發布日期：2022-05-20 點擊率：67
引 言
與視頻采集卡等傳統圖像采集系統相比，嵌入式圖像采集系統具有體積小、成本低、可靠性高等優點，在智能交通、遠距離監控、汁算機視覺等領域應用廣泛。本文所設計的嵌入式圖像采集系統是采用以ARM7為內核的LPC2106作為主控芯片和，先控制CMOS傳感器OV6620進行圖像采集，然后由LPC2106控制先將圖像數據存放人FIFO存儲器AL4V8M1440中，最后將圖像采集結果通過多種通信接口進行傳輸，或者通過SD卡來提取該圖像采集系統中的圖像數據。該圖像采集系統僅用一個ARM芯片就實現了對OV6620的功能控制、時序同步、數據采集與處理等功能，系統結構緊湊，功能強大。
1系統總體方案
在檢測時，光線會照射在被攝物體表面，ARM控制面陣CMOS攝像頭采集圖像，再把獲得的圖像數據送入FIFO存儲器中緩沖一下，然后通過串口傳輸給電腦，也可通過SD卡接口將圖像存放入SD卡中。
2系統硬件設計
2.1 ARM與CMOS的接口
OV6620是CMOS彩色／黑白圖像傳感器。它支持連續和隔行2種掃描方式，CIF與QCIF兩種圖像格式；最高像素為352×288，幀速率為26 fps；數據格式包括YUV、YCrCb、RGB三種，能夠滿足一般圖像采集系統的要求。OV6620內部可編程功能寄存器的設置有上電模式和SCCB編程模式。本系統采用SCCB編程模式，連續掃描，8位RGB數據輸出。系統硬件結構框圖如圖2所示。
ARM芯片選用具有ARM7TDMI內核的LPC2106，通過LPC2106的GPIO模擬SCCB總線協議設置OV6620的功能寄存器。使用LPC2106中斷口引入OV6620的圖像輸出垂直同步信號VSYNC，以中斷方式同步圖像數據輸出。OV6620的Y0～Y7通道輸出的8位并行數據先通過AL4V8M440緩存，再進入LPC2106中。
AL4V8M440為FIFO存儲器，作用是對CMOS傳感器所采集的圖像數據進行緩存，調節ARM同CMOS之間速度的差異，從而采集到完整圖像。
2.2 ARM與SD卡接口
SD卡(secure digiatl memory card)是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備。SD卡由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發研制。SD卡有著廣泛的應用領域，音樂、電影、新聞等多媒體文件都可以方便地保存到SD卡中。本文加入該接口，可以方便提取圖像采集系統的數據。
SD卡支持SPI和BUS兩種接口模式，本系統采用SPI接口模式。SD卡的DAT0接到MOSI，CLK(時鐘線)接到SCK，CMD(命令線)接到MOSI，CS接到P0.14。SD卡支持單線和4線讀／寫，前者通過DAT0進行數據串行傳輸，CS作為中斷口，最高傳輸速率25 Mbps；后者通過DAT0～DAT3分別進行串行數據傳輸，最高傳輸速率100 Mbps。本系統選用的是前者，可以節省硬件資源，實現方便，ARM與SD卡接口的硬件結構框圖如圖3所示。
3系統軟件設計
3.1 ARM與CMOS的軟件接口設計
3.1.1 OV6620的寄存器設置
由于SCCB不支持多字節的讀寫，NA位必須為高電平。另外，SCCB沒有重復起始的概念，因此在SCCB的讀周期中，當主機發送完片內寄存器地址后，必須發送總線停止條件。不然在發送讀命令時，從機將不能產生Don't care響應信號。
由于I2C和SCCB的一些細微差別，所以采用普通IO口P0.22，P0.23模擬SCCB總線的方式。SCCB的寫周期直接使用I2C總線協議的寫周期時序；而SC-CB的讀周期，則增加一個總線停止條件。OV6620功能寄存器的地址為0x00～0x50(其中，不少是保留寄存器)。通過設置相應的寄存器，可以使OV6620工作于不同的模式。
例如，設置OV6620為低分辨率、自動曝光、自動白平衡和設置幀時鐘周期，需要進行如下設置：
camera_set_register()為設置寄存器函數，它的第1個參數OV6620_addr為宏定義的芯片地址0xC0，第2個參數為片內寄存器地址，第3個參數為相應的寄存器設定值。
