喬 亮，王建軍

（1.中國人民解放軍94362部隊，山東 青島266100；2.昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，云南 昆明650500）

0 引言

攝像頭作為一種圖像采集傳感器，被廣泛運用在工業(yè)機器人、車載導(dǎo)航儀等智能儀器上面，控制系統(tǒng)通過其采集周圍環(huán)境的圖像信號以便于控制系統(tǒng)控制儀器做出相應(yīng)的判斷。攝像頭分為模擬攝像頭和數(shù)字攝像頭2種。由于數(shù)字攝像頭數(shù)據(jù)量過大，單片機用傳統(tǒng)方法采集會占用大量的CPU資源，這將導(dǎo)致單片機的控制效果大為減弱。此外，數(shù)字攝像頭圖像信號輸出非?？欤瑔纹瑱C在處理過程中采集很有可能丟失數(shù)據(jù)，從而影響整個控制系統(tǒng)的性能。

DMA（direct memory access）技術(shù)是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，既不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。整個數(shù)據(jù)傳輸操作在DMA控制器的控制下進行。CPU只需在開始時刻配置DMA內(nèi)部寄存器參數(shù)，且在每次數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時做一點處理，而在傳輸過程中不用CPU干預(yù)。因此，利用DMA技術(shù)直接將圖像數(shù)據(jù)寫入單片機內(nèi)存空間，CPU需要圖像信息時只需從內(nèi)存空間中調(diào)用。這樣將大大地解放CPU資源，單片機CPU可以有更多的時間處理其他外部事件。從而極大地提高了控制系統(tǒng)的工作效率。

1 采集過程

1.1 MK60DMA模塊

MK60的DMA模塊主要由通道復(fù)用管理模塊和DMA控制模塊組成，通道復(fù)用管理模塊主要負責(zé)將MK60的16個DMA通道分配給63個DMA請求源［1－3］；DMA管理模塊主要負責(zé)屬性配置和一些基本功能的管理。MK60的DMA模塊有63個DMA請求源。當(dāng)DMA模塊被使能之后，只要1個DMA請求信號產(chǎn)生，DMA模塊就不斷地從源地址內(nèi)存空間中取出數(shù)據(jù)，將其送入目的地址內(nèi)存空間。要將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地送入預(yù)期的地址，就需要對DMA模塊進行正確的初始化配置。DMA模塊配置過程主要對DMA通道選擇、DMA請求源、DMA周期觸發(fā)功能、每次讀入字節(jié)數(shù)、源地址數(shù)據(jù)寬度、目的地址數(shù)據(jù)寬度、目的地址、源地址、主循環(huán)計數(shù)、副循環(huán)計數(shù)、源地址偏移、目的地址偏移以及DMA中斷等進行相關(guān)配置［1］。DMA通道選擇主要是從16個DMA通道中選擇1個作為當(dāng)前數(shù)據(jù)的傳輸通道；DMA請求源是為當(dāng)前所選DMA通道配置請求源，即當(dāng)所配置的請求信號（上升沿或下降沿）產(chǎn)生時開始傳輸數(shù)據(jù)；DMA周期觸發(fā)功能主要是決定DMA傳輸是定時觸發(fā)還是外部事件觸發(fā)；每次讀入字節(jié)是配置DMA每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)；源地址數(shù)據(jù)寬度是指源地址內(nèi)存中所存儲的數(shù)據(jù)寬度（8位、16位、32位等）；目的地址數(shù)據(jù)寬度是指目的地址內(nèi)存中所存儲的數(shù)據(jù)寬度（8位、16位、32位等）；目的地址是指數(shù)據(jù)要被傳入的內(nèi)存地址；源地址是指數(shù)據(jù)取出的內(nèi)存地址；主循環(huán)計數(shù)和副循環(huán)計數(shù)相當(dāng)于2層循環(huán)嵌套，其每執(zhí)行1次循環(huán)體完成1次DMA傳輸；源地址偏移和目的地址偏指每完成1次DMA傳輸后，源地址和目的地址的偏移量［2］。

1.2 OV7620時序分析

對于OV7620攝像頭采集只需要關(guān)注場中斷信號VSYN、行中斷信號HREF和像素中斷信號PCLK。OV7620同步信號時序圖如圖1所示。像素同步信號PCLK為讀取有效像素值提供同步信號，高電平時輸出有效圖像數(shù)據(jù)，若當(dāng)前圖像窗口大小為320×240，則在VSYN 2個正脈沖之間有240個HREF的正脈沖，即240行；在每個HREF正脈沖期間有320個PCLK正脈沖，每個PCLK正脈沖下對應(yīng)1個點的圖像數(shù)據(jù)，即每行320個像素。這就是VSYN、HREF、PCLK 3個同步信號之間的關(guān)系。

