系統(tǒng)設(shè)計

圖1 為圖像采集系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)選用OminiVisiON公司生產(chǎn)的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一個640×480 （30萬像素）圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達(dá)60Hz，逐行掃描時為30幀/s。其像面大小為1/3英寸，支持8位或16位數(shù)字信號從單通道或雙通道輸出，輸出信號的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇，圖像矩陣支持VGA或CIF 規(guī)定， 數(shù)字輸出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等標(biāo)準(zhǔn)。OV7620有很強(qiáng)的攝像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩陣，窗口選擇等，所有這些功能都可以通過I2C接口進(jìn)行編程控制。

CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系統(tǒng)中處于核心地位，既要負(fù)責(zé)將OV7620輸出的視頻數(shù)據(jù)存入SRAM，又要與MCU配合完成視頻數(shù)據(jù)的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機(jī)C8051F020，它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài)， C8051F020自帶SMBUS總線接口，可以把I2C的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過交叉開關(guān)分配到端口引腳，MCU作為I2C總線通訊的主機(jī)，OV7620用42H （Write） 、43H （Read）作為從機(jī)地址與MCU進(jìn)行通信。另外MCU還控制USB 通信，負(fù)責(zé)USB芯片的初始化和與PC的通信連接，其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，該芯片為高速靜態(tài)RAM，存儲時間在10ns左右， 可以滿足OV7620 的速度要求， 其512KB的存儲空間足以用來存儲30萬像素的視頻數(shù)據(jù)（Bayer2pattern： 每一像素包含一個字節(jié)的RGB 信息） 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，該芯片支持USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和DMA傳輸模式。

圖像采集部分

OV7620的輸出特性

OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，針對我們的較小系統(tǒng)，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實現(xiàn)是通過MCU 的I2C編程控制的。當(dāng)OV7620 設(shè)置工作方式穩(wěn)定后，它就會輸出視頻數(shù)據(jù)，同時還有3個重要的參考信號輸出：幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時鐘信號PCLK。參見圖2，每一個幀同步信號SYNC 周期包含480 個水平同步信號HREF脈沖，而每一個HREF周期包含640個PCLK時鐘脈沖。每一個PCLK時鐘輸出一個像素的視頻數(shù)據(jù)（8位標(biāo)準(zhǔn)的Bayer-pattern彩色RGB數(shù)據(jù)） 。

圖像存儲方式

根據(jù)640 ×480 的像素輸出特點， 將512KB 的RAM分成512行，每行1KB空間，由A0～A9共10條地址線選通行內(nèi)地址記為低位地址：ADDR-L； 高位A18～A10共9條地址線選通各行記為高位地址：ADDR-H。為保證OV7620 采集的數(shù)據(jù)同步寫入SRAM中，用CPLD宏單元設(shè)計了2個地址計數(shù)器：低位計數(shù)器ADDR-L和高位記數(shù)器ADDR-H。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)采集開始時（ SYNC信號低有效） ，記數(shù)器由0開始記數(shù)，每來一個像素時鐘PCLK使低位計數(shù)器順序加1，完成1行像素的寫入，OV7620產(chǎn)生的行同步信號HREF使低位計數(shù)器清0，并使高位記數(shù)器順序加1，改變行地址直到完成480行寫入后產(chǎn)生幀同步信號，并使高位計數(shù)器清0，這樣完成1幀圖像數(shù)據(jù)的緩存，詳細(xì)的圖像采集信號時序如圖2。512KB的SRAM芯片實際上只用了640 ×480約300多KB 的存儲空間。芯片工作方式設(shè)定在PCLK信號的下降沿更新數(shù)據(jù)；在上升沿，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定時期，所以如圖2，在PCLK信號的下降沿更新SRAM的地址信號ADDR；在PCLK信號上升沿使/WR信號有效， 然后寫數(shù)據(jù)到SRAM 中。其中CPLD控制SRAM的寫數(shù)據(jù)邏輯用VHDL 語言編寫，用MAX+PLUSII工具進(jìn)行仿真設(shè)計，最后實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。

圖像傳輸部分

類似DMA方式數(shù)據(jù)傳輸

視頻數(shù)據(jù)按行列關(guān)系有序存入SRAM芯片后，就可以順序讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。傳統(tǒng)的USB 傳輸方式是MCU 先從SRAM 中取得數(shù)據(jù)再送到PDIUBD12；通過PDIUBD12發(fā)送到主機(jī)。不管是MCU從SRAM取數(shù)據(jù)還是向作為外設(shè)的PDIUBD12寫數(shù)據(jù)，速度都較慢。因此我們考慮用系統(tǒng)中的CPLD控制來實現(xiàn)類似DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)工作過程中，單片機(jī)負(fù)責(zé)解釋USB的控制傳輸。當(dāng)要進(jìn)行從外存取數(shù)送到PDIUBD12時，單片機(jī)讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產(chǎn)生外存的讀信號和地址，同時產(chǎn)生PDIUBD12的寫信號和地址，自動實現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到PDIUBD12接口芯片的傳送。這種類似DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸解決了由單片機(jī)控制引起的速度瓶頸，極大提高了傳輸速度，最大限度發(fā)揮了USB的優(yōu)點。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實現(xiàn)

