邵　玫

摘要：根據(jù)圖像模式識(shí)別的需要，分析了對嵌入式處理平臺(tái)的資源需求，根據(jù)資源需求，選擇了ADI公司的Blackfin BF533系列DSP作為處理器平臺(tái)，然后結(jié)合Blackfin的特性和圖像清晰度的需求，確定使用OV7141 CMOS圖像傳感器。論文涉及到了在硬件和底層軟件的設(shè)計(jì)中遇到的相關(guān)關(guān)鍵問題，同時(shí)給出了該平臺(tái)的輸出結(jié)果。該平臺(tái)價(jià)格低廉，具有速度為1200MIPS的數(shù)據(jù)處理能力，其圖像采集模塊可以拍攝到640×480分辨率的清晰掌紋圖像，可以完全滿足在線生物特征識(shí)別的資源需求。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別；Blackfin；OV7141 CMOS傳感器；軟硬件設(shè)計(jì)

1引言

紅外圖像采集設(shè)備廣泛應(yīng)用于特殊場合，尤其是在線生物特征認(rèn)證[1]，為了達(dá)到應(yīng)用的要求，除了要求算法要可靠外， 還要求識(shí)別設(shè)備足夠小型，具有便攜化以及可升級(jí)性。所以，能夠擺脫P(yáng)C的束縛，在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)圖像鑒別更加具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但是，目前大部分的研究都是基于PC平臺(tái)的，都還在算法研究階段[1-2]。

現(xiàn)在的大部分圖像識(shí)別算法研究都是在PC上實(shí)現(xiàn)的，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往是使用一個(gè)CCD的攝像機(jī)捕捉圖像，然后輸入個(gè)人電腦，再在PC上使用MatLab或VC環(huán)境開發(fā)通用的識(shí)別算法程序。這樣的開發(fā)模式具有很大的靈活性，適合于科學(xué)研究，但是距離真正的實(shí)用還有一定的距離。

針對一些需要紅外濾波在線生物特征認(rèn)證系統(tǒng)的要求，本文根據(jù)紅外圖像識(shí)別的具體要求，提出了基于ADI公司的Blackfin系列DSP處理器，使用Omnivision公司的OV7141 CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過實(shí)際的調(diào)制，該方案可以提供清晰的圖像，并且Blackfin處理器可以提供1200MIPS的運(yùn)算速度，為生物特征識(shí)別軟件的開發(fā)提供了很好的平臺(tái)。而系統(tǒng)的整體成本也控制在了很低的水平上。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

完整的紅外圖像鑒別系統(tǒng)應(yīng)該具備注冊和鑒別兩個(gè)基本功能。為了實(shí)現(xiàn)注冊和鑒別兩個(gè)功能，本文將系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：圖像采集模塊、鑒別處理模塊、輸入輸出模塊和通信模塊。其中，鑒別處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心， 它既要從前端獲得的圖像中提取掌紋線的信息，完成圖像鑒別算法的運(yùn)算，還要對其它的模塊進(jìn)行控制和監(jiān)測。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1并行外設(shè)總線設(shè)計(jì)

由于本方案采用的是OV7141，它具有數(shù)據(jù)時(shí)鐘、場同步信號(hào)和行同步信號(hào)引腳，故采用了通用輸入模式。由于OV7141輸出的是8位的圖像信號(hào)，因此只用到了Blackfin的PPI接口數(shù)據(jù)腳的低8位，高八位的PF復(fù)用引腳可以作為它用。硬件連接采用了如圖2所示的設(shè)計(jì)方案[3]。

OV7141工作時(shí)鐘的典型頻率是24MHz，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)連接到Blackfin的PPI_CLK引腳，作為并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序基準(zhǔn)。OV7141的場同步和行同步信號(hào)加到Blackfin的PPI_FS1和PPI_FS2引腳上，在Blackfin的內(nèi)部，這兩個(gè)引腳連接到了定時(shí)器1和定時(shí)器2的PWM電路，可以通過設(shè)置TIMER1和TIMER2的相關(guān)寄存器來設(shè)定視頻信號(hào)的同步時(shí)序參數(shù)。

2.2 SCCB控制總線設(shè)計(jì)

SCCB是OmniVision公司定制的串行攝像頭控制總線(Serial Camera Control Bus)，它用于對攝像頭的寄存器進(jìn)行讀寫，以達(dá)到對攝像頭輸出圖像的控制。SCCB的數(shù)據(jù)傳輸由主器件控制，主器件能夠發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)以及傳送結(jié)束時(shí)的停止信號(hào)。通常主器件都是微處理器，它尋址訪問的設(shè)備稱為從器件。為了進(jìn)行通訊，每個(gè)接到SCCB的設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址( ID)，使用軟件尋址來識(shí)別總線上的從器件，省去了從器件的片選。因此，只需要兩根線(串行時(shí)鐘線SIO_C和串行數(shù)據(jù)線SIO_D) ，掛接到總線上的器件就能相互進(jìn)行信息傳遞。組成SCCB的SIO_C和SIO_D必須經(jīng)過上拉電阻RP 接到正電源上，連接到總線的器件的輸出級(jí)必需為“開漏”或“開集”的形式，以便在多個(gè)主或從需求仲裁的情況下完成線與的功能[4-6]。

