FIFO芯片和单片机实现的图像采集系统

摘要：基于FIFO芯片AL422B，以飞思卡尔16位单片机MC9S12DG128为核心，采集摄像头芯片OV7670的图像信息，设计出以低速率的单片机采集高速率图像的图像采集系统。系统采用单片机控制FIFO芯片，先由FIFO实时读取摄像头芯片的一幅完整图像信息，再由单片机以低速率从FIFO的相应寄存器读取该幅图像，读取的同时进行相应的图像处理，得出所需图像中点光源的像素距离后通过FIFO进行下一幅图像的采集。本方案通过样机实验，完全能满足要求，确保了一副图像的完整性。
关键词：点光源标杆；图像；FIFO；单片机

引言
    在单片机应用系统中，由于图像采集速度、程序存储器和数据存储器的寻址空间的限制，要完整存储30 fps、640×480像素大小的一幅图像是相当困难的。本文运用较高性能的16位飞思卡尔单片机在超高频的情况下直接采集图像，也只能采集到每行320个像素，丢失图像，无法获得一幅完整的图像。本文通过在图像采集过程中增加FIFO芯片AL422B较好地解决了这一问题，相对于采用昂贵的DSP而言，降低了图像采集系统的成本。

1 单目点光源测距原理
    野外作业时，需要在运动中知道前方标杆和观察点之间的距离。本文将标杆制成等间距红外点光源标杆，满足了基于单帧静态图像的小孔成像原理测距模型要求，减少了图像处理量，提高了测量的实时性、全天候性。H为各点光源标杆的实际距离；n为点光源个数，它可以通过图像处理获得；f为摄像头焦距；标尺实际像素物理距离h由摄像头标定取得。远距离测距原理示意图如图1所示，整条点光源标杆都在摄像头视野范围内。近距离测距原理示意图如图2所示，点光源标杆只有部分在摄像头范围内。通过图1，可求出前方标杆与观察点的距离D。摄像机的成像几何关系也可用小孔成像原理来近似表示：
   

2 图像采集系统硬件设计
    根据单目视觉测距的要求，需要通过一黑白摄像头实时采集前车的点光源标杆，通过标尺上点光源所在的像素距离推算出前车距离。为了能完整地读取图像，本文增加了FIFO芯片，图像采集原理示意图如图3所示。由单片机监测摄像头的行／场信号，控制FIFO读取相应的图像；读完所有行后，关闭FIFO读取图像功能，开始由单片机从FIFO中读取图像数据，并进行相应的图像处理，根据图像处理的复杂程度，决定图像处理和图像采集的时间比。由于FIFO是先入先出，其读取数据时单片机只需通过中断使能行／场信号，绝大部分时间单片机可以用来进行图像处理。本文采取的是采集一帧图像后，单片机利用两帧图像的空闲时间和下一帧FIFO采集时间，共约3帧时间进行图像处理和控制，其结果是图像由原来的30 fps，变成10fps。尽管帧率慢了，但经过分析得知，在100 km／h情况下，滞后距离2．8 m，可以满足要求。

2．1 飞思卡尔16位单片机MC9S12DG128
    本文采用飞思卡尔1 6位单片机MC9S12DG128作为主控芯片，该芯片是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增强型、汽车级的16位微控制器，片内总线时钟频率最高可达25 MHz，集成了8 KB的RAM、128KB的Flash、2 KB的EEPROM，集成度高，资源也相当丰富。
2．2 摄像头芯片OV7670
    OV7670是OmniVision公司推出的Camerachiptm图像传感器，体积小，工作电压低。VGA图像最高达到30fps。其主要特性为：
    ◆感光阵列(共有656×488个像素，在YUV的模式中有效像素为640×480个)；
    ◆高灵敏度适合低照度应用，对红外光线敏感；
    ◆标准的SCCB接口，兼容I2C总线接口；
    ◆RawRGB、RGB(GRB4：2：2，RGB565／555／444)、YUV(4：2：2)和YCbCr(4：2：2)输出格式；
    ◆支持VGA、CIF和从CIF到40×30的各种尺寸。
2．3 FIFO芯片AL422B
    AL422B是AverLogic公司推出的一个存储容量为393 216字节×8位的FIFO存储芯片。其所有的寻址、刷新等操作都由集成在芯片内部的控制系统完成，AL422B内部功能结构框图如图4所示。

