基于ARM9的CMOS圖像采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要： 采用32位ARM微處理器、CMOS圖像傳感器和CPLD為核心器件，設計實現(xiàn)面向機器視覺領域的CMOS圖像采集系統(tǒng)，主要功能模塊有SDRAM存儲單元、圖像采集單元、以太網(wǎng)傳輸模塊、UART串口通信模塊、Flash模塊、電源模塊等；與傳統(tǒng)的“圖像采集卡-PC-終端控制設備”模式的機器視覺系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、功耗低、實時性強、設計靈活等優(yōu)點。實驗測試結果表明，該圖像采集系統(tǒng)硬件平臺方案設計合理、可行，具有實際參考價值。該系統(tǒng)可應用于視頻圖像監(jiān)控、圖像自動檢測、醫(yī)療及軍事檢測等場所，具有良好的應用前景。
關鍵詞： ARM9；機器視覺；CMOS圖像傳感器；圖像采集

　機器視覺在國民經(jīng)濟、科學研究以及國防建設等領域都有著廣泛的應用。在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質量效率低且精度不高，用機器視覺可以提高生產(chǎn)效率和自動化程度。圖像采集系統(tǒng)是機器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，目前圖像采集常用的兩種圖像傳感器為CCD與CMOS圖像傳感器。CCD一般輸出帶制式的模擬信號，需要經(jīng)過視頻解碼器得到數(shù)字信號才能傳入微處理器中，而CMOS圖像傳感器直接輸出數(shù)字信號，可以直接與微處理器進行連接。不同的CMOS圖像傳感器有不同的性能，主要表現(xiàn)在圖像分辨率大小不同、幀速率不同、曝光方式不同等，CMOS圖像傳感器可直接通過I2C來設置圖像分辨率大小及曝光、增益等參數(shù)，而CCD圖像傳感器則需要對視頻解碼器進行設置來控制圖像的曝光、增益等參數(shù)信息。相對于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器具有低功耗、小體積、高速數(shù)據(jù)傳輸和方便控制等優(yōu)點，因此，CMOS圖像傳感器更適用于嵌入式系統(tǒng)應用中[1]。本文從實際應用出發(fā)，采用32位ARM9微處理器S3C2410A作為CPU來控制其他功能模塊，設計實現(xiàn)面向機器視覺的CMOS圖像采集系統(tǒng)，主要功能模塊有SDRAM存儲單元、圖像采集單元、以太網(wǎng)傳輸模塊、UART串口通信模塊、Flash模塊、電源模塊等。與傳統(tǒng)的“圖像采集卡-PC-終端控制設備”模式的機器視覺系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、功耗低、實時性強、設計靈活等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)結構
　典型的機器視覺系統(tǒng)一般包括圖像采集模塊、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、光源系統(tǒng)、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊[2]。其中圖像采集和數(shù)字圖像處理模塊的速度是評價嵌入式視覺系統(tǒng)硬件設計的性能指標，文獻[3～6]分別給出了目前常見的四種嵌入式視覺系統(tǒng)結構：(1)采用USB接口攝像頭結構[3]：圖像采集部分的硬件用USB接口的CMOS攝像頭，攝像頭應可與集成的USB的CPU接口直接相連。USB接口可以實現(xiàn)高速的串行通信，但USB攝像頭要開發(fā)專門的驅動，大大增加了軟件的開發(fā)量和難度。(2)引入異步FIFO結構[4]：在圖像傳感器和主控CPU間采用異步FIFO解決傳感器輸出數(shù)據(jù)頻率和主控CPU采集頻率不匹配的問題，當FIFO滿時CPU再快速讀取FIFO數(shù)據(jù)。異步FIFO可以是雙口RAM或者在FPGA內開辟。

　(3)CPLD為核心的圖像采集結構[5]：直接由CPLD根據(jù)圖像傳感器輸出的時序信號，控制SRAM的讀寫，當一幀數(shù)據(jù)信息采集完畢后向CPU發(fā)送采集完畢信號；CPU需要對圖像進行處理時，再通過CPLD到SRAM里讀取數(shù)據(jù)。(4)由外部中斷實現(xiàn)圖像采集結構[6]：圖像傳感器的幀同步、行同步和像元同步信號分別與CPU的一個外部中斷連接，CPU根據(jù)中斷次數(shù)來判斷一幀圖像是否采集完成。
　通過對幾種方案的對比分析，綜合實際應用及開發(fā)難度等因素，確定系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)由圖像采集、圖像緩沖和圖像處理三部分組成。在圖像緩存中，CPLD將圖像傳感器采集的10位數(shù)據(jù)移位成32位，再通過外部請求DMA的辦法，由主控CPU的DMA控制器將32位數(shù)據(jù)送到RAM保存。這樣可以減少常見中低速圖像采集的資源浪費，又避免了CPU響應滯后的缺點。

