基于DSP TMS320VC5402的水表號(hào)碼圖像采集系統(tǒng)的研究

1引言

隨著科學(xué)研究對(duì)圖像采集的要求日益提高，對(duì)號(hào)碼圖像采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)量、速度都提出了越來越高的技術(shù)要求。為了實(shí)現(xiàn)號(hào)碼圖像的自動(dòng)讀取, 以前采用CCD圖像傳感器加顯示器推出新型高集成視頻解碼/解交織和縮放系統(tǒng)方案 >視頻解碼芯片SA7113實(shí)現(xiàn)號(hào)碼圖像的采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存器FIFO后存入外擴(kuò)的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中, 圖像的截取是通過可編程邏輯器件CPLD來實(shí)現(xiàn)的[1][2]。雖然該種方法實(shí)現(xiàn)了圖像的截取，但硬件電路復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)成本。本文使用的信號(hào)處理器TMS320VC5416的片上程序存儲(chǔ)器ROM為16K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM為128K，而一幅640*480的灰度圖像就有300K左右，顯然處理器的存儲(chǔ)容量不夠。因此本文針對(duì)這種情況采用具有圖像截取功能的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620，取代CCD模擬傳感器加視頻解碼芯片SA7113，簡(jiǎn)化了硬件電路，解決了信號(hào)處理器TMS320VC5416的存儲(chǔ)容量有限的問題。

2系統(tǒng)采集方案的確定

號(hào)碼圖像采集的方法有一種是采用CCD圖像傳感器加視頻解碼芯片，從CCD攝像頭出來的視頻模擬信號(hào)需經(jīng)過視頻解碼器轉(zhuǎn)換為視頻數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO緩存，最后通過可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行圖像截取才能進(jìn)入信號(hào)處理器(DSP)處理。由于DSP的控制能力比較差，本身的通用I/O口少，而對(duì)視頻解碼器的控制是通過內(nèi)置的I2C總線來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻解碼器的控制，I2C總線是用單片機(jī)的P1口模擬完成對(duì)視頻解碼器的初始化，雖然這種方案實(shí)現(xiàn)了號(hào)碼采集，但硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

TMS320VC5416最大允許訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為128K,而一幅640*480的灰度圖像就需要大約300K的存儲(chǔ)空間，因此系統(tǒng)針對(duì)信號(hào)處理器的TMS320VC5416存儲(chǔ)容量有限的特點(diǎn)，選擇了內(nèi)部集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D且具有圖像開窗功能的CMOS圖像傳感器OV7620。這種傳感器具有內(nèi)部默認(rèn)工作模式和I2C總線模式，為實(shí)現(xiàn)圖像截取功能，將TMS320VC5416的主機(jī)接口HPI改為通用I/O口，分別用HD2和HD3模擬I2C總線的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL進(jìn)行I2C總線的設(shè)置。通過設(shè)置OV7620內(nèi)部各個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)開窗等

一系列功能，將感興趣的圖像截取出來，數(shù)據(jù)輸出只采集OV7620低8位(Y7-Y0)亮度數(shù)據(jù)，減少了TMS320VC5416的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和處理量，節(jié)省了TMS320VC5416的存儲(chǔ)空間。

3 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1號(hào)碼圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該號(hào)碼圖像采集系統(tǒng)是由CMOS圖像傳感器OV7620，信號(hào)處理器TMS320VC5416及數(shù)據(jù)隔離器74LVCH16245A三部分組成。

這里主要介紹圖像傳感器的確定和圖像采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，系統(tǒng)采用CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620采集水表號(hào)碼，存入TMS320VC5416內(nèi)部的RAM中，在OV7620與TMS320VC5416之間采用菲利普公司的74LVCH16245A作為數(shù)據(jù)隔離芯片。用TMS320VC5416的HD2和HD3分別模擬數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL, 即在硬件電路上保證圖像傳感器工作在I2C總線格式，在軟件上系統(tǒng)將TMS320VC5416的HP0改為通用I/O口作為水表號(hào)碼采集的使能。當(dāng)/1OE為低電平時(shí)，74LVCH16245A將數(shù)據(jù)通道打開，TMS320VC5416開始接收數(shù)據(jù)從而系統(tǒng)完成水表號(hào)碼的采集工作。

3.2圖像傳感器OV7620

由圖2所示，圖像傳感器OV7620內(nèi)部集成了行列選擇電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路等，并可與I2C總線接口。大大簡(jiǎn)化了其外圍電路設(shè)計(jì)，外圍電路僅有石英晶體和一些電阻、電容等元器件組成。OV7620的開窗特征允許用戶根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置有效圖像數(shù)據(jù)窗口的大小。其范圍從4×2到664×492，并且該窗口能夠被置于664×492邊界范圍內(nèi)的任何位置,同時(shí)窗口大小的變化不會(huì)改變輸出數(shù)據(jù)速率和幀速，它僅僅是通過調(diào)整行頻參考信號(hào)的有效時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。在速度方面可通過設(shè)置寄存器11(時(shí)鐘速率控制)改變采集速度，降低采集速度可為識(shí)別處理水表號(hào)碼提供時(shí)間，這對(duì)于系統(tǒng)采集有效數(shù)據(jù)以及提高系統(tǒng)性能等方面都起到了很大幫助，因此系統(tǒng)選用了具有圖像截取功能的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620。

3.3圖像采集硬件電路的實(shí)現(xiàn)

在圖像傳感器OV7620和TMS320VC5416之間需加一個(gè)數(shù)據(jù)隔離信號(hào)，通知信號(hào)處理器TMS320VC5416接收?qǐng)D像。本文用的是菲利普公司的帶方向控制的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送器74HC16245A，它的作用是數(shù)據(jù)隔離。