圖1 OV7620時序圖

2 MK60采集圖像

2.1 MK60的DMA初始化配置

MK60與OV7620攝像頭接線如圖2所示。由圖2可知，使用MK60的PORTA19作為場開始信號VSYN的檢測端口，使用PORTB6作為行開始信號的檢測端口，采用PORTE0作為像素同步信號的檢測端口。PORTD0～PORTD7作為8位圖像灰度數(shù)據(jù)接收端口。根據(jù)1.2節(jié)所述，要采集1場完整的圖像，就必須從檢測到場信號開始讀取圖像數(shù)據(jù)，而1場圖像是由多行組成且每行又有多個像素點，要正確采集1場圖像，就必須要將采集到的數(shù)據(jù)對齊，但是DMA只負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸［3］，因此，必須根據(jù)攝像頭的特征對DMA進行正確的初始化后，才能夠采集到正確的圖像。一種可以實現(xiàn)圖像采集的DMA初始化過程如圖3所示。

圖2 MK60與OV7620攝像頭接線圖

由圖3可知，DMA模塊通道選擇為CH0［4］，攝像頭的像素同步信號PCLK與PORTE連接，當(dāng)1個像素點數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，PCLK產(chǎn)生上升沿跳變被PORTE捕捉到之后產(chǎn)生DMA請求，DMA得到請求之后開始傳輸當(dāng)前像素點的灰度數(shù)據(jù)。由于DMA采集像素點由PCLK產(chǎn)生信號，因此禁止其周期觸發(fā)功能而采用外部觸發(fā)功能［4－5］。

圖3 DMA初始化流程

設(shè)定主循環(huán)計數(shù)為每1行的像素點個數(shù)，即當(dāng)行中斷產(chǎn)生之后DMA通道要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)，因此要設(shè)定為攝像頭每1行的數(shù)據(jù)點個數(shù)。次循環(huán)計數(shù)設(shè)為1，由于1個像素點數(shù)據(jù)為8位的數(shù)據(jù)寬度，DMA 1次可以傳輸完畢，不需要多次次循環(huán)。由于攝像頭的每1個灰度數(shù)據(jù)都從Y0～Y7接口送入 MK60的 GPIOD＿PDIR寄存器［6］，每次讀取源地址不變，所以設(shè)定源地址為GPIO＿PDIR寄存器的首地址、源地址偏移量設(shè)定為0。目的地址為存儲圖像數(shù)據(jù)數(shù)組的首地址，由于1幅圖像有多個像素點組成的二維圖像，要采集到1場圖像，就要將每1個像素點的數(shù)據(jù)存入到1個數(shù)組里面，因此在每個像素點數(shù)據(jù)通過DMA傳輸完成之后，源地址必須偏移。而對于OV7620來說，1個像素點數(shù)據(jù)為8位數(shù)據(jù)寬度，因此源地址偏移量設(shè)定為1個字節(jié)［4］。

2.2 MK60的端口初始化

由圖1可知，場開始信號VSYN的下降沿與行開始信號HERF更接近，捕捉VSYN的下降沿更便于圖像對齊。而對于OV7620來說，每1個有效像素點是像素同步信號PCLK高電平時的數(shù)據(jù)，而行開始信號HERF的上升沿與像素同步信號PCLK的上升沿對齊，因此捕捉HERF的上升沿便于圖像對齊，捕捉PCLK的上升沿之后，才能夠產(chǎn)生DMA請求來傳輸數(shù)據(jù)。所以根據(jù)圖2的接線圖來初始化MK60的端口，MK60端口初始化流程如圖4所示。其初始化過程為：使能PORTA端口時鐘，將其引腳功能定為GPIO功能，由于PORTA19用來捕捉VSYN的下降沿跳變，因此初始化為輸入、高電平狀態(tài)；使能PORTB端口時鐘，將其引腳復(fù)用功能定義為GPIO功能，由于PORTB6用于捕捉HERF上升沿信號，因此初始化為輸入、低電平狀態(tài)；使能PORTE端口時鐘，將其引腳復(fù)用功能定義為GPIO功能，由于PORTE0用來捕捉PCLK上升沿信號，因此初始化為輸入、高電平狀態(tài)。由于PORTD0～PORTD7用來采集攝像頭的數(shù)據(jù)，因此初始化為GPIO功能、輸入，初始化為低電平［7］。

圖4 端口初始化流程

2.3 中斷服務(wù)函數(shù)