    AL422B主要特点是：
    ◆AL422B的存储体为3 Mb(393 21 6字节×8位)；
    ◆可以存储VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV等制式一帧图形的信息；
    ◆独立的读写操作，可以接受不同的I／O速率；
    ◆高速异步串行存取；
    ◆读写周期为20 ns；
    ◆存取时间为15 ns；
    ◆内部DRAM自刷新。

3 图像采集系统程序设计
3．1 系统实现
    要想在单片机应用系统中实现数字图像的静态存储，必须解决存储速度和存储容量两大问题。对于速度问题，需要对OV7670的数据输出时序进行分析，使其满足要求。VGA时序图如图5所示。其中PCLK为像素时钟，频率与主频一致，即27 MHz，上升沿时数据输出有效；VSYNC为场信号；

    HREF为水平参考信号，当像素在窗口有效时为高电平，否则为低电平；HSYNC为行信号；D[7：0]为8位数据输出。
    AL422B写操作时序图如图6所示，WCK为AL422B的写入时钟，周期最大为1000 ns，最小为20 ns(对应主频50 MHz)；其上升沿时数据写入，随着该时钟输入其内部，写指针自动增加。可见，AL422B的速度满足设计要求。具体操作时，由单片机的I／O口控制AL422B的写使能／WE，使其为低电平，使能写功能，数据端DI7～0在WCK上升沿时将数据写入。写完一副图像后，由单片机的I／O口控制写复位／WRST，使其为低电平，使能复位，数据写入地址指针将回到0地址位。

    AL422B读操作时序图如图7所示。RCK为AL422B的读出时钟，周期最大为1000 ns，最小为20 ns，当／RE和／OE有效时，在其上升沿数据有效，随着该时钟输入，其内部的读指针自动增加。当单片机的主频为25 MHz时，还不能直接给OV7670的系统时钟XCLK提供时钟，我们采用外部晶振提供27 MHz的同频信号给OV7670。

    图像采集电路原理图如图8所示。OV7670的像素时钟PCLK直接和AL422B的数据读入时钟WCK相连，具体操作时，由单片机的I／O口控制AL 422B的读使能／RE和输出数据使能／OE，使它们为低电平；使能数据读出功能，数据端DO7～0在RCK上升沿时将数据输出给单片机。读完一副图像后，由单片机的I／O口控制写复位／RRST，使其为低电平，使能复位，数据读出地址指针将回到0地址位。

3．2 程序设计
    程序设计流程如图9所示。当单片机检测到场信号更新后，开始监测行信号到达，之后使能／WE，开始顺序读取图像。读完一帧图像后关闭／WE，单片机使能／RE，开始读取首行图像中的640个像素。本文采取边读边处理的方式，较好地解决了一帧图像多达3 MB的问题。点光
源标杆发出的红外光线在图像上呈现出若干个光晕区域，找到光晕中心就可以找到点光源的图像坐标，为此在读取的同时将各像素点与阈值进行比较，小于阈值的为疑似点光源并记录对应坐标；当读取完一行像素时，得到的将是一组疑似点光源坐标的像素位置，将其进行统计求平均，得出点光源在该行的坐标，最多12个字节(正面标杆6个，某侧标杆6个)，远远小于整行640个字节。

    当读取完一帧像素时，得到最多12×480个字节，单片机64 KB的容量完全可以存储，最后将行求平均，得出最终的点光源坐标。经验证，所需总时间在2．15帧图像内完成。

结语
    文中讨论了基于FIFO芯片和单片机实现的点光源图像采集系统，描述了单目点光源测距原理、图像采集系统硬件和软件设计方法，着重介绍了FIFO芯片在图像采集中的桥梁作用。通过系统样机检验，能够满足要求，达到了预期效果。