由于TMS320VC5416工作在160MHz時(shí)對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行判斷大約需要7個(gè)時(shí)鐘周期(45ns左右)，而OV7620的輸入時(shí)鐘為27MHz，所以需要對(duì)OV7620的輸入時(shí)鐘進(jìn)行二分頻來產(chǎn)生象素時(shí)鐘(13.5MHz 74ns)，設(shè)置時(shí)鐘速率控制寄存器(Clock rate control)為0x80實(shí)現(xiàn)二分頻,實(shí)現(xiàn)DSP與傳感器之間同步工作。

系統(tǒng)上電后，TMS320VC5416通過I2C總線對(duì)CMOS圖像傳感器OV7620的工作寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，包括開窗大小、位置，場(chǎng)頻，掃描方式等。OV7620即開始按要求采集并輸出圖像信號(hào)，包括行同步信號(hào)HREF、場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC、像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK和圖像信號(hào)，隨后CMOS圖像傳感器OV7620在使能信號(hào)的控制下將采集到的圖像存入TMS320VC5416中，完成圖像的采集。

圖像采集的關(guān)鍵是圖像采集起始點(diǎn)的精確控制，本系統(tǒng)是在I2C總線模式下設(shè)置OV7620的內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)各個(gè)同步信號(hào)極性的控制，VSYNC的上升沿表示一幀新圖像的到來，HREF是水平同步信號(hào)，其上升沿表示一列圖像數(shù)據(jù)的開始，PCLK是輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)。HREF為高電平即可開始有效地?cái)?shù)據(jù)采集，而PCLK下降沿的到來則表明數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，PCLK每出現(xiàn)一個(gè)下降沿，系統(tǒng)便傳輸一位數(shù)據(jù)。HREF為高電平期間，系統(tǒng)共傳輸640位數(shù)據(jù)。即在一幀圖像中，即VSYNC為低電平期間，HREF會(huì)出現(xiàn)480次高電平。而下一個(gè)VSYNC信號(hào)上升沿的到來則表明分辨率640×480的圖像采集過程的結(jié)束。

4號(hào)碼采集系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)

4.1通用I/O控制器和通用I/O狀態(tài)寄存器配置

TMS320VC5416主機(jī)接口(HPI)用于在主從模式下，實(shí)現(xiàn)DSP與外部器件通信，它具有一個(gè)增強(qiáng)型HPI接口，該接口用8-bit數(shù)據(jù)總線(HD0-HD7)與主機(jī)交換信息[3]。通過設(shè)置通用I/O控制寄存器(GPIOCR)和通用I/O狀態(tài)寄存器(GPIOSR)相應(yīng)位，可以將HD0- HD7轉(zhuǎn)換成通用I/O，再通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)與I2C總線的接口。相關(guān)的控制器如圖3所示。

在本系統(tǒng)是將TMS320VC5416的HPIENA直接接地，這時(shí)HD7~HD0作為通用I/O口 使用，HD7 ~ HD0的輸入輸出狀態(tài)由GPIOCR的相應(yīng)位(DIR7~DIR0)控制，當(dāng)DIRx為0時(shí)，HDx作為輸入腳，當(dāng)DIRx為1時(shí)，DIRx作為輸出腳，GPIOSR中的I07 ~ I00作為對(duì)應(yīng)的(HD7~HD0)輸入輸出數(shù)據(jù)位。

4.2 I2C總線簡(jiǎn)介

集成電路芯片間總線I2C [4](Inter – Integrated Circuit)是Philips公司提出的一種允許在簡(jiǎn)單的二線總線上工作的串行接口和軟件協(xié)議，主要用于傳感器與控制器件間的數(shù)據(jù)通信。

I2C總線上只有時(shí)鐘SCL為高電平時(shí)的數(shù)據(jù)才有效，而且SDA上高/低電平的轉(zhuǎn)換只能在SCL為低電平時(shí)完成;最后以Stop終止傳輸，釋放總線。

4.3 軟件編程實(shí)現(xiàn)HPI與I2C總線接口

首先設(shè)置寄存器，將相應(yīng)的HPI接口改為通用的I/O口，然后通過軟件編程實(shí)現(xiàn)I2C總線協(xié)議[5]，在此僅以I2C總線啟動(dòng)為例簡(jiǎn)單介紹說明如何實(shí)現(xiàn)的：(其中HD2為SDA,HD3為SCL)

4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際效果，本文采用普通的白熾燈為光源，CMOS圖像傳感器OV7620開窗為200×40情況下采集了水表號(hào)碼圖像，由圖5可以看出所采集到的圖像達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)圖像的識(shí)別處理奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

系統(tǒng)選用具有圖像開窗功能的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620采集水表號(hào)碼圖像， OV7620內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和視頻時(shí)序產(chǎn)生電路，不但簡(jiǎn)化了硬件電路結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的成本，而且從640×480圖像中截取200×40的有效圖像，大大降低了圖像的存儲(chǔ)量和處理量，解決了信號(hào)處理器TMS320VC5416的存儲(chǔ)空間不足的問題。

創(chuàng)新點(diǎn)：1.采用OV7620采集號(hào)碼圖像，簡(jiǎn)化了硬件電路 。

2.將TMS320VC5416的HPI接口改為通用I/O口，實(shí)現(xiàn)與I2C總線接口。

3.利用OV7620開窗功能實(shí)現(xiàn)圖像的截取，解決TMS320VC5416存儲(chǔ)空間不足的問題。