為了能夠準(zhǔn)確地捕捉到場開始信號VSYN和行開始信號HREF，采用外部事件觸發(fā)端口中斷方式，PORTA19采集到VSYN產(chǎn)生的中斷信號之后，進入PORTA中斷服務(wù)函數(shù)。PORTA中斷服務(wù)函數(shù)流程如圖5所示。PORTA中斷產(chǎn)生后，在PORTA中斷服務(wù)函數(shù)中要重新加載DMA目的地址（圖像數(shù)組首地址），使攝像頭的第1個數(shù)據(jù)存入圖像數(shù)組第1個元素。由于當(dāng)PORTA中斷產(chǎn)生之后代表場開始信號，而1場圖像有很多行組成，緊隨PORTA產(chǎn)生中斷之后產(chǎn)生的行開始信號HREF為該場圖像的第1行，因此要在程序進入場中斷之后立馬使能PORTB中斷，來捕捉行開始信號，此后每1個行開始信號都會進入PORTB中斷服務(wù)函數(shù)。

PORTB中斷服務(wù)函數(shù)流程如圖6所示。由于每1行有很多個像素點，在行開始信號HERF產(chǎn)生（進入行中斷）之后，代表此后每1個PCLK高電平時輸出的數(shù)據(jù)為該行相應(yīng)點的像素數(shù)據(jù)，因此，在進入PORTB中斷服務(wù)函數(shù)之后立即使能DMA通道CH0請求，即每產(chǎn)生1個PCLK（PORTE0）上升沿信號DMA都進行1次數(shù)據(jù)傳輸，將相應(yīng)點的灰度數(shù)據(jù)送入到與之對應(yīng)的圖像數(shù)組元素中存儲。每1行采集完之后行采集計數(shù)自增1，當(dāng)采集行數(shù)為1場圖像行數(shù)時，將場采集完成標(biāo)志位置1，關(guān)場中斷回到主函數(shù)將采集到的圖像通過UART串口模塊［8］發(fā)送給上位機顯示，當(dāng)串口發(fā)完1場圖像之后開PORTA中斷，開始采集新的1場圖像數(shù)據(jù)。

圖5 PORTA中斷服務(wù)流程

圖6 PORTB中斷服務(wù)流程

2.4 主要采集過程

主函數(shù)流程如圖7所示。在MK60系統(tǒng)上電之后關(guān)閉系統(tǒng)總中斷，對端口進行初始化配置、對DMA模塊初始化配置，開PORTA中斷，開總中斷之后進入死循環(huán)函數(shù)，等待圖像采集完成標(biāo)志位置1，如果標(biāo)志位置1說明1場圖像采集完成。為了避免下1場圖像對當(dāng)前圖像產(chǎn)生干擾，要暫時關(guān)閉PORTA中斷，調(diào)用UART串口將采集到的圖像發(fā)送給上位機。當(dāng)前圖形發(fā)送完成之后，開PORTA中斷采集新的圖像數(shù)據(jù)。

圖7 攝像頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程

3 圖像采集實驗驗證

MK60通過其內(nèi)嵌的DMA模塊采集到的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，獲得的圖像如圖8所示。圖像效果較好，驗證了采集過程的正確性。

圖8 MK60采集到的圖像

4 結(jié)束語

攝像頭是一種應(yīng)用非常廣泛的傳感器，其圖像采集在工程測試、環(huán)境監(jiān)控等方面有著重要的意義。通過內(nèi)嵌有DMA模塊的MK60單片機，設(shè)計了一種DMA圖像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)CPU基本不用干預(yù)就能完成攝像頭的圖像采集，使得CPU有更多時間去處理其他外部事件，從而極大地提高了單片機的工作能力和效率，對于工業(yè)應(yīng)用有一定應(yīng)用前景。

［1］ Freescale.K60sub-family reference manual——K60 P144M100SF2V2RM rev.2［Z］.2012.

［2］ ARM.Cortex-M4technical reference manual revision r0p0［Z］.2011.

［3］ Freescale.K60sub-family data sheet rev.6［Z］.2011.

［4］ Freescale.Kinetis peripheral module quick reference rev.0［Z］.2010.

［5］ Freescale.K60sub-family reference manual rev.6［Z］.2011.

［6］ Yiu J.ARM Cortex-M3權(quán)威指南［M］.宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［7］ 王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式系統(tǒng)原理與實踐——ARM Cortex-M4Kinetis微控制器［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［8］ 楊東軒，王嵩.ARM Cortex-M4自學(xué)筆記——基于 Kinetis K60［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.