基于ARM的紧凑型图像采集系统

摘要 利用ARM7(LPC2210)与CMOS感光芯片(OV7620)实现了一个紧凑型圈像采集、处理系统；通过夸理利用LPC2210数据总线的工作方式，有效地消除了OV7620对系统数据总线的干扰。SCCB控制，图像数据的采集、处理以及传输都由一片LPC22lO完成，特别适合于对功耗、体积要求较严格的嵌入式应用。
关键词 ARM7 OV7620 图像传感器 SCCB协议 数据采集

    0V7620是一种CMOS图像传感器，它被广泛应用在网络摄像头、摄像手机等产品中。由它组成的图像采集系统，比较常见的设计方法为OV7620搭配OV5ll+或CPLD／FPGA。OV511+或CPLD／FPGA采集的图像数据通过USB总线或双端口RAM输出到PC或MCU(ARM、DSP等)，由PC或MCU对图像数据进行进一步的处理。本文所设计的图像采集系统仅用一个ARM芯片就实现了OV7620的功能控制、时序同步、数据采集与处理等功能，系统结构紧凑、实用。

1 硬件结构
    OV7620是CMOS彩色／黑白图像传感器。它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30fp8；数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种，能够满足一般图像采集系统的要求。
    OV7620内部可编程功能寄存器的设置有上电模式和SCCB编程模式。本系统采用SCCB编程模式，连续扫描，16位RGB数据输出。系统硬件结构框图如图1所示。

    ARM芯片选用具有ARM7TDMI内核的LPC2210，通过LPC2210的GPIO模拟SCCB总线协议，控制OV7620的功能寄存器。使用LPC2210的3个中断引脚引入OV7620的图像输出同步信号VSYNC、HSYNC、PCLK，以中断方式同步图像数据输出。OV7620的YUV通道输出的16位并行数据通过LPC2210的高16位数据线接入。SST39VF160和IS61LV25616AL为扩展的Flash和SRAM，分别用作程序存储器和数据存储器。

2 具体实现
2．1 OV7620的功能控制
    OV7620的控制采用SCCB(SeriaI Camera ControlBus)协议。SCCB是简化的I2C协议，SIO-l是串行时钟输入线，SIO-O是串行双向数据线，分别相当于I2C协议的SCL和SDA。SCCB的总线时序与I2C基本相同，它的响应信号ACK被称为一个传输单元的第9位，分为Don’t care和NA。Don’t care位由从机产生；NA位由主机产生，由于SCCB不支持多字节的读写，NA位必须为高电平。另外，SCCB没有重复起始的概念，因此在SCCB的读周期中，当主机发送完片内寄存器地址后，必须发送总线停止条件。不然在发送读命令时，从机将不能产生Don’t care响应信号。
    由于I2C和SCCB的一些细微差别，所以采用GPIO模拟SCCB总线的方式。SCL所连接的引脚始终设为输出方式，而SDA所连接的引脚在数据传输过程中，通过设置IODIR的值，动态改变引脚的输入／输出方式。SCCB的写周期直接使用I2C总线协议的写周期时序；而SC-CB的读周期，则增加一个总线停止条件。
    OV7620功能寄存器的地址为0x00～0x7C(其中，不少是保留寄存器)。通过设置相应的寄存器，可以使OV7620工作于不同的模式。例如，设置OV7620为连续扫描、RGB原始数据16位输出方式，需要进行如下设置：

