基于影像傳感器MT9M111的視頻采集系統(tǒng)
近些年來(lái)，隨著SoC技術(shù)的快速發(fā)展，在圖像采集和處理領(lǐng)域，出現(xiàn)了SoC影像傳感器，它集成CMOS傳感器和圖形處理器功能，可以得到令人非常滿意的圖像質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的視頻采集系統(tǒng)采用了SoC成像芯片MT9M111和USB2.0接口芯片CY7C68013。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。當(dāng)圖像傳感器開(kāi)始工作后，先將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA控制邏輯存儲(chǔ)到SRAM1中，一幀圖像的采集/存儲(chǔ)過(guò)程結(jié)束后，SRAM1進(jìn)入寫(xiě)結(jié)束狀態(tài)。此時(shí)切換SRAM，SRAM2繼續(xù)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)，SRAM1處于可讀狀態(tài)，由FPGA里的控制邏輯控制，將SRAM1中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB芯片，然后傳輸?shù)街鳈C(jī)。本系統(tǒng)采用雙SRAM結(jié)構(gòu)和乒乓機(jī)制，兩片存儲(chǔ)器交替工作，使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行。雙幀存結(jié)構(gòu)不僅提高了系統(tǒng)的速度，而且，由于在FPGA里實(shí)現(xiàn)各種圖像處理的算法大都需要比較大的存儲(chǔ)空間，所以兩個(gè)大容量SRAM在實(shí)現(xiàn)算法時(shí)可以充當(dāng)外部緩存。
MT9M111
本系統(tǒng)采用美光公司推出的集成CMOS傳感器和圖形處理器的SoC產(chǎn)品MT9M111。MT9M111是低功耗、低成本漸進(jìn)掃描CMOS圖像傳感器；130萬(wàn)像素分辨率(1280H×1024V)；1/3英寸光學(xué)格式；全分辨率15fps的功耗為170mW，VGA分辨率30fps的功耗為90mW。MT9M111采用低漏電DRAM工藝，配備了美光的DigitalClarity專(zhuān)利技術(shù)，即使在最差的光照條件下也能提供清晰明亮的彩色圖像。MT9M111具有較低的暗電流，并降低了色度/亮度干擾和瞬間噪聲。MT9M111的嵌入可編程圖像流處理器提供的功能包括色彩恢復(fù)和修補(bǔ)、自動(dòng)曝光、白平衡、鏡頭陰影修正、增加清晰度、可編程灰度修正、黑暗電平失調(diào)修正、閃爍避免、連續(xù)調(diào)整濾光尺寸、平滑的數(shù)字變焦、快速自動(dòng)曝光模式和不工作時(shí)缺陷修正等。而且，還配備了兩線串行接口，USB芯片可以通過(guò)這兩線串口對(duì)其進(jìn)行配置。
IS61WV20488
與圖像處理有關(guān)的SRAM參數(shù)主要是SRAM 的讀寫(xiě)速度和容量。在容量方面，本系統(tǒng)采集圖像的最大分辨率為1280×1024，數(shù)據(jù)寬度為8位，2M×8bit的SRAM可以滿足存放一幀圖像數(shù)據(jù)的要求。SRAM的讀寫(xiě)速度一般為12ns、15ns、20ns或者更慢，由于SRAM的讀寫(xiě)速度直接影響整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的時(shí)鐘，所以，SRAM的讀寫(xiě)速度越快越好。本系統(tǒng)選用了ISSI公司的IS61WV20488，芯片容量為2M×8bit。
CY7C68013
圖像數(shù)據(jù)傳輸部分采用Cypress公司推出的專(zhuān)門(mén)用于USB2.0的接口芯片CY7C68013。該芯片包括帶815kB 片上RAM 的增強(qiáng)型8051 處理器(與標(biāo)準(zhǔn)8051 系列兼容,速度提高3~5倍)、4kB FIFO 存儲(chǔ)器和通用可編程接口I2C 總線、串行接口引擎( S IE ) 以及USB2.0 收發(fā)器。
圖1 基于SoC影像傳感器的視頻采集系統(tǒng)
系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計(jì)由3部分構(gòu)成：圖像采集/存儲(chǔ)模塊、圖像傳輸模塊和USB驅(qū)動(dòng)/主機(jī)應(yīng)用程序模塊。
圖像采集/存儲(chǔ)模塊
