摘 要： 介紹了一種由USB3.0控制器和CMOS圖像傳感器組成的圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計；詳細(xì)論述了CYUSB3014和OV7670的硬件連接方式和工作原理，包括如何利用FIFO芯片緩存一幀圖像數(shù)據(jù)；介紹了系統(tǒng)的固件工作流程，包括CYUSB3014的初始化流程。本系統(tǒng)實現(xiàn)了攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)通過USB3.0總線的高速數(shù)據(jù)傳輸和在液晶屏上的實時顯示。
關(guān)鍵詞： USB3.0；圖像傳感器；圖像采集
隨著科技創(chuàng)新的不斷推進，新媒體格式和大容量、低價格的存儲設(shè)備層出不窮，需要更高的帶寬和傳輸速度。目前市場上的高清攝像頭大多通過網(wǎng)絡(luò)或USB2.0傳輸數(shù)據(jù)。有線和無線網(wǎng)絡(luò)適合遠(yuǎn)距離的圖像傳輸，而近距離的圖像傳輸，若采用網(wǎng)絡(luò)則對帶寬要求很高不經(jīng)濟；若采用USB2.0總線傳輸，則需要對高清圖像數(shù)據(jù)進行壓縮后再傳輸，很難實現(xiàn)實時傳輸。因此，針對近距離的高清圖像傳輸，采用USB3.0總線是一個理想的選擇，USB3.0理論最大傳輸速率為5.0 Gb/s，實際傳輸速率大約為3.2 Gb/s，可以很方便地實現(xiàn)圖像不經(jīng)處理的實時傳輸[1]。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計是基于USB3.0的圖像采集系統(tǒng)硬件，開發(fā)周期短，數(shù)據(jù)傳輸速度快，可應(yīng)用于對圖像質(zhì)量要求不高的場合，如智能家居中的可視對講和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
本設(shè)計的物理連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用CMOS OV7670圖像傳感器獲得視頻圖像和數(shù)字化輸出，通過FIFO芯片AL422B緩沖，USB3.0控制器CYUSB3014采集FIFO中的視頻數(shù)據(jù)，一方面通過液晶屏實時顯示，另一方面通過USB3.0接口將采集結(jié)果送至上位機，以進一步處理和存儲。
1.1 USB3.0控制器
本設(shè)計采用CYPRESS公司USB3.0控制器EZ-USB FX3 CYUSB3014作為圖像采集系統(tǒng)的核心。CYUSB3014內(nèi)嵌32位的ARM926EJ核，核心運行頻率可達(dá)200 MHz，具有5 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，特別適合快速傳輸大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，穩(wěn)定性好，實際幀率高。帶512 KB RAM 的片上內(nèi)核可提供高達(dá)200 MIPS的計算能力，可以直接處理一些原來必須放在上位機應(yīng)用軟件中處理的如圖像格式轉(zhuǎn)換等工作，提高了系統(tǒng)的集成度。同時CYUSB3014有更多的外設(shè)控制接口，數(shù)據(jù)位寬，靈活性好，適合各種外設(shè)的周邊擴展應(yīng)用。
CYUSB3014對圖像數(shù)據(jù)的采集可用GPIF(通用可編程接口)、DMA（直接內(nèi)存存?。?、GPIO(通用輸入/輸出)3種方式。其中前2種方式可實現(xiàn)與外設(shè)的無縫連接，數(shù)據(jù)傳輸由硬件處理，速度快穩(wěn)定性高，但開發(fā)周期較長；第3種方式數(shù)據(jù)傳輸速率低于前2種方式，但完全滿足本設(shè)計的需要，且開發(fā)難度較低。因此本設(shè)計選用GPIO方式控制外設(shè)并采集圖像數(shù)據(jù)。
1.2 FIFO攝像頭
本設(shè)計選擇OmniVision公司的包含30萬像素CMOS圖像感光芯片的攝像頭OV7670。OV7670體積小、工作電壓低，可提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能[2]。采用OV7670采集圖像數(shù)據(jù)有4種方法：（1）單片機直接采集；（2）帶有camera接口的32位芯片直接使用；（3）具有DMA功能的16位以上芯片實現(xiàn)采集；（4）增加FIFO模塊作為數(shù)據(jù)緩沖。其中第1種方法硬件連接最簡單，但由于OV7670的時鐘速度高達(dá)24 MHz，所以必須采用高速MCU或者降低CMOS輸出速度，同時必須嚴(yán)格按照OV7670的控制和時序關(guān)系進行圖像的采集。第2、3種方法需要主控芯片具有特定的功能。第4種方法在硬件上增加了FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖，但在讀取數(shù)據(jù)時僅需要關(guān)心如何讀取數(shù)據(jù)而不需要關(guān)心數(shù)據(jù)采集的控制和時序，使得數(shù)據(jù)采集大大簡便。因此本設(shè)計采用第4種方法。
