王露露，王 利，胡增康

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

視頻圖像采集系統(tǒng)是多媒體信息處理、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)的前端子系統(tǒng)，視頻圖像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)是進(jìn)行數(shù)字圖像處理、多媒體和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那疤?。目前國?nèi)外的研究主要集中于圖像采集系統(tǒng)采集速度的提高、新算法的研究以及算法的優(yōu)化等方面［1］，對于大容量視頻圖像數(shù)據(jù)存儲的研究較少。

在視頻圖像存儲技術(shù)領(lǐng)域，普通的外擴(kuò)XDRA M存儲容量小，存儲數(shù)據(jù)的速率較慢，占用I／O端口太多，影響視頻系統(tǒng)整體的傳輸速率。因此，文中提出了基于閃存卡的視頻圖像數(shù)據(jù)存儲方法。

1 視頻圖像系統(tǒng)簡介

1.1 傳統(tǒng)視頻圖像采集系統(tǒng)

傳統(tǒng)的視頻圖像采集系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)視頻圖像系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of traditional video i mage system

其工作原理：視頻圖像采集端為CCD相機(jī)，控制芯片將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)存儲到與控制芯片相連接的外擴(kuò)XDRA M，視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機(jī)處理后顯示出來。

1.2 數(shù)字圖像傳感器

隨著CMOS工業(yè)的發(fā)展，近幾年來數(shù)字圖像傳感器得到迅速的發(fā)展。數(shù)字圖像傳感器在片內(nèi)對信號進(jìn)行數(shù)字化，即在片內(nèi)集成ADC。

OV7670是Omni Vision公司生產(chǎn)的1／6英寸，30萬像素低功耗CMOS彩色圖像傳感器，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀／s，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程可以通過SCCB總線進(jìn)行內(nèi)部寄存器編程控制，SCCB總線與I2C 總線兼容［2－3］。

1.3 高速單片機(jī)

隨著單片機(jī)在各領(lǐng)域全面深入地發(fā)展與應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、運算能力強(qiáng)的高速單片機(jī)。

C8051F340是CYGNAL公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，其資源豐富，外圍電路非常簡單，兼容性好。其主要特點為：1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核，速度最高可達(dá)48 MIPS；2）硬件實現(xiàn)增強(qiáng)型SPI串行接口；3）4個通用的16位定時器；4）多達(dá)40個端口I／O；5）具有5個捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器／定時器陣列（PCA）［4］。

1.4 SD卡

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它廣泛地使用在便攜式裝置上，例如數(shù)碼相機(jī)、個人數(shù)碼助理（PDA）和多媒體播放器等。

德城區(qū)1997年一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值比例分別占地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總數(shù)的12.8％，58.02％，29.08％，到2017年3個產(chǎn)業(yè)的比例分別為2.13％，38.05％，59.80％．德城區(qū)第一、二產(chǎn)業(yè)比值有所下降，第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，第二產(chǎn)業(yè)比值雖有所下降，但由于經(jīng)濟(jì)總量的增加，第二產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值也有大幅度上升．由于二、三產(chǎn)業(yè)的大幅度上升，大量工廠、服務(wù)產(chǎn)業(yè)占地面積擴(kuò)大，直接表現(xiàn)為城市建成區(qū)面積的擴(kuò)大．

SD卡由日本松下、東芝及美國San Disk公司于1999年8月共同開發(fā)研制。大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2 g，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性［5］。

SD卡的出現(xiàn)提供了一個便宜的、結(jié)實的、卡片式的存儲媒介，容量從16 MB到最高32 GB不等，可為眾多應(yīng)用提供充足的外部存儲空間［6－7］。

2 基于閃存卡的視頻數(shù)據(jù)存儲

2.1 視頻圖像采集系統(tǒng)

視頻圖像采集系統(tǒng)由圖像數(shù)據(jù)采集模塊與圖像數(shù)據(jù)存儲模塊兩大部分組成。其包括：1）OV7670 CMOS圖像傳感器；2）FIFO緩存AL422B數(shù)據(jù)存儲器；3）C8051F單片機(jī)；4）SD卡；5）TFT液晶。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Schematic diagram of the system

