基于CMOS图像传感器的USB接口图像采集系统设计

系统设计
 
图1 为图像采集系统的原理框图。系统选用OminiVisiON公司生产的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一个640×480 (30万像素)图像矩阵的彩色摄像芯片，在隔行扫描模式下工作频率可达60Hz，逐行扫描时为30帧/s。其像面大小为1/3英寸，支持8位或16位数字信号从单通道或双通道输出，输出信号的类型可在YCrCb和RGB 之间选择，图像矩阵支持VGA或CIF 规定， 数字输出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等标准。OV7620有很强的摄像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩阵，窗口选择等，所有这些功能都可以通过I2C接口进行编程控制。

        图1　系统原理框图 

CPLD选用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系统中处于核心地位，既要负责将OV7620输出的视频数据存入SRAM，又要与MCU配合完成视频数据的USB 传输。MCU 是Cygnal 公司的高性能单片机C8051F020，它通过I2C总线控制CMOS芯片的工作方式和状态， C8051F020自带SMBUS总线接口，可以把I2C的时钟线SCL和数据线SDA通过交叉开关分配到端口引脚，MCU作为I2C总线通讯的主机，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作为从机地址与MCU进行通信。另外MCU还控制USB 通信，负责USB芯片的初始化和与PC的通信连接，其64KB 的flash程序存储空间足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，该芯片为高速静态RAM，存储时间在10ns左右， 可以满足OV7620 的速度要求， 其512KB的存储空间足以用来存储30万像素的视频数据(Bayer2pattern: 每一像素包含一个字节的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，该芯片支持USB 1.1标准协议和DMA传输模式。
 
图像采集部分 

OV7620的输出特性

OV7620工作方式和输出格式非常多，可以适应不同的应用场合，针对我们的较小系统，采用了单通道Y输出，以及逐行扫描的工作方式。这些工作方式的实现是通过MCU 的I2C编程控制的。当OV7620 设置工作方式稳定后，它就会输出视频数据，同时还有3个重要的参考信号输出:帧同步信号SYNC，水平同步信号HREF，和像素时钟信号PCLK。参见图2，每一个帧同步信号SYNC 周期包含480 个水平同步信号HREF脉冲，而每一个HREF周期包含640个PCLK时钟脉冲。每一个PCLK时钟输出一个像素的视频数据(8位标准的Bayer-pattern彩色RGB数据) 。
 
        图2　图像采集信号时序 [page]

图像存储方式

根据640 ×480 的像素输出特点， 将512KB 的RAM分成512行，每行1KB空间，由A0～A9共10条地址线选通行内地址记为低位地址：ADDR-L； 高位A18～A10共9条地址线选通各行记为高位地址：ADDR-H。为保证OV7620 采集的数据同步写入SRAM中，用CPLD宏单元设计了2个地址计数器:低位计数器ADDR-L和高位记数器ADDR-H。当图像数据采集开始时( SYNC信号低有效) ，记数器由0开始记数，每来一个像素时钟PCLK使低位计数器顺序加1，完成1行像素的写入，OV7620产生的行同步信号HREF使低位计数器清0，并使高位记数器顺序加1，改变行地址直到完成480行写入后产生帧同步信号，并使高位计数器清0，这样完成1帧图像数据的缓存，详细的图像采集信号时序如图2。512KB的SRAM芯片实际上只用了640 ×480约300多KB 的存储空间。芯片工作方式设定在PCLK信号的下降沿更新数据；在上升沿，数据是稳定时期，所以如图2，在PCLK信号的下降沿更新SRAM的地址信号ADDR；在PCLK信号上升沿使/WR信号有效， 然后写数据到SRAM 中。其中CPLD控制SRAM的写数据逻辑用VHDL 语言编写，用MAX+PLUSII工具进行仿真设计，最后实现了图像数据的连续采集。 