OV7670通過SCCB總線接口與微處理器通信。SCCB是簡化的I2C協(xié)議，SIO_C是串行時鐘輸入線，SIO_D是串行雙向數(shù)據(jù)線，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議的SCL和SDA[3]。但是SCCB與I2C總線存在一些細(xì)微差別，如SCCB沒有重復(fù)起始的概念，在SCCB的讀周期中，當(dāng)主機發(fā)送完片內(nèi)寄存器地址后，必須發(fā)送總線停止條件。因此采用CYUSB3014的GPIO模擬SCCB總線，GPIO_SCL始終設(shè)置為輸出方式，GPIO_SDA在數(shù)據(jù)傳輸過程中根據(jù)需要通過設(shè)置相應(yīng)寄存器的值動態(tài)地改變輸入和輸出方式。SCCB的寫周期與I2C總線協(xié)議完全相同，可直接使用其時序；SCCB的讀周期則需要增加總線停止條件。本設(shè)計選擇SCCB總線的最大傳輸速度400 Kb/s，采用三相寫數(shù)據(jù)的方式對需要更改數(shù)據(jù)的寄存器進行讀寫操作，配置OV7670的不同圖像數(shù)據(jù)格式輸出、分辨率、自動曝光、自動增益、自動白平衡、飽和度、亮度、對比度等參數(shù)。
AL422B是AverLogic公司的FIFO存儲芯片，存儲容量為3 Mb（393 216 B×8 bit）。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成。AL422B主要用于存放OV7670輸出的完整的一幀圖像數(shù)據(jù)，存儲制式包括VGA、CCTR、NTSC、PAL、HDTV等[4]。
AL422B的FIFO_WCK為FIFO內(nèi)存寫時鐘控制端，寫數(shù)據(jù)時應(yīng)與此時鐘信號同步，因此將OV7670的像素時鐘PCLK連接至AL422B的FIFO_WCK。FIFO_RCK為FIFO內(nèi)存讀時鐘控制端，由CYUSB3014的GPIO引腳控制。
圖2所示為OV7670 VGA全幀輸出時序圖。為了保證采集完整的一幀數(shù)據(jù)，必須做到幀同步和行同步。本系統(tǒng)將OV7670的幀同步信號VSYNC連接至CYUSB3014的外部中斷INT上，下降沿時觸發(fā)中斷開始一幀的采集，實現(xiàn)幀同步。FIFO_WE用于控制使能/禁止數(shù)據(jù)輸入至FIFO，低電平時輸入數(shù)據(jù)在FIFO_WCK的上升沿取得，高電平時禁止數(shù)據(jù)寫入FIFO。AL422B的寫控制端FIFO_WR和OV7670的行同步信號HREF經(jīng)過與非門后連接至AL422B的寫使能控制端FIFO_WE，實現(xiàn)行同步。
1.3 液晶屏
本系統(tǒng)可通過USB3.0總線連接至上位機，通過相應(yīng)的應(yīng)用軟件和顯示屏查看實時或者處理過的視頻，也可通過一塊2.8英寸液晶屏ILI9325查看經(jīng)過CYUSB3014處理過的視頻。液晶屏在系統(tǒng)開發(fā)初期可作為直觀的調(diào)試工具，也可在本系統(tǒng)作為移動端時作為顯示工具，若采用上位機顯示也可省略液晶屏以節(jié)約成本。USB3.0控制器采用GPIO向液晶屏發(fā)送控制指令和8位視頻圖像數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)固件設(shè)計
FX3軟件開發(fā)工具組件(FX3 SDK)如圖3所示。Cypress公司提供了完整的FX3軟件和固件開發(fā)工具，包括豐富的應(yīng)用例程幫助開發(fā)者縮短開發(fā)周期。
