摘 要：介紹一種新的圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以凌陽(yáng)公司最近推出的嵌入式32位多媒體微處理器PCE3200為主控制器，OmniVision公司生產(chǎn)的型號(hào)為OV7620的CMO圖像傳感器為圖像采集芯片。OV7620將圖像信息采集后以RGB原始數(shù)據(jù)格式傳給PCE3200，該處理器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為YUV格式后經(jīng)內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊壓縮編碼，然后存儲(chǔ)在FLA中，實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集和保存。主要對(duì)相關(guān)的軟硬件技術(shù)做了介紹，并給出電路圖與程序流程。采用凌陽(yáng)公司最近推出的嵌入式32位多媒體微處理器PCE3200為主控制器，該芯片內(nèi)置CMO傳感器接口單元，可直接與CMO傳感器相連接，使得硬件電路格外簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：圖像采集;CMO圖像傳感器;PCE3200;OV7620

Image Acquisition ystem Design Based on PCE3200

ANG Jieyuan

(Guangdong Lingnan Polytechnic College，Guangzhou，10663，China)[J12/3]

Abstract：A new image acquisition system is introducedEmbedded 32 multimedia microprocessor PCE3200 designed by unplus company is used as controller and CMO image sensor chip OV7620 is used for image acquisition by the systemAfter image information is collected，OV7620 will transmit it as original RGB data format to PCE3200，which will transform it to YUV format，after that，MPEG 4/JPEG hardware module will compress it and then store it in FLAhis paper mainly talks about the hardware and software technology and gives the circuit and program flowInnovation of the paper is using PCE3200 as controller，which is designed by unplus Companyhis chip has CMO sensor interface which can be used to connect with CMO sensor directly，and makes hardware circuit particularly simple

Keywords：image acquisition;CMO image sensor;PCE3200;OV7620[J12/3]

視頻圖像信息的采集和處理在人們的日常生活以及現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。早期的光電視頻成像系統(tǒng)是真空攝像管成像系統(tǒng)。目前，主要有CCD和CMO兩種視頻圖像傳感器。CCD傳感器雖然可獲得高的圖像質(zhì)量，但存在著功耗高、體積大、生產(chǎn)成本高、不易與CMO技術(shù)集成在同一芯片中等缺點(diǎn)。而CMO傳感器集成度高、功耗小、生產(chǎn)成本低，容易與其他芯片整合。CMO芯片幾乎可以將整個(gè)圖像系統(tǒng)，包括傳感器陣列、時(shí)序邏輯、可編程控制功能和A/D轉(zhuǎn)換器集成到一塊芯片上，促進(jìn)了微型視頻圖像成像系統(tǒng)的發(fā)展。OV7620單芯片CMO圖像傳感器是33萬(wàn)像素視頻/圖像攝像器件，在單個(gè)芯片中高度集成了全部攝像功能。多媒體微處理器PCE3200以凌陽(yáng)公司開發(fā)的+core7為內(nèi)核，內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊及多種多媒體功能模塊。PCE3200內(nèi)置的CMO傳感器接口(CI)可以方便地與COM傳感器進(jìn)行連接，并在內(nèi)部控制器的控制下接收COM傳感器發(fā)出的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，將影像數(shù)據(jù)傳送到DRAM中。由于圖像文件數(shù)據(jù)量大，占用較大空間，故可利用PCE3200內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊對(duì)圖像文件進(jìn)行壓縮編碼，然后保存在FLA中。下面將詳細(xì)討論如何利用多媒體微處理器PCE3200的CMO傳感器接口單元CI對(duì)CMO圖像傳感器OV7620所獲得的圖像信息進(jìn)行采集和處理。