2 硬件設計
　系統(tǒng)總體硬件結構圖如圖2所示。其中，圖像采集器采用柯達公司的CMOS單色圖像傳感器KAC9638；圖像的緩存由CPLD芯片XC95144和外擴SDRM(HY57V561620)組成；圖像處理核心部分采用Samsung公司的ARM9(S3C2410A)，并外擴了UART、以太網(wǎng)通信接口、USB口及LCD人機接口，方便系統(tǒng)調試和與其他設備交換數(shù)據(jù)。

　硬件系統(tǒng)工作流程是：(1)系統(tǒng)上電后ARM9通過I2C接口直接對圖像傳感器進行初始化，然后等待上位機命令；(2)接收到上位機命令后，ARM9先進行DMA初始化，然后向CPLD發(fā)送采集命令。CPLD啟動圖像采集并申請ARM9的DMA，將一幀圖像的數(shù)據(jù)保存到ARM9的SDRAM中；(3)完成圖像采集后ARM9進入DMA完成，進行圖像處理并將結果通過串口輸出。
2.1 存儲器選擇
　S3C2410A芯片外部可尋址的存儲空間是1 GB，被分成8個存儲塊，每塊128 MB，各個存儲塊由片選信號nGCS0～nGCS7譯碼產(chǎn)生。數(shù)據(jù)總線引腳為DATA0～DATA31共32根，可配置成8 bit/16 bit/32 bit的數(shù)據(jù)寬度；地址總線引腳為ADDR0~ADDR26共27根，支持128 MB空間。S3C2410A是32位的微處理器，外部總線也是32位，要充分發(fā)揮其32位總線性能優(yōu)勢，應采用32位的存儲系統(tǒng)。方法是采用兩片16位數(shù)據(jù)寬度的Flash存儲器芯片并聯(lián)或一片32位數(shù)據(jù)寬度的Flash存儲器芯片。本設計采用了兩片Intel的E28F128J3A組成了16M×32bit的NOR Flash，其中一片為高16位，另一片為低16位。采用三星公司的兩片半字SDRAM (HY57V561620)共同組成一個16 M×32 bit的SDRAM系統(tǒng)，提高了其與CPU的通信效率。
2.2 通信接口設計
2.2.1 UART及USB接口設計
　S3C2410A的UART提供了三個獨立的異步串行I/O口，每個串行口可以獨立地工作在中斷模式和DMA模式。UART使用系統(tǒng)時鐘，支持最高230.4 kb/s波特率的數(shù)據(jù)通信。每個UART串行口提供兩個16 B的FIFO分別用來做發(fā)送和接收緩沖。本系統(tǒng)采用MAX202芯片作為RS-232的接收器/驅動器，將UART0和UART1連接到9DB接頭與DSP和PC通信。S3C2410A有2個USB主設備和1個USB從設備，USB設備控制器允許DMA模式的批量傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。在系統(tǒng)設計中，USB設備用來和PC機通信供調試用，因此使用從設備口(兼容USB Ver1.1標準)。
2.2.2 以太網(wǎng)接口電路設計
　S3C2410A片上沒有以太網(wǎng)口，因此必須外加以太網(wǎng)控制器才能擴展。系統(tǒng)采用16位以太網(wǎng)控制器CS8900A，該芯片的特點是：符合IEEE802.3標準，支持全雙工收發(fā)可達10 Mb/s，內置SRAM收發(fā)緩沖，減輕了對主處理器的開銷。以太網(wǎng)電路如圖3所示，S3C2410A通過16位數(shù)據(jù)線，20位地址線連接CA8900A。片選信號為nGCS3，即將CS8900A的內部寄存器和幀緩沖區(qū)映射到S3C2410A的Band4中連續(xù)4 KB的存儲區(qū)中，主機可以通過這個存儲空間直接訪問CS8900A的內部寄存器和幀緩沖區(qū)。CS8900A與RJ-45接口直接連接一個網(wǎng)絡變壓器，起到電平轉換及電氣隔離的作用。此外，CS8900A提供兩種操作模式：I/O模式和內存模式，本系統(tǒng)通過CPLD選擇其工作模式。