當(dāng)主機(jī)需要傳輸數(shù)據(jù)時，通過控制管道發(fā)送請求，MCU接到命令后立即讓OV7620 讓出SRAM的數(shù)據(jù)總線，并通知PDIUBD12準(zhǔn)備好用于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞫它c，然后發(fā)送TXCOM 命令信號給CPLD （見圖1） ，通知CPLD開始傳送數(shù)據(jù)；當(dāng)完成64B的數(shù)據(jù)傳送后， CPLD向單片機(jī)發(fā)送TXEND信號，以示64B 傳送完畢，并等待下一個TXCOM信號，進(jìn)行下一個64B的傳送。單片機(jī)和CPLD通過這兩個信號完成握手。CPLD在接收到TXCOM命令后，地址總線正確恢復(fù)上次傳輸?shù)降腟RAM地址（第一次傳輸時地址為0） ，并且控制MCU讓出PDIUBD12的數(shù)據(jù)總線，然后產(chǎn)生SRAM讀信號/RD，此時數(shù)據(jù)總線上就有了要傳送的數(shù)據(jù)； 同時產(chǎn)生PDIUBD12 的寫數(shù)據(jù)標(biāo)志信號A0和寫信號/D12WR，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入PDIUBD12，完成數(shù)據(jù)從SRAM 到PDIUBD12 的傳送。其傳送數(shù)據(jù)的時序如圖3。注意， PDIUBD12的寫數(shù)據(jù)信號/D12WR， SRAM 的讀數(shù)據(jù)信號/RD 和SRAM的地址信號ADDR時序要嚴(yán)格配合。當(dāng)每一次完成64B 的數(shù)據(jù)傳輸后， CPLD 要發(fā)送TXEND 信號給MCU。整個傳輸過程控制嚴(yán)密緊湊，所有CPLD邏輯控制程序均采用VHDL 語言編寫，經(jīng)過測試，系統(tǒng)傳輸速度擺脫了單片機(jī)的影響，幾乎接近PDIUBD12的極限速度。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件包括USB設(shè)備固件、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。

設(shè)備固件程序

設(shè)備固件是設(shè)備運行的核心，其主要的功能是控制接口芯片PDIUBD12并完成USB1.1協(xié)議（包括標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請求、廠商請求處理、設(shè)置設(shè)備接口等） 。值得一提的是，此系統(tǒng)的單片機(jī)程序除了USB設(shè)備固件程序外，還有單片機(jī)對OV7620 的I2C控制軟件，與CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C進(jìn)行編制，最后鏈接后下載到MCU中。

設(shè)備驅(qū)動程序

在Windows操作系統(tǒng)中通過運行內(nèi)核層的驅(qū)動程序才能控制硬件， USB 設(shè)備驅(qū)動程序采用標(biāo)準(zhǔn)WDM設(shè)備驅(qū)動。WDM采用IRP驅(qū)動機(jī)制。當(dāng)應(yīng)用程序提出I/O請求時，它調(diào)用WIN32AP I函數(shù)向設(shè)備發(fā)出命令，然后由I/O管理器構(gòu)成一個IRP，USB設(shè)備驅(qū)動程序收到該IRP后，取出其中的控制碼來找到對應(yīng)的例程入口。在本系統(tǒng)開發(fā)中，驅(qū)動程序采用了DR IVERSTUD IO提供的DR IVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代碼生成工具（DR IVER WIZARD）及相應(yīng)的類庫。開發(fā)驅(qū)動項目時，應(yīng)用W IZARD 工具開發(fā)，自動生成驅(qū)動程序的。 INF安裝信息文件。對USB 設(shè)備驅(qū)動DR IVERW IZARD生成的代碼只需做少量的修改便可，最后對項目編譯鏈接后生成.SYS驅(qū)動程序。

應(yīng)用程序

在Win2系統(tǒng)中，把每個設(shè)備抽象為文件，應(yīng)用程序就通過幾條簡單的文件操作AP I函數(shù)實現(xiàn)與驅(qū)動程序中某個設(shè)備通信。USB通信常使用的API函數(shù)有：CreatFile， WriteFile， ReadFile， DeviceControl， CloseFile等。在應(yīng)用程序時只需將上述函數(shù)加入到相應(yīng)的功能模塊中便可完成應(yīng)用程序?qū)SB 設(shè)備進(jìn)行打開、讀、寫操作，這樣就完全實現(xiàn)了兩者的通信。應(yīng)用程序最終實現(xiàn)了VGA， CIF等圖像格式的應(yīng)用。

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