1 系統(tǒng)組成

該圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于圖像傳感器OV7620將傳感器陣列、時(shí)序發(fā)生器、控制器、圖像數(shù)據(jù)處理芯片等集成到1塊芯片上，故可以直接與處理器PCE3200的CI控制器接口相連接。由圖1可以看出，鏡頭將場(chǎng)景成像于OV7620中的傳感器陣列(光電二極管)，該傳感器陣列將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)放大后傳給圖像處理芯片進(jìn)行信號(hào)處理，圖像傳感器OV7620在像素時(shí)鐘、場(chǎng)同步信號(hào)與行同步信號(hào)的控制下將處理后的數(shù)字圖像信號(hào)傳送給PCE3200處理器的CI控制器，然后存儲(chǔ)在緩沖器DRAM中。在圖像信號(hào)傳送前，PCE3200通過I2C控制器對(duì)OV7620中的控制寄存器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。PCE3200內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊將緩存器中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼后通過NAND FLA控制器保存在外部的FLA中。

OV7620為美國(guó)OmniVision公司開發(fā)的CMO圖像傳感器[1]，該芯片中高度集成了全部攝像功能。它采用664×492感光陣列，能夠在該分辨率下以高達(dá)60幀/s的速度捕捉圖像，采用先進(jìn)的算法來(lái)消除固定圖案噪聲，大大減少拖尾和閃爍。所有攝像功能，包括曝光控制、珈瑪校正、增益控制、白平衡、顏色矩陣、開窗口等等都可以通過CCB接口編程。其性能特點(diǎn)為：

(1) 48個(gè)引腳，兩組8位數(shù)據(jù)輸出端口(Y0～Y7，UV0～UV7)；

(2) 掃描方式：隔行/逐行；

(3) 靶面尺寸：1/3in，468 mm×364 mm；

(4) 像素?cái)?shù)目：664×492；

() 像素尺寸：76×76 μm；

(6) 雙通道10位A/D轉(zhuǎn)換，8/10位輸出；

(7) 數(shù)字輸出格式為：16位/8位YcrCb4:2:2，RGB原始數(shù)據(jù)；

(8) 支持外部場(chǎng)同步輸出；

(9) 支持外部單片機(jī)和存儲(chǔ)器接口。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。視頻時(shí)序發(fā)生器主要負(fù)責(zé)像素陣列控制、幀的產(chǎn)生、內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生和分配、幀率時(shí)序、自動(dòng)曝光控制、外部時(shí)序輸出。模擬信號(hào)處理模塊主要負(fù)責(zé)自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡、圖像質(zhì)量控制。

多媒體微處理器PCE3200以凌陽(yáng)公司開發(fā)的+core7為內(nèi)核，內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊，及多種多媒體功能模塊[2]。+core7內(nèi)核采用凌陽(yáng)指令集架構(gòu)(unplus IA)的32位RIC處理器，該內(nèi)核支持32位/16位混合指令模式以及并行條件執(zhí)行。+core7內(nèi)核采用了AMBA總線，為oC集成擴(kuò)展協(xié)處理器和用戶接口提供了靈活性。

PCE3200內(nèi)置的CMO傳感器接口(CI)可方便地與CMO傳感器連接，并在內(nèi)部控制器的控制下接收CMO傳感器發(fā)出的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳送到DRAM中[3]。其他所有與顯示有關(guān)的模塊，如V，LCD或JPEG模塊均可以訪問到該數(shù)據(jù)并輸出此數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，或?qū)⑵渑c其他數(shù)據(jù)混合而產(chǎn)生顯示數(shù)據(jù)。PCE3200的CI模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。PCE3200的CI模塊在時(shí)鐘脈沖的觸發(fā)下將CMO傳感器所捕獲的圖像信息數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、處理、然后將處理后的數(shù)據(jù)傳送到指定的BUFFER中。