該模塊主要由FPGA的控制邏輯將成像芯片MT9M111采集到的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到SRAM中。在系統(tǒng)中采用雙幀存結(jié)構(gòu)，每個(gè)由一片IS61WV20488 SRAM構(gòu)成，能夠存放一幀1280×1024分辨率的圖像數(shù)據(jù)。由于采用了乒乓機(jī)制，兩片存儲(chǔ)器之間交替工作，從而使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行。為確保在任何時(shí)刻只有一片SRAM可以讀取采集到的圖像數(shù)據(jù)，設(shè)置了一個(gè)讀互斥鎖，同樣，只有一個(gè)SRAM可接收采集到的圖像數(shù)據(jù)，因此，又設(shè)置了一個(gè)寫(xiě)互斥鎖。需要注意的是，由于圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出速度要比USB2.0傳輸速度慢，所以，當(dāng)讀完SRAM2的數(shù)據(jù)以后，需要等待另一片SRAM1完成寫(xiě)圖像數(shù)據(jù)后，才可以向SRAM2寫(xiě)入下一幀圖像數(shù)據(jù)，而SRAM1無(wú)需等待便可以直接進(jìn)行讀取圖像數(shù)據(jù)的工作，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了并行工作，有效地提高了系統(tǒng)的工作效率。
圖2為系統(tǒng)控制電路的原理框圖，F(xiàn)PGA內(nèi)部各個(gè)模塊均采用Verilog HDL編寫(xiě)。
圖2 FPGA控制電路框圖
圖像傳輸模塊
采集完一幀圖像后，要經(jīng)過(guò)USB時(shí)鐘信號(hào)控制模塊將外部RAM中的圖像數(shù)據(jù)讀入到主機(jī)。在本圖像采集系統(tǒng)中，使用CY7C68013的Slave FIFO異步工作方式，把FIFO配置成和EP2端口相連、每個(gè)數(shù)據(jù)包1024字節(jié)、4緩沖的方式，塊傳輸模式。這樣的設(shè)置可以滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)也有效地利用了內(nèi)部的4kB FIFO來(lái)傳輸采集到的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制使用了FALGB信號(hào)引腳，用來(lái)報(bào)告“FIFO滿”的狀態(tài)，默認(rèn)為低電平有效。本文采用的是自動(dòng)輸入方式，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)滿一定量時(shí)，EZ-USB-FX2就直接通過(guò)FIFO把數(shù)據(jù)傳送到USB收發(fā)器，而不經(jīng)過(guò)CPU的干預(yù)，這樣就提高了傳輸速度，本系統(tǒng)當(dāng)FIFO滿1kB時(shí)開(kāi)始自動(dòng)發(fā)送。
USB驅(qū)動(dòng)和主機(jī)應(yīng)用程序模塊
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是USB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)，尤其是在本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大且速度要求高的情況下，就要編寫(xiě)出高效的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，才能保證高分辨率圖像的實(shí)時(shí)傳輸。本系統(tǒng)采用DDK來(lái)開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)際上，USB 客戶驅(qū)動(dòng)程序中包含大量的例程，對(duì)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序有很大的幫助。
主機(jī)應(yīng)用程序的主要功能是通過(guò)USB接口讀取圖像數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)圖像.為提高主機(jī)應(yīng)用程序的效率，可以使用雙線程。
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)采用具有130萬(wàn)像素的影像傳感器MT9M111，保證了圖像質(zhì)量，采用USB2.0接口芯片CY7C68013保證了圖像的實(shí)時(shí)傳輸，且設(shè)計(jì)靈活，為實(shí)現(xiàn)各種圖像處理算法提供了軟/硬件支持。
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