圖1 與圖2經(jīng)過比較分析可知：采用傳統(tǒng)的視頻圖像采集系統(tǒng)有三大不足：1）CCD光敏陣列難與驅(qū)動電路及信號處理電路單片集成，并且CCD陣列驅(qū)動脈沖復(fù)雜，需要使用相對高的電壓；2）視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲由于使用傳統(tǒng)的外擴(kuò)XRA M，存儲數(shù)據(jù)的速度較慢，其占用的I／O端口太多，浪費I／O端口資源，影響整個系統(tǒng)的傳輸速率；3）傳統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)顯示通過計算機(jī)顯示，很難脫機(jī)進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)處理，顯示結(jié)構(gòu)龐大，攜帶非常不方便。

基于上述分析，傳統(tǒng)視頻圖像采集系統(tǒng)不能滿足多媒體信息處理、視頻監(jiān)控等場合的應(yīng)用。因此，文中采用C8051F單片機(jī)為核心處理器控制OV7670數(shù)字圖像傳感器對視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使用SD卡對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，視頻數(shù)據(jù)的存儲速率有了極大的提高。

2.2 視頻數(shù)據(jù)存儲的硬件改進(jìn)

在視頻圖像采集系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)量龐大，圖像數(shù)據(jù)采樣速率很快，這就必須利用高速的存儲器件對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。因此，文中選取SD卡對視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。SD卡的存儲有SPI和SD兩種工作模式，相對于SD模式，SPI模式可以簡化主體，降低成本設(shè)計，C8051F340單片機(jī)具有增強(qiáng)型SPI串行接口，對SD卡操作容易。

圖3是SD卡與C8051F340單片機(jī)的接口電路圖，單片機(jī)作為主機(jī)，SD卡作為從機(jī)，使用單片機(jī)SPI的三線模式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

圖3 SD卡與單片機(jī)的接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of SD car d and MCU

2.3 視頻數(shù)據(jù)存儲的軟件改進(jìn)

SD卡的讀寫操作是以塊為單位進(jìn)行的，一個數(shù)據(jù)塊的長度通常是一個扇區(qū)，為512 B。SD卡在SPI模式下寫操作有兩種，一種是單塊寫（命令為CMD24）操作，另外一種是多塊寫（命令為CMD25）操作。單塊寫每次只寫一個扇區(qū)，多塊寫操作是從指定的扇區(qū)開始寫。多塊寫操作的速率比多次單塊寫同樣扇區(qū)數(shù)的操作速率要快，因此為了提高圖像數(shù)據(jù)的存儲速率，采用SD卡的多塊寫操作，每次寫6個扇區(qū)。

多塊寫命令是SD卡存儲數(shù)據(jù)的主要操作，主要對這部分程序進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。原程序使用C語言編寫，現(xiàn)改成C語言中嵌入?yún)R編的辦法來優(yōu)化程序。寫多塊命令采用匯編語言進(jìn)行編寫，在很大程度上提高了代碼的執(zhí)行速度，從而提高了SD卡存儲數(shù)據(jù)的速率。

SD卡實際的寫入速率是數(shù)據(jù)存儲模塊的關(guān)鍵，采用16位自動重裝載定時器T2對SD卡存儲速率進(jìn)行測試。C8051F340的時鐘頻率為48 MHz，T2的時鐘源為系統(tǒng)時鐘的1／12，為4 MHz，T2計數(shù)初值設(shè)為15 A0 H，定時時間為15 ms，開定時器T2中斷，用變量Counter＿ms記錄定時器中斷的次數(shù)。將512 B數(shù)據(jù)重復(fù)寫入SD卡的扇區(qū)中，數(shù)據(jù)寫入SD卡的時間用變量ti me（單位：ms）表示，可采用公式（1）來計算。

式中，T MR2 H為T2高字節(jié)值，T MR2L為T2低字節(jié)值。Ti me用unsigned long型表示，占用4個字節(jié)。將C8051F340單片機(jī)與PC機(jī)通過串口相連，計算出的ti me值通過串口調(diào)試助手顯示。