2 硬件電路

OV7620與PCE3200的硬件連接如圖4所示，OV7620的Y通道端口與PCE3200的CI數(shù)據(jù)端口相連接，而OV7620的像素時(shí)鐘、場(chǎng)同步信號(hào)、水平同步信號(hào)，分別通過端口PCK，VYNC，REF傳入PCE3200的CI[CD#2]CKI，CI[CD#2]V，CI[CD#2]端口，PCE3200在該同步信號(hào)的幫助下將圖像數(shù)據(jù)出入相應(yīng)的緩存區(qū)。OV7620具有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口，通過該接口能控制OV7620的各種工作狀態(tài)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出格式和讀取內(nèi)部狀態(tài)信息。但通過該端口控制OV7620時(shí)，端口BB必須接高電平。PCE3200也有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件I2C，可以方便地與帶有I2C總線的芯片通信。故可以將OV7620的IC[CD#2]0與IC[CD#2]1端口與PCE3200的I2C[CD#2]DAA和I2C[CD#2]CLK端口相連接，通過PCE3200控制OV7620工作狀態(tài)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出格式等。I2C[CD#2]CLK輸出時(shí)鐘信號(hào)，I2C[CD#2]DAA在時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下將控制命令傳輸給OV7620。當(dāng)PCE3200作為I2C總線的主機(jī)時(shí)，在PCE3200的I2C[CD#2]CLK和I2C[CD#2]DAA接入總線時(shí)需要各自接一個(gè)1～10 kΩ的上拉電阻。PCE3200內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，再利用內(nèi)置NAND FLA控制器將壓縮后的數(shù)據(jù)保存在外部的FLA中。

圖為PCE3200的NAND FLA控制器端口與外部FLA的連接圖。由圖可以看出FLA的8位I/O端口與PCE3200的NF[CD#2]D端口相連接，用于命令、地址、數(shù)據(jù)的傳輸。FLA的讀忙端口R/B[X-]與PCE3200的就緒輸入端口NF[CD#2]RDY相連，該端口輸出低電平時(shí)表明某個(gè)寫入、擦除或隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行，當(dāng)這個(gè)操作完成后，輸出高電平狀態(tài)，通知PCE3200準(zhǔn)備下一次讀寫操作。FLA的讀使能端口RE[X-]與PCE3200的NF[CD#2]REN端口相連接，低電平有效。FLA的芯片使能端口CE[X-]與PCE3200的芯片片選端口NF[CD#2]CEN相連接，低電平有效。FLA的命令鎖存控制端口CLE與PCE3200的端口NF[CD#2]CLE相連接，當(dāng)CLE為高時(shí)，I/O口在WE信號(hào)的上升沿將指令鎖存至指令寄存器。FLA的地址鎖存控制端口ALE與PCE3200的端口NF[CD#2]ALE相連接，當(dāng)ALE為高時(shí)，I/O口在WE信號(hào)的上升沿將地址鎖存至指令寄存器。FLA的寫使能端口WE[X-]與PCE3200的端口NF[CD#2]WEN相連接，指令、地址和數(shù)據(jù)都會(huì)在寫使能WE的上升沿被鎖存。FLA的寫保護(hù)端口WP[X-]與PCE3200的端口NF[CD#2]WP相連接，該端口提供在電源波動(dòng)情況下，對(duì)器件不可預(yù)料的寫入或擦除寫保護(hù)。

3 程序設(shè)計(jì)

主要是通過軟件對(duì)PCE3200相應(yīng)端口控制器以及OV7620相關(guān)寄存器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)設(shè)置完成后，PCE3200的CI控制器會(huì)在OV7620提供的幀同步信號(hào)、水平同步信號(hào)以及像素時(shí)鐘的作用下自動(dòng)采集Y0～Y7傳過來(lái)的彩色圖像數(shù)據(jù)，并保存在DRAM中。當(dāng)一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸完畢后會(huì)觸發(fā)中斷，PCE3200內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊將該幀圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼后存入FLA中。然后修改圖像緩沖區(qū)起始地址、參考圖像緩沖區(qū)起始地址以及VLC數(shù)據(jù)緩沖區(qū)起始地址，然后返回主程序采集下一幀圖像數(shù)據(jù)。圖6為主程序流程圖。

