之间，应分别使用0．1 μF的电容去耦，建议使用陶瓷电容，并配以10 μF以上的钽电容储能。

2．2 FIFO存储器
uPD42280是一种2 Mbit的双口FIFO(先入先出)存储器。在本系统中作为A／D转换数据的缓存，容量大且性价比较高，能满足一帧图像数据约25万个像素点存储的要求。A／D转换数据按照一定的时钟节拍顺序写入或读出，它的读写时钟速率最高可达33 MHz。uPD42280本身的数据是8 bit并行输入输出，通过控制它的WE引脚、WRST引脚、RE引脚和RRST引脚的电平高低，实现数据的写入和读取。图4为uPD42280的读、写周期时序。

在写控制周期，WE若处于低有效状态(WRST此时为高电平)，数据在下一周期上升沿到来前写入存储器地址中；WE若处于高禁能状态。写入暂停，写地址指针保持。在WE处于低有效状态时。若WRST处于低电平，则写地址指针将从当前地址回到地址0，WRST回复高电平后，数据也将从地址0开始写入。在读控制周期，RE若处于低有效状态(RRST此时为高电平)，数据在下一周期上升沿到时被读取；RE若处于高禁能状态，读取暂停，读地址指针保持。在RE处于低有效状态时，若RRST处于低电平，则读地址指针将从当前地址回到地址0，RRST回复高电平后，数据也将从地址0开始读取。
在本系统中，uPD42280的读写时钟与TLC5510的工作时钟使用同一信号源(4 MHz)，既保证了FIFO的写操作与A／D转换操作的同步，避免出现数据漏接或混接现象，又可以使数据读取时，读取速率仅由处理器IO口的读取时间决定。通过处理器IO口控制读、写使能信号，读、写地址复位信号，可完成一帧图像数据的读写和更新。在处理器的总线频率为32 MHz时，单行视屏信号扫描时间内(约50 us)，IO口最终可读入约190个有效像素的灰度值。去除行消隐区和图像中心对正需要省略的点，本系统每行视频信号可采集到的有效像素点为160个。
需要注意的是，uPD42280本身外围电路很简单，只需要在电源与地之间加1个去耦电容即可。但是由于FIFO存储器有别于RAM，是不能进行内部寻址操作的，只能是简单的地址复位。所以在软件控制时一定要注意逻辑，严格按照读写时序去控制4个引脚，才能保证一场图像的完整写入和读取。
本系统创新之处在于将高速A／D转换器TLC5510与FIFO存储器uPD42280联合使用，实现视频信号的转换和数据存储。这样做使得整个前端的转换和存储完全由几个IO口控制，对单片机本身的性能要求低、资源要求少，仅仅用到了单片机的两路中断和多路普通IO口。这样的设计使得本系统移植性很强，可用于多种单片机或DSP。并且这两款核心器件都是8 bit并行数据输入输出，速度很快，可以实现视频数据的高速传输。

3 软件流程
软件部分主要包括初始化、写操作、读操作和图像处理。首先将处理器的IO口，中断口初始化，PORTB8位作为数据入口，输入使能；PORTK0～PORTK3作为存储器的读写使能和地址控制线，输出使能，PORTJ0、PORTJ1分别响应行、场中断，上升沿触发。
主函数是一个无限循环，不断检测图像是否采集完成，如果采集完成则进行图像处理，然后作出相应的控制输出。场中断服务函数的主要功能是将行计数器清零，写地址回零，为新一帧图像作准备。行中断服务函数主要功能是行计数器自加，用以判断图像当前的行数。判断采集是否开始，控制写入使能，判断采集是否结束，控制写入禁能，控制读取地址回零，读取使能，将数据经过一级缓冲，通过8位数据总线读入单片机的二维数组中，并通知主函数图像数据准备好了。具体流程如图5所示。