在SCCB 協(xié)議中定義開始和停止條件如下：開始條件是在SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D出現(xiàn)一個(gè)下降沿；停止條件是在SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D出現(xiàn)一個(gè)上升沿。除了開始和停止?fàn)顟B(tài)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，如果SIO_C為高電平時(shí)，必需保證SIO_D上的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，也就是說，SIO_D上的數(shù)據(jù)只能在SIO_C為低電平時(shí)改變。

與I2C 總線類似，SCCB完整的數(shù)據(jù)傳輸包括兩個(gè)或三個(gè)階段。每一階段包中含9位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中高8位為所要傳輸?shù)?位數(shù)據(jù)，最低位根據(jù)主器件的數(shù)據(jù)傳輸是讀操作還是寫操作而確定。

在SCCB 協(xié)議定義了兩種寫操作，即三相寫操作和兩相寫操作。三相寫操作是往從器件的目的寄存器中寫入數(shù)據(jù)。在三相寫操作中，第一階段寫從器件的地址，第二階段寫從器件目標(biāo)寄存器的地址，第三階段寫入數(shù)據(jù)。而兩相寫操作只有三相寫操作的前兩個(gè)階段。

在本文的設(shè)計(jì)中，由于Blackfin不支持IIC或SCCB總線，因此使用BF533 DSP芯片兩個(gè)通用（GPIO）引腳，用軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)了SCCB總線的驅(qū)動(dòng)[7-8]。為了實(shí)現(xiàn)電壓匹配，并保護(hù)珍貴的DSP芯片，故可使用了74HC244三態(tài)緩沖器作為驅(qū)動(dòng)緩沖。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了能夠給上層應(yīng)用程序提供必要的驅(qū)動(dòng)和接口，系統(tǒng)的底層軟件是所有工作的基礎(chǔ)，這部分工作包括了DMA通道的設(shè)置、SCCB控制總線的實(shí)現(xiàn)和串口通信等等。

3.1 DMA圖像數(shù)據(jù)傳輸通道設(shè)計(jì)

在Blackfin的內(nèi)部具有12個(gè)通道的DMA控制器，可以實(shí)現(xiàn)PPI、SPORTS、SPI、UART和RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)被支持的DMA外設(shè)都至少有一個(gè)專用的DMA通道。Blackfin支持一維和二維的DMA傳輸，其DMA傳輸?shù)某跏蓟梢酝ㄟ^設(shè)定寄存器來實(shí)現(xiàn)，也可以通過待傳輸數(shù)據(jù)頭部的一組狀態(tài)描述符來實(shí)現(xiàn)。

3.2 SCCB總線的實(shí)現(xiàn)

由于Blackfin系列的DSP不支持IIC或SCCB總線，因此需要使用GPIO引腳，使用程序模擬來實(shí)現(xiàn)對SCCB總線的支持。根據(jù)開發(fā)板的實(shí)際連接情況，在本文方案中，PF7引腳作為SIO_C時(shí)鐘線，PF5引腳作為SIO_D數(shù)據(jù)線來使用。

假設(shè)將通過SCCB發(fā)送五位數(shù)據(jù)“SOF 0 1 1 EOF”時(shí)，引腳上的電平變化情況如圖8，從圖中可以得到模擬SCCB時(shí)序的方法，也就是把每一位數(shù)據(jù)的傳輸切分成四個(gè)時(shí)間片。

在三相寫操作中，具體指令包括了開始位、結(jié)束位、以及3組每組9位的數(shù)據(jù)，一共包含有29bits數(shù)據(jù)。在程序?qū)崿F(xiàn)中，可以用一個(gè)29個(gè)元素的數(shù)組來表示一個(gè)指令，然后用上文的代碼將指令位依次寫入PF7和PF5引腳中。具體的代碼不在此處贅述。

4結(jié)果和分析

本文方案使用ADI公司的ADSP-BF533 EZ-KIT 開發(fā)板，與繪制的OV7141攝像PCB板相連，使用標(biāo)準(zhǔn)的攝像鏡頭，以石英射燈作為光源，拍攝到了人體掌靜脈的圖像，分辨率達(dá)到了640×480，清晰度達(dá)到了掌靜脈這一生物識(shí)別的要求。

作為嵌入式方案，16位的BF533 DSP具有600MHz的處理速度，擁有32M的數(shù)據(jù)SDRAM，2M的Flash存儲(chǔ)器，開發(fā)板支持C++語言程序?？梢暂^容易的把PC上的識(shí)別處理程序移植到該嵌入式系統(tǒng)中，完全可以滿足圖像識(shí)別處理的資源要求，為后期的開發(fā)提供了高性能的開發(fā)平臺(tái)。

5總結(jié)

本文根據(jù)圖像模式識(shí)別的需要，分析了對嵌入式處理平臺(tái)的資源需求，包括了對處理器的需求，以及對攝像拍攝模塊的需求指標(biāo)，根據(jù)資源需求分析的結(jié)果，選擇了ADI公司的Blackfin系列BF533 DSP處理器。再結(jié)合Blackfin的硬件接口和對圖像清晰度的需求，確定使用OV7141 CMOS圖像傳感器，它可以輸出640×480分辨率的黑白手章靜脈圖像。本文包括了并行外設(shè)總線（PPI）的硬件接口設(shè)計(jì)和時(shí)序，使用DSP的GPIO口實(shí)現(xiàn)SCCB控制總線的仿真實(shí)現(xiàn)，以及在Blackfin內(nèi)部使用DMA通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。在本章的最后，給出了該平臺(tái)的輸出結(jié)果。

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