一種應用于ARM7的CMOS圖像采集系統(tǒng)

Samsung公司的S3C4510B是基于以太網系統(tǒng)高性價比的16/32位RISC微控制器，內含一個由ARM公司設計的16/32位 ARM7TDMI RISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，它具有0.9MIPS/MHz的三級流水線結構，支持32位ARM指令集和16位 Thumb指令集，有著功能豐富的片內外圍功能模塊，可掛載大容量的存儲器，最適合用于對價格及功耗敏感的應用場合。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconfuctor)，即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統(tǒng)內一種重要的芯片，將它加工也可以作為圖像采集系統(tǒng)中的感光傳感器。隨著 CMOS技術的發(fā)展及市場需求的增加，這種圖像傳感器得以迅速發(fā)展，它具有高度集成化、低成本、低功耗、單一工作電壓、局部像素可編程、隨機讀取等優(yōu)點，適用于超微型數碼相機、攝像機、安防監(jiān)控、汽車防盜、機器視覺、指紋識別、手機等圖像領域。本文介紹的是由美國OmniVision公司生產的 OV7640彩色CMOS圖像傳感器，它采用獨特的傳感器專利工藝技術和先進的算法（algorithms）解決了先前CMOS感光器件固定圖像噪聲（FPN）的限制。由這兩種芯片組成的系統(tǒng)有較強的實際應用價值。

1 系統(tǒng)的基本硬件組成

整個圖像采集系統(tǒng)主要有CMOS圖像傳感芯片OV7640、三星4510B控制器（板載64M存儲器）、晶振電路、電源幾部分組成。

OV7640是高度集成的彩色攝像芯片，可帶1/4”鏡頭，支持多種格式，內設的SCCB（Serial Camera Control Bus）串行控制總線接口，提供簡單控制方式，通過該接口，我們可以對OV7640芯片內部所有寄存器值進行修改，從而完成對OV7640的控制。另外，OV7640內置了640×480分辨率的鏡像陣列，Ａ/Ｄ轉換器，并支持外部水平、垂直同步輸入格式，外部微控制器和RAM界面、數字視頻輸出、增益控制、黑白平和白平衡等在內的控制寄存器功能模塊。

S3C4510B是一款不帶MMU的ARM７微處理器，可在其上運行uCLinux操作系統(tǒng)。它的系統(tǒng)時鐘最高可達６0MHz，有著豐富的外部資源接口，系統(tǒng)板載了６４Ｍ的存儲器，可直接利用板載的存儲器進行圖像數據的暫存，以最大限度的簡化系統(tǒng)。

系統(tǒng)的時鐘頻率由一顆２４MHz的有源晶振提供，系統(tǒng)電源為５Ｖ，S3C4510B需要1.8V和3.３V的電壓，OV7640需要2.5V和3.3V的電壓輸入，可通過電平轉換芯片LM1117進行轉換得到所需要的電壓。

2 硬件設計的思路和要點

系統(tǒng)功能是應用4510B芯片的GPIO口對OV7640圖像數據進行采集，然后進行相應的處理和識別。OV7640包含有8位數據D0－D7、同步信號VSYNC、HREF、PCLK，這些信號需要送給CPU以讀取圖像數據和保證同步；另一方面，由于OV7640默認幀頻為30Hz，在此幀頻下的圖像數據輸出為30Hz*307.2K＝9.216Mbytes/s，QVGA方式的數據率為30Hz*76.8K=2.3Mbytes/s,在不考慮同步的情況下已遠遠超過I/O口的響應速度，因此必須重新設置以降低幀頻。因此，在本系統(tǒng)中對OV7640的訪問有三個：第一是設置地址號為0x11的幀頻控制器CLKRC以降低幀頻，第二是設置地址號為0x14的控制器COMC以設置像素為320*240，最后是設置地址號為0x28的COMH以設置掃描格式。從信號的使用角度來說，需要用到OV7640的8位數據線D0－D7（雙向），同步信號VSYNC、HREF、PCLK（單向，供控制器讀），SCCB總線SIO_C（單向）、SIO_D（雙向）。

由于4510B板上IO口資源相當豐富，8位并行數據線和控制線都可以接在IO口上，設置好輸入輸出關系，通過軟件模擬SCCB總線實現控制器對 OV7640的控制。連接采用4510為主機，OV7640為從機的方式。在設置完幀頻以后就可以根據同步信號對一幀一幀的圖像進行采集了。系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

3 圖像采集的工作過程

1)通過SCCB總線設置OV7640的幀頻

系統(tǒng)上電后需要對CMOS圖像傳感器進行初始化，以確定采集圖像的開窗位置、開窗大小和黑白工作模式等。這些參數是受OV7640內部相應寄存器的值控制的，可通過SCCB總線對其進行設置。SCCB的接口有SCCE、SIO_C、SIO_D（SCCE是串行總線使能信號，SIO_C是串行總線時鐘信號，SIO_D是串行總線數據信號）三條引腳。OV7640芯片上沒有SCCE引腳，但也可實現單主對單從方式的通訊，控制總線規(guī)定的條件如下：當 SIO_C為高電平時，如SIO_D產生一個下降沿表明數據傳輸的開始，如SIO_D產生一個上升沿表明數據傳輸的結束；為了避免傳送無用的信息位，分別在傳輸開始之前、傳輸結束之后將SIO_D設置為高電平。在數據傳輸期間，SIO_D上數據的傳輸受SIO_C的控制，當SIO_C為低電平時，SIO_D上數據有效，SIO_D為穩(wěn)定數據狀態(tài)，SIO_C每出現一正脈沖，將傳送一位數據。其中兩根線的上升和下降時延、高低電平的維持時間都有較嚴格的要求，軟件的延時時間要根據CPU速度和GPIO口的速度精確的計算后才能使通訊保持順暢。如圖２所示：