    I2CSendByte()为写寄存器函数，它的第1个参数OV7620为宏定义的芯片地址0x42，第2个参数为片内寄存器地址，第3个参数为相应的寄存器设定值。
2．2 OV7620时钟同步
    OV7620有4个同步信号：VSYNC(垂直同步信号)、FODD(奇数场同步信号)、HSYNC(水平同步信号)和PCLK(像素同步信号)。当采用连续扫描方式时，只使用VSYNC和HSYNC、PCLK三个同步信号，如图l所示。时为检测OV7620扫描窗口的有效大小，还引入了HREF水平参考信号。
    LPC2210的3个外部中断引脚分别作为3个同步信号的输入，相应的中断服务程序分别为Vsync_IRQ()、Hsync_IRQ()和Pclk_IRQ()。在内存中定义一个二维数组存储图像数据，一维用变量y表示，用于水平同步信号计数；二维用变量x表示，用于像素同步信号计数。图像采集的基本流程为：当用SCCB初始化好OV7620后，使能VSYNC对应的中断，在Vsync_IRQ()中断服务程序中判断是否已取得一帧数据。若是，则在主程序的循环体中进行数据处理；若不是，则使能HSYNC对应的中断，并将y置为O。在Hsync_IRQ()中断服务程序中，判断HREF的有效电平，若有效，则y加1，x置为O，并使能PCLK对应的中断。在Pclk_IRQ()中断服务程序中，判断HREF的有效电平，若有效，则z增加，同时采集一个像素点的图像数据。
2．3 图像数据的输出速度匹配
    在OV7620的3个同步信号中，PCLK的周期最短。当OV7620使用27 MHz的系统时钟时，默认的PCLK的周期为74 ns。而LPC2210的中断响应时间远远大于这个值。LPC2210的最大中断延迟时问为27个处理器指令周期，最小延迟时问为4个指令周期，再加上中断服务时间、现场恢复时间等，完成一次中断响应的时问要大于7～30个指令周期。当LPC2210使用最高系统频率60 MHz时，它的中断响应时间远大于O．2～0，6 μs，所以只能将OV7620的PCLK降频。通过设置时钟频率控制寄存器，可将PCLK的周期设为4μs左右。
2．4 图像数据的接入
    当OV7620工作于主设备方式时，它的YUV通道将连续不断地向总线上输出数据。如果将OV7620的YUV通道直接接在LPC2210的DO～D15数据总线上，则会干扰数据总线，使LPC2210不能正常运行；如果使用74HC244等隔离，分时使用数据总线的方法，则会大大降低系统的运行速度，使得LPC2210不能及时取走总线上的数据，造成图像数据不完整。由于LPC2210的数据总线宽度为32位，而Flash和SRAM仅占用了低16位数据线D0～D15，困此可以采用图l中的方法，将空闲的高16位数据线D16～D31设为GPIO，用于采集OV7620输出的16位图像数据。

2.5 图像数据的恢复

    OV7620采用16位输出方式时，Y通道和UV通道的数据输出格式如表l所列。从表l中可以看出，每一行Y通道和UV通道交替输出上一行的重复数据和本行的新数据。而在一行之内，B数据只在奇数列出现，R数据只在偶数列出现。

    下面以一个5×5的像素点阵为例，详细介绍图像数据的恢复。
    首先定义一个5×15的字节型数组，在Pclk_IRQ()中断服务程序中读取5×5个像素点的图像数据；然后对图像数据进行插值，奇数点则在数组的连续3个字节中存入B、G、0，偶数点则存入O、G、R；最后对当前行的每一个字节与下一行对应列的每一个字节求平均值，即可算出当前行的RGB值。而在每一行内，奇数点的R数据和偶数点的B数据可通过分别对其两侧的2个点的R和B数据求平均值得到。
    这样，一幅图像就恢复好了。可以直接存成二进制文件(本系统采用串口输出到PC进行显示)，或者增加BMP位图文件头信息，存成biBitCouNt=24的DIB位图文件；也可用LPC2210对此图像数据进行进一步的处理，如指纹识别等。

3 结论
    本系统的图像采集速度主要受限于LPC2210的中断响应时间，如果采用带有DMA控制器，并且具有更高处理速度的ARM芯片，可大大提高整个图像采集系统的速度。例如，采用具有ARM9内核的S3C2410，其最高系统频率达203 MHz，完成一次DMA传送的时间约为30 ns。小于默认的PCLK的周期74 ns，可以实现30 fps的图像采集速度。
    与搭配OV511+或CPLD／FPGA的图像采集系统相比，此图像采集系统极大地简化了系统结构，降低了系统设计成本，缩短了开发周期；图像数据的采集与处理均由ARM芯片完成，因而降低了数据中转过程中传输错误的几率，提高了系统的可靠性。