CMOS圖像采集系統(tǒng)普遍存在圖像質量問題，如果沒有對圖像進行專門的處理，則圖像質量難以保障。近些年來，隨著SoC技術的快速發(fā)展，在圖像采集和處理領域，出現(xiàn)了SoC影像傳感器，它集成CMOS傳感器和圖形處理器功能，可以得到令人非常滿意的圖像質量。本文設計的視頻采集系統(tǒng)采用了SoC成像芯片MT9M111和USB2.0接口芯片CY7C68013。
系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。當圖像傳感器開始工作后，先將采集到的數據通過FPGA控制邏輯存儲到SRAM1中，一幀圖像的采集/存儲過程結束后，SRAM1進入寫結束狀態(tài)。此時切換SRAM，SRAM2繼續(xù)存儲采集到的數據，同時，SRAM1處于可讀狀態(tài)，由FPGA里的控制邏輯控制，將SRAM1中的數據傳輸到USB芯片，然后傳輸到主機。本系統(tǒng)采用雙SRAM結構和乒乓機制，兩片存儲器交替工作，使圖像的采集和傳輸并行進行。雙
幀存結構不僅提高了系統(tǒng)的速度，而且，由于在FPGA里實現(xiàn)各種圖像處理的算法大都需要比較大的存儲空間，所以兩個大容量SRAM在實現(xiàn)算法時可以充當外部緩存。
MT9M111
本系統(tǒng)采用美光公司推出的集成CMOS傳感器和圖形處理器的SoC產品MT9M111。MT9M111是低功耗、低成本漸進掃描CMOS圖像傳感器；130萬像素分辨率(1280H×1024V)；1/3英寸光學格式；全分辨率15fps的功耗為170mW，VGA分辨率30fps的功耗為90mW。MT9M111采用低漏電DRAM工藝，配備了美光的DigitalClarity專利技術，即使在最差的光照條件下也能提供清晰明亮的彩色圖像。MT9M111具有較低的暗電流，并降低了色度/亮度干擾和瞬間噪聲。MT9M111的嵌入可編程圖像流處理器提供的功能包括色彩恢復和修補、自動曝光、白平衡、鏡頭陰影修正、增加清晰度、可編程灰度修正、黑暗電平失調修正、閃爍避免、連續(xù)調整濾光尺寸、平滑的數字變焦、快速自動曝光模式和不工作時缺陷修正等。而且，還配備了兩線串行接口，USB芯片可以通過這兩線串口對其進行配置。
IS61WV20488
與圖像處理有關的SRAM參數主要是SRAM 的讀寫速度和容量。在容量方面，本系統(tǒng)采集圖像的最大分辨率為1280×1024，數據寬度為8位，2M×8bit的SRAM可以滿足存放一幀圖像數據的要求。SRAM的讀寫速度一般為12ns、15ns、20ns或者更慢，由于SRAM的讀寫速度直接影響整個圖像處理系統(tǒng)的時鐘，所以，SRAM的讀寫速度越快越好。本系統(tǒng)選用了ISSI公司的IS61WV20488，芯片容量為2M×8bit。
CY7C68013
圖像數據傳輸部分采用Cypress公司推出的專門用于USB2.0的接口芯片CY7C68013。該芯片包括帶815kB 片上RAM 的增強型8051 處理器(與標準8051 系列兼容,速度提高3~5倍)、4kB FIFO 存儲器和通用可編程接口I2C 總線、串行接口引擎( S IE ) 以及USB2.0 收發(fā)器。
圖1 基于SoC影像傳感器的視頻采集系統(tǒng)
系統(tǒng)軟/硬件設計
系統(tǒng)軟/硬件設計由3部分構成：圖像采集/存儲模塊、圖像傳輸模塊和USB驅動/主機應用程序模塊。
圖像采集/存儲模塊
該模塊主要由FPGA的控制邏輯將成像芯片MT9M111采集到的圖像數據實時地傳送到SRAM中。在系統(tǒng)中采用雙幀存結構，每個由一片IS61WV20488 SRAM構成，能夠存放一幀1280×1024分辨率的圖像數據。由于采用了乒乓機制，兩片存儲器之間交替工作，從而使圖像的采集和傳輸并行進行。為確保在任何時刻只有一片SRAM可以讀取采集到的圖像數據，設置了一個讀互斥鎖，同樣，只有一個SRAM可接收采集到的圖像數據，因此，又設置了一個寫互斥鎖。需要注意的是，由于圖像傳感器的圖像數據輸出速度要比USB2.0傳輸速度慢，所以，當讀完SRAM2的數據以后，需要等待另一片SRAM1完成寫圖像數據后，才可以向SRAM2寫入下一幀圖像數據，而SRAM1無需等待便可以直接進行讀取圖像數據的工作，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)了并行工作，有效地提高了系統(tǒng)的工作效率。圖2為系統(tǒng)控制電路的原理框圖，F(xiàn)PGA內部各個模塊均采用Verilog HDL編寫。
圖2 FPGA控制電路框圖
圖像傳輸模塊
采集完一幀圖像后，要經過USB時鐘信號控制模塊將外部RAM中的圖像數據讀入到主機。在本圖像采集系統(tǒng)中，使用CY7C68013的Slave FIFO異步工作方式，把FIFO配置成和EP2端口相連、每個數據包1024字節(jié)、4緩沖的方式，塊傳輸模式。這樣的設置可以滿足系統(tǒng)要求，同時也有效地利用了內部的4kB FIF
O來傳輸采集到的圖像數據，系統(tǒng)控制使用了FALGB信號引腳，用來報告“FIFO滿”的狀態(tài)，默認為低電平有效。本文采用的是自動輸入方式，當FIFO中的數據滿一定量時，EZ-USB-FX2就直接通過FIFO把數據傳送到USB收發(fā)器，而不經過CPU的干預，這樣就提高了傳輸速度，本系統(tǒng)當FIFO滿1kB時開始自動發(fā)送。
USB驅動和主機應用程序模塊
USB設備驅動程序的開發(fā)是USB系統(tǒng)開發(fā)的難點，尤其是在本系統(tǒng)傳輸數據量大且速度要求高的情況下，就要編寫出高效的USB設備驅動程序，才能保證高分辨率圖像的實時傳輸。本系統(tǒng)采用DDK來開發(fā)WDM驅動程序。實際上，USB 客戶驅動程序中包含大量的例程，對開發(fā)驅動程序有很大的幫助。主機應用程序的主要功能是通過USB接口讀取圖像數據并實時顯示動態(tài)圖像.為提高主機應用程序的效率，可以使用雙線程。
結語
本系統(tǒng)采用具有130萬像素的影像傳感器MT9M111，保證了圖像質量，采用USB2.0接口芯片CY7C68013保證了圖像的實時傳輸，且設計靈活，為實現(xiàn)各種圖像處理算法提供了軟/硬件支持。