3 實驗及結(jié)果分析

本文把調(diào)試好的系統(tǒng)進(jìn)行了實驗，分別進(jìn)行了靜態(tài)、動態(tài)實驗，采集到了正確的實驗數(shù)據(jù)。

在圖像采集模塊中，要采集到一幀正確的圖像數(shù)據(jù)，最為關(guān)鍵的是要判斷OV7670的系統(tǒng)時鐘XCLK與像素時鐘PCLK的同步信號，OV7670的幀起始信號VSYNC和行同步信號HREF，采用GW雙通道示波器觀察并記錄以上兩種正常工作的時序信號。圖4為XCLK與PCLK的時序關(guān)系，圖5為VSYNC與HREF的時序關(guān)系。

圖4 XCLK與PCLK時序時序關(guān)系Fig.4 Ti ming relation of XCLK and PCLK

圖5 VSYNC與HERF時序關(guān)系Fig.5 Ti ming relation of VSYNC and HERF

系統(tǒng)中OV7670的外部時鐘選擇16 MHz的有源晶振，根據(jù)圖4可以知道，XCLK時鐘與PCLK同步為16 MHz，信號時序正確。在圖5中，當(dāng)HREF為低電平期間，VSYNC高電平持續(xù)300μs后，變?yōu)榈碗娖綍r一幀圖像開始，由于VSYNC脈寬持續(xù)時間很短，圖像采集時采取檢測VSYNC信號由低電平到高電平的變化開始一幀圖像數(shù)據(jù)的采集。以上兩幅圖的時序關(guān)系說明OV7670正常工作，可以采集到正確的圖像數(shù)據(jù)。

圖6和圖7是使用C語言和匯編語言對SD卡的多塊寫CMD25命令進(jìn)行軟件編程，分別寫入30 000個扇區(qū)所用的時間，實驗結(jié)果通過串口助手顯示。

圖6 使用C語言CMD25命令SD卡寫入時間Fig.6 SD card writing ti me by using C

圖7 使用匯編CMD25命令SD卡寫入時間Fig.7 SD car d writing ti me by using ASM

如圖6所示，C語言編程SD卡寫入時間為：011E24 H，011D49 H，011D72 H，選取一個中間值011D55 H＝73 045 ms，則可算出向SD卡存儲數(shù)據(jù)的速率為：30 000×512×8／（73 045×10－3×1 024×1 024）＝1.6 MB／s。

如圖7所示，匯編語言編程SD卡寫入時間為：74B8 H，744FH，7512 H，選取時間744FH＝29 775 ms，可算出C8051F340單片機(jī)向SD卡存儲數(shù)據(jù)的速率為：30 000×512×8／（29 775×10－3×1 024×1 024）＝3.94 MB／s。

基于上述分析可知，SD卡采用多塊寫CMD25命令，且使用匯編語言對多塊寫操作進(jìn)行編程，SD卡的存儲速率最高可達(dá)3.94 MB／s，SD卡實際的存儲速率達(dá)到了數(shù)據(jù)存儲模塊的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文提出了基于閃存卡的視頻圖像數(shù)據(jù)存儲方法。視頻數(shù)據(jù)存儲模塊中用SD卡替代了普通的外擴(kuò)XDRA M，利用匯編語言對SD卡多塊寫操作命令進(jìn)行了程序優(yōu)化。實驗表明：SD卡的視頻圖像數(shù)據(jù)存儲速率有了很大的提高，數(shù)據(jù)存儲速率最高可達(dá)3.94 MB／s，系統(tǒng)可以滿足低速微型飛行器偵察任務(wù)對圖像數(shù)據(jù)存儲速率的要求。SD卡的存儲中沒有涉及到文件系統(tǒng)，在PC機(jī)上只能看見圖像數(shù)據(jù)的編碼，下一步工作是將圖像數(shù)據(jù)以b mp文件的格式存入SD卡，在PC上直觀的查看存儲的圖像數(shù)據(jù)。

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