基于SoC的數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)

1 概述

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的最大特點(diǎn)在于信號(hào)數(shù)字化。它由成像芯片CCD將靜止或活動(dòng)的圖像分解成像素，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這些信號(hào)由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)內(nèi)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)微處理器進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)壓縮編碼后送到內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器，同時(shí)也可送到LCD/TV顯示屏。

存儲(chǔ)器中的數(shù)字信息通過接口輸入電腦再變成圖像。借助于CPU所提供的圖像處理軟件，按人們意愿進(jìn)行加工、編輯等處理，然后由彩色打印機(jī)制成一張理想的圖像。更重要的是，數(shù)字委員會(huì)還能通過電腦網(wǎng)絡(luò)傳到世界各地。

與模擬攝像機(jī)相比較，數(shù)字?jǐn)z機(jī)具有如下特點(diǎn)：

圖像以數(shù)字方式存儲(chǔ)，這樣便于保存、傳送和重復(fù)使用，從而免除膠片沖洗和圖像擴(kuò)印。

利用電腦可對圖像進(jìn)行修改、編輯等加工處理，也可輸入電視和上網(wǎng)觀看。

可通過電腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，且具有速度快、干擾小、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)是由單片大規(guī)模集成電路LSI組成，它能以30幀/s的速率傳送全運(yùn)動(dòng)圖像或連續(xù)圖像，并具有體積小、功耗低、傳輸速度快、分辨率高的特點(diǎn)。

2 工作原理

數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)的原理如圖1所示。該系統(tǒng)由CCD信號(hào)處理器、

M-JPEG編解碼器、32位RISC-CPU、NTSC編碼器、DRAM控制器和各種外設(shè)接口等組成，是典型的嵌入式系統(tǒng)。

來自CCD的信號(hào)，經(jīng)彩色校正的Y/C分離后，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為10位的數(shù)字信號(hào)，寫入動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM中的幀緩沖器，作為YUV(4：2：2)圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)又被傳送到NTSC/PAL編碼器進(jìn)行編碼，最后由LCD顯示習(xí)顯示。當(dāng)釋放快門時(shí)，這些數(shù)據(jù)同樣要傳送到M-JPEG芯片中，經(jīng)1/10和1/20壓縮編碼處理后存儲(chǔ)到DRAM中的JPEG編碼區(qū)域。RISC-CPU把壓縮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文件格式數(shù)據(jù)，然后寫到外部存儲(chǔ)器中，如微驅(qū)動(dòng)。在放像時(shí)，數(shù)據(jù)的流向與上述(攝像)相反。解碼后的圖像在LCD顯示屏上顯示。

該系統(tǒng)采用三總線分技術(shù)，即把信號(hào)總線(228 MB/s)、CPU總線(114 MB/s)和外設(shè)總線(57 MB/s)分開，使用RISC芯片(32位嵌入式微處理器)能有效、高速地處理信號(hào)，以避免需要存儲(chǔ)大容量圖像數(shù)據(jù)和外設(shè)處理速度慢的矛盾。這種總線分離技術(shù)不僅能解決通信擁擠問題，還能實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率圖像處理、是該系統(tǒng)重要特點(diǎn)這一。

3 幾個(gè)重要電路

3.1 CCD信號(hào)處理電路

為了能對1360×1042(1.5M)像素的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，該電路采用像素原色逐行掃描CCD攝像技術(shù)。CCD信號(hào)處理器是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(DSC)中的關(guān)鍵電路，它的優(yōu)劣將直接影響DSC的性能。該電路由原始數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊、彩色處理模塊、數(shù)字放大模塊、RGB-YUV轉(zhuǎn)換模塊和圖像質(zhì)量調(diào)節(jié)模塊組成，如圖2所示。其中原始數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊由數(shù)字鉗位、像素校準(zhǔn)白色平衡、自動(dòng)強(qiáng)制和伽碼校準(zhǔn)電路組成。

利用4個(gè)行存儲(chǔ)器，彩色處理模塊能把原始CCD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB數(shù)據(jù)。為了減小行存儲(chǔ)器的容量，特在信號(hào)處理模塊中采用新型掃描技術(shù)，好把圖像幀分成若干小塊，分別在各自小塊進(jìn)行掃描。

與普通CCD信號(hào)處理電路相比，該電路具有如下特點(diǎn)：

(1)只需要4個(gè)行存儲(chǔ)器，就能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高速圖像放大處理。

(2)具有軟件功能的固件設(shè)置，能對圖像質(zhì)量進(jìn)行微調(diào)。

(3)利用流水線方式完成CCD實(shí)時(shí)信號(hào)處理，在實(shí)時(shí)處理時(shí)，只有把數(shù)據(jù)送入DRAM后，才驅(qū)逐把來自CCD的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YUV數(shù)據(jù)。

3.2 M-JPEG編解碼電路

本系統(tǒng)采用一種新型運(yùn)動(dòng)JPEG編解碼技術(shù)，能在57MHz時(shí)鐘條件下，以88幀/s的速率對VGA (350×10 3像素)圖像進(jìn)行壓縮編碼和解碼處理。這種新型編碼技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)每個(gè)圖像是獨(dú)立的，很容易進(jìn)行限幅和編輯處理;

