基于CMOS图像传感器的USB接口图像采集系统设计

系统设计

图1 为图像采集系统的原理框图。系统选用OminiVisiON公司生产的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一个640×480 (30万像素)图像矩阵的彩色摄像芯片，在隔行扫描模式下工作频率可达60Hz，逐行扫描时为30帧/s。其像面大小为1/3英寸，支持8位或16位数字信号从单通道或双通道输出，输出信号的类型可在YCrCb和RGB 之间选择，图像矩阵支持VGA或CIF 规定， 数字输出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等标准。OV7620有很强的摄像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩阵，窗口选择等，所有这些功能都可以通过I2C接口进行编程控制。

图1　系统原理框图

CPLD选用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系统中处于核心地位，既要负责将OV7620输出的视频数据存入SRAM，又要与MCU配合完成视频数据的USB 传输。MCU 是Cygnal 公司的高性能单片机C8051F020，它通过I2C总线控制CMOS芯片的工作方式和状态， C8051F020自带SMBUS总线接口，可以把I2C的时钟线SCL和数据线SDA通过交叉开关分配到端口引脚，MCU作为I2C总线通讯的主机，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作为从机地址与MCU进行通信。另外MCU还控制USB 通信，负责USB芯片的初始化和与PC的通信连接，其64KB 的flash程序存储空间足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，该芯片为高速静态RAM，存储时间在10ns左右， 可以满足OV7620 的速度要求， 其512KB的存储空间足以用来存储30万像素的视频数据(Bayer2pattern: 每一像素包含一个字节的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，该芯片支持USB 1.1标准协议和DMA传输模式。

图像采集部分

OV7620的输出特性

OV7620工作方式和输出格式非常多，可以适应不同的应用场合，针对我们的较小系统，采用了单通道Y输出，以及逐行扫描的工作方式。这些工作方式的实现是通过MCU 的I2C编程控制的。当OV7620 设置工作方式稳定后，它就会输出视频数据，同时还有3个重要的参考信号输出:帧同步信号SYNC，水平同步信号HREF，和像素时钟信号PCLK。参见图2，每一个帧同步信号SYNC 周期包含480 个水平同步信号HREF脉冲，而每一个HREF周期包含640个PCLK时钟脉冲。每一个PCLK时钟输出一个像素的视频数据(8位标准的Bayer-pattern彩色RGB数据) 。

图2　图像采集信号时序

图像存储方式

根据640 ×480 的像素输出特点， 将512KB 的RAM分成512行，每行1KB空间，由A0～A9共10条地址线选通行内地址记为低位地址：ADDR-L； 高位A18～A10共9条地址线选通各行记为高位地址：ADDR-H。为保证OV7620 采集的数据同步写入SRAM中，用CPLD宏单元设计了2个地址计数器:低位计数器ADDR-L和高位记数器ADDR-H。当图像数据采集开始时( SYNC信号低有效) ，记数器由0开始记数，每来一个像素时钟PCLK使低位计数器顺序加1，完成1行像素的写入，OV7620产生的行同步信号HREF使低位计数器清0，并使高位记数器顺序加1，改变行地址直到完成480行写入后产生帧同步信号，并使高位计数器清0，这样完成1帧图像数据的缓存，详细的图像采集信号时序如图2。512KB的SRAM芯片实际上只用了640 ×480约300多KB 的存储空间。芯片工作方式设定在PCLK信号的下降沿更新数据；在上升沿，数据是稳定时期，所以如图2，在PCLK信号的下降沿更新SRAM的地址信号ADDR；在PCLK信号上升沿使/WR信号有效， 然后写数据到SRAM 中。其中CPLD控制SRAM的写数据逻辑用VHDL 语言编写，用MAX+PLUSII工具进行仿真设计，最后实现了图像数据的连续采集。

图像传输部分

类似DMA方式数据传输

视频数据按行列关系有序存入SRAM芯片后，就可以顺序读取数据并进行传输。传统的USB 传输方式是MCU 先从SRAM 中取得数据再送到PDIUBD12；通过PDIUBD12发送到主机。不管是MCU从SRAM取数据还是向作为外设的PDIUBD12写数据，速度都较慢。因此我们考虑用系统中的CPLD控制来实现类似DMA 方式的数据传输。在系统工作过程中，单片机负责解释USB的控制传输。当要进行从外存取数送到PDIUBD12时，单片机让出总线，由CPLD完成该工作。CPLD产生外存的读信号和地址，同时产生PDIUBD12的写信号和地址，自动实现外存数据到PDIUBD12接口芯片的传送。这种类似DMA方式的数据传输解决了由单片机控制引起的速度瓶颈，极大提高了传输速度，最大限度发挥了USB的优点。

数据传输的具体实现

当主机需要传输数据时，通过控制管道发送请求，MCU接到命令后立即让OV7620 让出SRAM的数据总线，并通知PDIUBD12准备好用于批量数据传输的主端点，然后发送TXCOM 命令信号给CPLD (见图1) ，通