CI控制器的初始化主要包括模塊時(shí)鐘的使能、像素時(shí)鐘的選擇，幀緩沖區(qū)起始地址的設(shè)置，CI輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)格式的選擇、掃描方式選擇、幀頻選擇，分辨率選擇等。下面給出CI控制器初始化的程序：

PCE3200通過內(nèi)置的硬件I2C控制器方便的控制OV7620工作狀態(tài)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出格式等。I2C[CD#2]CLK輸出時(shí)鐘信號(hào)，I2C[CD#2]DAA在時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下將控制命令傳輸給OV7620。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)處于高電平時(shí)，數(shù)據(jù)寫入OV7620的控制寄存器。I2C控制器初始化程序如下：

MPEG[CD#2]4/JEGP編解碼模塊的初始化主要包括該模塊工作時(shí)鐘的使能、合適工作頻率的設(shè)置，設(shè)定原圖像緩沖區(qū)、VLC編碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、參考圖像緩沖區(qū)的起始地址以及緩沖區(qū)的選擇，對(duì)圖像大小以及原圖像緩沖區(qū)寬度的設(shè)置，設(shè)置編碼圖像的幀數(shù)，啟動(dòng)量化器功能并設(shè)置量化后小數(shù)點(diǎn)的處理方式，調(diào)節(jié)量化幅度的大小，開啟MPEG引擎內(nèi)部RAM，選擇編碼方式。

OV7620初始化主要包括OV7620內(nèi)部控制寄存器的參數(shù)設(shè)置，設(shè)定像素時(shí)鐘頻率、輸入數(shù)據(jù)格式、輸出數(shù)據(jù)格式等進(jìn)行設(shè)置，下面給出CI控制器初始化程序。其中I2C[CD#2]write8()函數(shù)的功能為將數(shù)據(jù)寫入OV7620的控制寄存器，括號(hào)中前面的參數(shù)表示寄存器的編號(hào)，后者表示寫入的數(shù)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

常規(guī)的圖像采集系統(tǒng)存在較多弊端，如設(shè)備體積，費(fèi)用高、耗電量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。本文介紹了一種新的圖像采集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗電量低、使用方便。該系統(tǒng)利用凌陽(yáng)公司最近剛推出的嵌入式32位多媒體微處理器PCE3200作為主控制器。該處理器以凌陽(yáng)公司開發(fā)的+core7為內(nèi)核，內(nèi)置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊以及多種多媒體功能的模塊，如CMO圖像傳感器接口模塊(CI)，LCD控制器模塊，V編碼模塊、2通道16位高速D/A轉(zhuǎn)換器等。故可直接對(duì)傳感器采集的圖像信息進(jìn)行編碼或格式轉(zhuǎn)換，便于圖像信息的存儲(chǔ)或通過V，LCD顯示。該系統(tǒng)采用的圖像采集芯片為OmniVision公司生產(chǎn)的、型號(hào)為OV7620的CMO傳感器，該芯片高度集成了全部攝像功能，接上鏡頭可直接使用。由于PCE3200含有CMO圖像傳感器接口模塊可直接與OV7620相連接，且PCE3200還含有NAND FLA控制器接口，可直接與FLA相連接，故硬件電路十分簡(jiǎn)單。再加上OV7620工作電壓只有 V、電流20 mA、體積小，該系統(tǒng)在省電和體積上有很大優(yōu)勢(shì)，可用于微型攝像系統(tǒng)的開發(fā)研究。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］趙負(fù)圖傳感器集成電路手冊(cè)[Z]北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002

［2］凌陽(yáng)科技嵌入式微處理器PCE3200原理及應(yīng)用［Z］北京:北陽(yáng)電子內(nèi)部資料，2007

［3］凌陽(yáng)科技嵌入式微處理器PCE3200的高級(jí)應(yīng)用［Z］北京:北陽(yáng)電子內(nèi)部資料，2007

作者簡(jiǎn)介

唐潔媛 女，1982年出生，湖北荊州人，碩士，助教。主要從事電子技術(shù)與信號(hào)處理研究