本系統(tǒng)設(shè)計時主要應(yīng)用到設(shè)備端的FX3固件棧（FX3 Firmware Stack）。它包含了一個完整的API庫和一個詳盡的固件框架。其中，API函數(shù)封裝了所有對CYUSB3014寄存器的操作，使得開發(fā)者可以通過調(diào)用API函數(shù)實現(xiàn)對寄存器的配置。固件框架程序建立在ARM9和ThreadX實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所有的FX3應(yīng)用代碼包含兩個部分：（1）對于所有應(yīng)用程序通用的初始化代碼；（2）開發(fā)者根據(jù)特殊需要設(shè)計的應(yīng)用程序代碼。SDK包含了應(yīng)用例程的源程序，開發(fā)者應(yīng)用固件框架對例程進行相應(yīng)的修改就可以得到自己的應(yīng)用程序。SDK同時提供一個RTOS（實時操作系統(tǒng)）庫，可用于開發(fā)更復(fù)雜的多線程應(yīng)用程序。
本設(shè)計的固件流程圖如圖4所示。
首先，系統(tǒng)依次初始化CYUSB3014、液晶屏、OV7670和AL422B。初始化OV7670，使其輸出格式為QVGA (320×240)，圖像數(shù)據(jù)的格式為RGB565，同時配置AWB(自動白平衡)等圖像質(zhì)量參數(shù)。CYUSB3014的初始化非常重要，它將本系統(tǒng)正確地枚舉為USB3.0設(shè)備，并轉(zhuǎn)入固件入口點、初始化工具鏈、設(shè)備和應(yīng)用程序。其中設(shè)備的初始化與硬件關(guān)系最為密切，部分代碼如下。
Int main (void)
{ ……
//CPU時鐘設(shè)置、VIC（向量中斷控制器）初始化、設(shè)置PLLs（鎖相環(huán)）
status = CyU3PDeviceInit (NULL);
……
//設(shè)備Cache設(shè)置：設(shè)備有8 KB數(shù)據(jù)Cache和8 KB指令Cache
status = CyU3PDeviceCacheControl (CyTrue, CyFalse, CyFalse);
……
//IO矩陣設(shè)置：包括GPIF和串行接口（SPI/I2C/I2S/GPIO和UART）
//本設(shè)計僅適用UART總線用于調(diào)試
CyU3PMemSet ((uint8_t *)&io_cfg, 0, sizeof(io_cfg));
io_cfg.isDQ32Bit = CyFalse;
io_cfg.useUart = CyTrue;
io_cfg.useI2C = CyFalse;
io_cfg.useI2S = CyFalse;
io_cfg.useSpi = CyFalse;
io_cfg.lppMode = CY_U3P_IO_MATRIX_LPP_DEFAULT;
//使能GPIO[56]和GPIO[55]用于模擬SCCB總線
io_cfg.gpioSimpleEn[0] = 0;
io_cfg.gpioSimpleEn[1] = 0x01800000;
io_cfg.gpioComplexEn[0] = 0;
io_cfg.gpioComplexEn[1] = 0;
status = CyU3PDeviceConfigureIOMatrix (&io_cfg);
……
CyU3PKernelEntry (); //進入操作系統(tǒng)的入口函數(shù)
//直接開始執(zhí)行CyFxApplicationDefine(void)
//調(diào)用CyU3PThreadCreate（）創(chuàng)建用戶線程
……
}
接著等待上位機發(fā)出視頻數(shù)據(jù)采集指令，此時若需要修改OV7670的配置，可以通過SCCB總線寫入寄存器值進行設(shè)置。若接收到視頻數(shù)據(jù)采集指令，則需要先復(fù)位AL422B，在幀同步信號VSYNC的下降沿啟動采集一幀圖像的流程，同時開啟AL422B的FIFO寫使能，開始向FIFO內(nèi)寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)外部中斷檢測到VSYNC下一個下降沿時，關(guān)閉FIFO寫使能，結(jié)束一幀圖像數(shù)據(jù)的采集。
然后CYUSB3014通過USB3.0總線將采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行處理和存儲，同時發(fā)送至液晶屏進行實時顯示。繼續(xù)采集圖像數(shù)據(jù)直至上位機發(fā)出結(jié)束采集的指令。
本系統(tǒng)采用USB3.0控制器CYUSB3014、30萬像素的COMS攝像頭OV7670、FIFO存儲芯片AL422B和2.8英寸液晶屏共同組成了一種圖像采集系統(tǒng)的硬件。經(jīng)測試，液晶屏上的實時圖像清晰流暢，同時上位機能接收到正確的視頻數(shù)據(jù)，可用于進一步的處理和存儲。
參考文獻
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