(2)JPEG與MPEG相比較，前者所需電路較少，能顯著降低功耗和成本。

M-JPEG編解碼電路如圖3所示。從圖3中看出，該電路由5個(gè)模塊組成。當(dāng)進(jìn)行編碼處理時(shí)，數(shù)據(jù)流向是向左的;當(dāng)進(jìn)行解碼處理時(shí)，數(shù)據(jù)流向是向右的。若對以8×8像素為單元的并不模塊進(jìn)行高速流水線處理，可采用新型的M-JPEG編解碼技術(shù)，并以不同速率對VGA、XGA、1.5M圖像進(jìn)行編碼和解碼處理。

M-JPEG編解碼的速率如表1所列。

從表1中看出，當(dāng)工作頻率或時(shí)鐘頻率為57MHz時(shí)，使用新方法對VGA像素和1.5M像不比進(jìn)行編解碼處理時(shí)，它們的速率分別為88幀/15幀/s，比過去的方法快4倍。這樣不僅能使DSC進(jìn)行高速圖像拍攝和實(shí)時(shí)處理，而且還能大大節(jié)省總的編碼時(shí)間。

表1 M-JPEG編解碼速率

像素大小 VGA/(幀/s)(350K像素) XGA(幀/s)(800K像素) 1.5 M像素/(幀/s)

過去方法(fc=24MHz) 22.5 9 4

新方法(fc=57MHz) 88 34 15

3.3 RISC CPU

RISC CPU是單片數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)的核心電路，它是一個(gè)32位RISC嵌入式微處理器。該電路內(nèi)含有4KB的數(shù)字存儲(chǔ)器和4KB的程序存儲(chǔ)器及多個(gè)累加器，能在576MHz頻率下工作。在DSC系統(tǒng)中，RISC CPU能夠處理編輯圖像、實(shí)時(shí)攝像機(jī)控制、聲音的錄/放、產(chǎn)生圖像文件和各種軟件控制。

3.4 三總線結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)D像進(jìn)行高速、高分辨率的實(shí)時(shí)處理，本系統(tǒng)采用三總線分離技術(shù)。第一條總線叫信號(hào)總線，具有最高的傳輸速率(228 MB/s)，與圖像處理器件相連。第二條總線叫CPU總線，是一種CPU局部總線，傳輸速率適中(114 MB/s)。它能通過CPU總線與信號(hào)總線相連。能直接對DRAM進(jìn)行訪問。第三條總線叫外設(shè)總線，傳輸速率最低(57 MB/s)，能連到低速工作的外設(shè)電路。

3.5 電源管理

為了節(jié)電，本系統(tǒng)使用兩種電源管理技術(shù)：一種是時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)技術(shù);另一種是時(shí)鐘掛起控制技術(shù)。

時(shí)鐘頻率調(diào)

節(jié)技術(shù)是根據(jù)CPU所需要的處理量來調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率的值，通常可在57MHz、28MHz和0 MHz選擇。當(dāng)把圖像數(shù)據(jù)錄到卡式存儲(chǔ)時(shí)，時(shí)鐘頻率為57MHz;當(dāng)CPU控制CCD中的AF、AE和AWB中，時(shí)鐘頻率為28MHz;當(dāng)CPU不處理時(shí)，時(shí)鐘頻率為0 MHz。這種技術(shù)能使功耗降低到最大值的20%。

時(shí)鐘掛起控制技術(shù)是把時(shí)鐘饋電掛在非作用功能模塊，并把時(shí)鐘分成27份。根據(jù)攝像機(jī)工作模式，利用功能模塊和固件改變掛起時(shí)鐘，從而使整個(gè)系統(tǒng)的功耗降低。

另外，芯片采用不同電源供電技術(shù)，即芯片內(nèi)部用低電源電壓(2.5V)供電，而I/O引腳用3.3V電源供電。這種供電技術(shù)也能大大降低電源的功耗。

4 性能

4.1 單塊芯片的性能

本系統(tǒng)的單塊芯片是目前較新的大規(guī)模集成電路LSI，其主要性能如表2所列。

表2 芯片主要性能

處理技術(shù) 0.25um,3層CMOS門陣列

時(shí)鐘頻率/MHz 最大值為57

芯片面積 10.1mm X 10.1mm

晶體管數(shù)量/個(gè) 3.35 X 10 6

電源電壓/V 2.5(芯子)/3.3(I/O)

功耗/mW 700

RISC

CPU 時(shí)鐘頻率/MHz 57

存儲(chǔ)器/KB 4+4

封裝 FBGA封裝，324引腳

4.2 單片數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的性能

利用單塊芯片組成攝像機(jī)，這是SoC(System on Chip)的典型應(yīng)用。攝像機(jī)的主要性能如表3所列。

表3 DSC的主要性能

CC傳感器 12.7mm(1/2in),1.5 X 10 6像素PS-CC

圖像分辨率 1360 X 1024像素

壓縮格式 M-JPEG

記錄媒體 小型快速存儲(chǔ)器(94MB)，微驅(qū)動(dòng)(340MB)

處理時(shí)間 0.8s(編碼)，0.6s(放音或放像)

圖像容量(微驅(qū)動(dòng)) 靜止：4800圖像，視頻：50

視頻限幅 VGA：15幀/s X 5，QYGA：30幀/s X 5

連續(xù)攝像(1.5像素) 20個(gè)圖像(7.5個(gè)圖像/s)

聲音 8位16KHz

其它 LCD監(jiān)視器(45.7mm,110X10 3像素)

電池：AAX2

體積：110mmX63mmX40mm

質(zhì)量：220mg(主要元件)