图像传输部分 

类似DMA方式数据传输 

视频数据按行列关系有序存入SRAM芯片后，就可以顺序读取数据并进行传输。传统的USB 传输方式是MCU 先从SRAM 中取得数据再送到PDIUBD12；通过PDIUBD12发送到主机。不管是MCU从SRAM取数据还是向作为外设的PDIUBD12写数据，速度都较慢。因此我们考虑用系统中的CPLD控制来实现类似DMA 方式的数据传输。在系统工作过程中，单片机负责解释USB的控制传输。当要进行从外存取数送到PDIUBD12时，单片机让出总线，由CPLD完成该工作。CPLD产生外存的读信号和地址，同时产生PDIUBD12的写信号和地址，自动实现外存数据到PDIUBD12接口芯片的传送。这种类似DMA方式的数据传输解决了由单片机控制引起的速度瓶颈，极大提高了传输速度，最大限度发挥了USB的优点。 

数据传输的具体实现 

当主机需要传输数据时，通过控制管道发送请求，MCU接到命令后立即让OV7620 让出SRAM的数据总线，并通知PDIUBD12准备好用于批量数据传输的主端点，然后发送TXCOM 命令信号给CPLD (见图1) ，通知CPLD开始传送数据；当完成64B的数据传送后， CPLD向单片机发送TXEND信号，以示64B 传送完毕，并等待下一个TXCOM信号，进行下一个64B的传送。单片机和CPLD通过这两个信号完成握手。CPLD在接收到TXCOM命令后，地址总线正确恢复上次传输到的SRAM地址(第一次传输时地址为0) ，并且控制MCU让出PDIUBD12的数据总线，然后产生SRAM读信号/RD，此时数据总线上就有了要传送的数据； 同时产生PDIUBD12 的写数据标志信号A0和写信号/D12WR，将数据总线上的数据写入PDIUBD12，完成数据从SRAM 到PDIUBD12 的传送。其传送数据的时序如图3。注意， PDIUBD12的写数据信号/D12WR， SRAM 的读数据信号/RD 和SRAM的地址信号ADDR时序要严格配合。当每一次完成64B 的数据传输后， CPLD 要发送TXEND 信号给MCU。整个传输过程控制严密紧凑，所有CPLD逻辑控制程序均采用VHDL 语言编写，经过测试，系统传输速度摆脱了单片机的影响，几乎接近PDIUBD12的极限速度。


        图3　图像传输信号时序 

系统软件设计 

系统的软件包括USB设备固件、设备驱动程序和应用程序。
 
设备固件程序 

设备固件是设备运行的核心，其主要的功能是控制接口芯片PDIUBD12并完成USB1.1协议(包括标准的设备请求、厂商请求处理、设置设备接口等) 。值得一提的是，此系统的单片机程序除了USB设备固件程序外，还有单片机对OV7620 的I2C控制软件，与CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C进行编制，最后链接后下载到MCU中。 

设备驱动程序 

在Windows操作系统中通过运行内核层的驱动程序才能控制硬件， USB 设备驱动程序采用标准WDM设备驱动。WDM采用IRP驱动机制。当应用程序提出I/O请求时，它调用WIN32AP I函数向设备发出命令，然后由I/O管理器构成一个IRP，USB设备驱动程序收到该IRP后，取出其中的控制码来找到对应的例程入口。在本系统开发中，驱动程序采用了DR IVERSTUD IO提供的DR IVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代码生成工具(DR IVER WIZARD)及相应的类库。开发驱动项目时，应用W IZARD 工具开发，自动生成驱动程序的. INF安装信息文件。对USB 设备驱动DR IVERW IZARD生成的代码只需做少量的修改便可，最后对项目编译链接后生成.SYS驱动程序。 

应用程序

在Win2系统中，把每个设备抽象为文件，应用程序就通过几条简单的文件操作AP I函数实现与驱动程序中某个设备通信。USB通信常使用的API函数有:CreatFile， WriteFile， ReadFile， DeviceControl， CloseFile等。在应用程序时只需将上述函数加入到相应的功能模块中便可完成应用程序对USB 设备进行打开、读、写操作，这样就完全实现了两者的通信。应用程序最终实现了VGA， CIF等图像格式的应用。