2.3 圖像采集模塊電路設計
　圖像傳感器采用柯達公司生產(chǎn)的CMOS單色圖像傳感器KAC9638。KAC9638是高性能、低功耗、SXGA CMOS有源像元傳感器，具有以下特點：(1)KAC9638是1/2英寸，1 024×1 280有效圖像陣列的CMOS圖像傳感器，在滿足應用場合所需的分辨率條件下，還具有良好的動態(tài)范圍(55 dB)，最小照度(2.40/Lux-sec)等性能；(2)KAC9638內置10位的A/D轉換器，直接輸出8位或10位的數(shù)字灰度值，在保證精度的同時不需另外接A/D轉換器，大大簡化外圍電路；(3)KAC9638具有良好的電源管理功能和低功耗特性。數(shù)據(jù)傳送時芯片的總功耗為150 mW。此外，為進一步降低系統(tǒng)的功耗，芯片還具有可編程“上電”和“下電”模式。CMOS圖像傳感器目前普遍采用I2C總線，本系統(tǒng)通過S3C2410A的I2C總線與KAC9638的SCL、SDA連接。由S3C2410A直接完成對圖像傳感器的初始化。KAC9638內部嵌入了一個10位A/D轉換器，因而可以同步輸出10位的數(shù)字視頻流，但是S3C2410A具有32位的外部總線，直接將10位數(shù)據(jù)接到總線上會造成資源浪費，降低CPU效率，因此，KAC9638和S3C2410A之間連接CPLD，由CPLD完成10位視頻數(shù)據(jù)到32位的轉換，圖像采集接口電路結構框圖如圖4所示。

　為使S3C2410A能像訪問內存一樣讀取圖像傳感器的數(shù)據(jù)，將CPLD映射到S3C2410A的存儲單元上。CPLD上的圖像緩存片選信號nGCS4，地址映射到S3C2410A的Bank4，地址范圍：0x20000000～0x27ffffff。實際只用其中的一個地址0x20000000(即DMA的源地址)。圖像傳感器由S3C2410A的clockout0引腳提供。此外，PCLK、HREF、VSYNC分別為像素、行、幀同步信號；OE為圖像傳感器啟動采集信號；XINT是ARM9與CPLD的外部中斷聯(lián)絡信號；XDREQ和XDACK為S3C2410A的DMA的請求和握手信號。
3 系統(tǒng)驅動軟件設計
3.1 I2C串行總線通信協(xié)議
　I2C總線是嵌入式系統(tǒng)常見的網(wǎng)絡接口，由SCL(串行時鐘)和SDA(串行數(shù)據(jù))兩根總線構成。該總線有嚴格的時序要求，總線工作時，由串行時鐘線SCL傳送時鐘脈沖，由串行數(shù)據(jù)線SDA傳送數(shù)據(jù)?？偩€必須由主設備控制，主設備產(chǎn)生串行時鐘控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。I2C總線傳輸一個字節(jié)的時序如圖5所示。當主設備寫從設備時，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要跟有從設備的地址。從設備不能主動執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，所以主控設備讀從設備時必須發(fā)送一個帶有從設備地址的讀請求。本系統(tǒng)中ARM9是主設備，圖像傳感器是從設備，ARM9通過I2C總線改寫KAC9638寄存器的值完成初始化。根據(jù)I2C通信協(xié)議，改變某個寄存器的值的過程是：先發(fā)送CMOS傳感器特定寫地址(7位地址+0)，緊接著發(fā)送需要寫的寄存器的地址，再發(fā)送數(shù)據(jù)；而要讀取某個寄存器的值的過程是：先發(fā)送CMOS傳感器特定寫地址，緊接著發(fā)送需要讀的寄存器的地址，再發(fā)送CMOS傳感器特定讀地址(7位地址+1)，最后接收數(shù)據(jù)。

3.2 圖像采集CPLD時序控制
　CPLD采集兩個10位像元數(shù)據(jù)組合成32位(不夠的位用0補充)可以提高圖像采集效率。并且設計中使用DMA的方式保存圖像數(shù)據(jù)，可以減少CPU的開銷。以CPLD為核心器件設計的圖像采集邏輯結構圖如圖6所示。