3.1.2 OV6620采集過程
OV6620有4個同步信號：VSYNC(垂直同步信號)、FODD(奇數場同步信號)、HREF(水平同步信號)、PCLK(像素同步信號)。當采用連續掃描方式時，只使用VSYNC和HREF、PCLK三個同步信號。
LPC2106的1個外部中斷引腳分別作為VSYNC信號的輸入，相應的中斷服務程序分別為Vsync_IRQ()，HREF接LPC2106的普通IO口，PCLK接FIFO存儲器的讀時鐘。
圖像采集的基本流程為：當用SCCB初始化好OV6620后，使能VSYNC對應的中斷，在Vsync_IRQ()中斷服務程序中判斷是否已取得一幀圖像數據。若不是，則打開FIFO的寫使能，將一幀圖像數據寫入FIFO存儲器中；若是，則關閉FIFO的寫使能，CMOS不向FIFO存儲器，而等待ARM讀取FIFO存儲器的一幀圖像數據。
3.1.3圖像提取過程
圖像提取的基本流程為：當采集數據已經存放在FIFO中，利用ARM取出數據，再傳輸給上位機。先對FIFO進行讀復位，使FIFO指針指向首地址，再根據OV6620所輸出RGB數據的格式進行讀取。
其中，提取過程最重要的是OV6620所輸出RGB數據格式，它影響到提取圖像的準確性。本系統應用的是8位輸出，其數據格式見表1所示。
第一行Y通道是無效數據應該去除，從第二行開始讀取，在一行之內，B、R數據只在奇次項出現，G數據只在偶次項出現。而在每一行內，偶數點的R數據、B數據可通過分別對其兩側的2個點的R和B數據求平均值得到。
這樣，一幅圖像就提取完了，可以直接存成二進制文件(本系統采用串口輸出到PC進行顯示處理)或者存儲到SD卡上。
3.2 ARM與SD卡的軟件接口設計
ARM同SD卡接口有SPI和BUS兩種接口模式，本系統采用SPI接口模式，這樣可以直接利用LPC2106自帶的SPI接口進行數據傳輸，實現方便。SD卡的SPI通道由以下4個信號組成：CS(片選)，CLK(時鐘)，DataIn(主機到卡的數據信號)和DataOut(卡到主機的數據信號)。CS是SD卡的片選信號線，在整個SPI操作過程中，必須保持低電平有效，CLK用于同步，DataIn不但傳輸數據，還發送命令，同樣DataOut除了發送數據外還傳送應答信號。
在SPI模式中，SD卡可以支持單塊以及多塊數據的讀寫。這里以單塊數據的寫入和讀取為例。其中單塊數據寫入SD卡的步驟是先向SD卡發送單塊寫命令CMD24以及寫地址，卡將發送給主機一個應答信號，并且等待主機發送一個數據塊來，當應答信號reasult為0時，說明可以發送數據，一塊的大小為512個字節。卡對每個發送給自己數據塊通過一個應答信號確認，它有1字節長，當其低4位十六進制為0x05時，數據塊才被正確寫入SD卡。所以在發送完單塊數據后，將判斷應答信號是否為0x05。
單塊數據寫入SD卡流程圖如圖4所示。而從SD卡讀取單塊數據的步驟是先向SD卡發送單塊寫命令CMD17以及讀地址，卡將發送給主機一個應答信號，并且向主機發送單塊數據，當應答信號reasult為0時，說明可以接收數據，接著判斷接收的第一個字節是否為起始字節0xFE，是的話就接收5112 B，否則就讀取數據失敗。寫入和讀取SD卡單塊數據流程圖如圖4、5所示。
4實驗結果
根據以上的設計思路搭建了一個圖像采集系統，進行圖像采集實驗，并將所采集到的圖像數據添加上BMP位圖文件頭信息用bmp格式文件存入SD卡，便于在電腦上讀取SD卡上的圖像數據。
現以拍攝運動中的商標帶為例，在運動中的某一時刻拍攝圖片如圖6所示。從圖6上表明該圖像采集系統可以實現實時采集，且所采集圖像的圖案清晰，準確率較高，基本滿足設計的要求。
5結語
本文主要介紹了利用LPC2106硬件平臺和OV6620攝像頭進行圖像采集，以及將采集到的圖像數據通過SD卡進行圖像存儲的方法。與普通的視頻采集卡相比，此嵌入式圖像采集系統極大地簡化了系統結構，降低了系統設計成本，縮短了開發周期；圖像數據的采集與處理均由ARM芯片完成，因而降低了數據中轉過程中傳輸錯誤的幾率，提高了系統的可靠性。
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