　邏輯結構圖的工作原理如下：
　(1)CLKOUT0為S3C2410A的輸出時鐘引腳，根據(jù)S3C2410A內部寄存器MisCCR中4~6位的不同設置可以輸出不同的時鐘，如系統(tǒng)時鐘FCLK、AHB(內部)總線時鐘HCLK和APB(外部)總線時鐘PCLK等。系統(tǒng)將其作為CMOS圖像傳感器的主時鐘輸入MCLK。
　(2)啟動信號START為S3C2410A的一個I/O，高電平有效，由于KAC9638的啟動信號OE是低電平有效，所以它們之間要連接一個非門。
　(3)VSYNC為傳感器的幀同步信號，輸出一幀有效圖像時該信號一直為高電平，用該信號連接S3C2410A的外部中斷XINT，使CPU能控制一幀圖像的開始和結束。
　(4)D[9：0]為圖像傳感器輸出的數(shù)據(jù)流，D[15：10]位用0填充，組成16位數(shù)據(jù)輸入到緩沖。緩沖的寫入允許信號是啟動信號START和幀有效信號VSYNC的邏輯與。在緩沖內兩個周期移位成32位數(shù)據(jù)。
　(5)緩沖寫入時鐘WRCLK由傳感器的像元輸出時鐘PCLK提高，一個周期寫入一個10位A/D值，所以一次輸出32位數(shù)據(jù)時，輸出時鐘周期是PCLK的二分頻。并將PCLK的二分頻作為S3C2410A外部DMA的請求信號XDREQ。
　(6)片選信號線nGCS4：作為32位緩沖的控制線，低電平有效。在進行數(shù)據(jù)采集時將DMA方式的源地址設置在BANK4范圍內，讀操作時即選中該緩沖。
　圖7是用Verilog語言編寫的程序仿真的圖像采集時序圖。

3.3 DMA方式采集圖像數(shù)據(jù)程序設計
　系統(tǒng)采集一幀圖像數(shù)據(jù)的流程圖如圖8所示。

　(1)啟動圖像采集：主控CPU從串口或其他通信口接收到采集命令后，通過START信號線通知CPLD采集信號，CPLD再通過硬件引腳OE啟動KAC9638采集圖像數(shù)據(jù)。
　(2)DMA初始化：包括DMA的源地址、目標地址、DMA次數(shù)等初始化。
　(3)開外中斷：當一幀數(shù)據(jù)采集完成后，通過外部中斷通知CPU。
　(4)DMA數(shù)據(jù)傳輸無需CPU干預，一幀圖像完成后產(chǎn)生中斷。
　(5)DMA中斷產(chǎn)生并且外部中斷產(chǎn)生才算是一幀圖像采集完成，然后交由主控CPU進行處理。若只有其中一個中斷產(chǎn)生，并且等待另一個中斷超時，則是在采集過程中丟失了數(shù)據(jù)，采集圖像失敗。
4 硬件調試
4.1 硬件調試環(huán)境
　在系統(tǒng)硬件調試中，使用集成開發(fā)環(huán)境配合JATG仿真器進行調試是目前采用最多的一種調試方式[7]。集成開發(fā)環(huán)境選用ARM公司的ADS1.2。JTAG仿真器也稱為JTAG調試器，是通過ARM芯片的JATG邊界掃描口進行調試的設備。屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調試。
4.2 硬件調試步驟及結果
　(1)BootLoad系統(tǒng)引導測試
先使用英蓓特公司開發(fā)的Flash燒寫工具將BootLoad程序燒寫到Flash，若在PC超級終端上能正確接收目標板的串口返回的啟動信息，表明系統(tǒng)正常運行，可以用ADS下載程序到SDRAM進行調試。
　(2)圖像傳感器測試
?、買2C配置測試
　將ADS編譯好的bin文件下載到目標板的SDRAM，超級終端接收到返回的圖像傳感器ID正確，則表明I2C通信正常。通過I2C配置圖像大小為3(H)×5(V)，用示波器測量傳感器幀同步(vsync)、行同步(hsync)及像元時鐘(pclk)的關系。如圖9所示，11個像元時鐘(設定的每行3個像元加上每行開始的8個全黑像元)對應1個行同步時鐘，圖10顯示了幀同步信號及行同步信號的關系：5個行同步時鐘對應1個幀同步時鐘。測試結果表明S3C2410A可以正確配置圖像傳感器的工作方式。

?、趫D像采集測試
　為方便檢驗采集到的圖像，將ARM采集到的圖像數(shù)據(jù)通過UART口發(fā)送到PC終端，再將數(shù)據(jù)組合成圖像顯示。接收到的數(shù)據(jù)如圖11所示。

　采用CMOS圖像傳感器、CPLD和ARM9的DMA結合完成圖像的采集是本系統(tǒng)的特點。該方法提高了圖像的采集速度，減少了CPU的開銷。CMOS圖像傳感器價格適中，外圍簡單，且集成I2C接口便于編程控制；CPLD將CMOS傳感器輸出數(shù)據(jù)移位成32位數(shù)據(jù)，可以使傳感器以更高的速度輸出；ARM9的DMA負責圖像采集，使得CPU可以解放出來處理其他任務。實驗測試結果證明，該圖像采集系統(tǒng)硬件平臺方案設計合理、可行。該系統(tǒng)在實際中可以應用于視頻圖像監(jiān)控、圖像自動檢測、醫(yī)療及軍事檢測等場所，具有良好的應用前景。
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