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TI PGA308模拟传感器信号调理方案
作者：RFID世界网 收编
来源：中国ic网
日期：2010-05-07 11:49:20
摘要：本文主要介绍了利用LPC2106硬件平台和OV6620摄像头进行图像采集，以及将采集到的图像数据通过SD卡进行图像存储的方法。与普通的视频采集卡相比，此嵌入式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。
引 言
与视频采集卡等传统图像采集系统相比，嵌入式图像采集系统具有体积小、成本低、可靠性高等优点，在智能交通、远距离监控、汁算机视觉等领域应用广泛。本文所设计的嵌入式图像采集系统是采用以ARM7为内核的LPC2106作为主控芯片和，先控制CMOS传感器OV6620进行图像采集，然后由LPC2106控制先将图像数据存放人FIFO存储器AL4V8M1440中，最后将图像采集结果通过多种通信接口进行传输，或者通过SD卡来提取该图像采集系统中的图像数据。该图像采集系统仅用一个ARM芯片就实现了对OV6620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，功能强大。
1系统总体方案
在检测时，光线会照射在被摄物体表面，ARM控制面阵CMOS摄像头采集图像，再把获得的图像数据送入FIFO存储器中缓冲一下，然后通过串口传输给电脑，也可通过SD卡接口将图像存放入SD卡中。
2系统硬件设计
2.1 ARM与CMOS的接口
OV6620是CMOS彩色／黑白图像传感器。它支持连续和隔行2种扫描方式，CIF与QCIF两种图像格式；最高像素为352×288，帧速率为26 fps；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。OV6620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，8位RGB数据输出。系统硬件结构框图如图2所示。
ARM芯片选用具有ARM7TDMI内核的LPC2106，通过LPC2106的GPIO模拟SCCB总线协议设置OV6620的功能寄存器。使用LPC2106中断口引入OV6620的图像输出垂直同步信号VSYNC，以中断方式同步图像数据输出。OV6620的Y0～Y7通道输出的8位并行数据先通过AL4V8M440缓存，再进入LPC2106中。
AL4V8M440为FIFO存储器，作用是对CMOS传感器所采集的图像数据进行缓存，调节ARM同CMOS之间速度的差异，从而采集到完整图像。
2.2 ARM与SD卡接口
SD卡(secure digiatl memory card)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。SD卡有着广泛的应用领域，音乐、电影、新闻等多媒体文件都可以方便地保存到SD卡中。本文加入该接口，可以方便提取图像采集系统的数据。
SD卡支持SPI和BUS两种接口模式，本系统采用SPI接口模式。SD卡的DAT0接到MOSI，CLK(时钟线)接到SCK，CMD(命令线)接到MOSI，CS接到P0.14。SD卡支持单线和4线读／写，前者通过DAT0进行数据串行传输，CS作为中断口，最高传输速率25 Mbps；后者通过DAT0～DAT3分别进行串行数据传输，最高传输速率100 Mbps。本系统选用的是前者，可以节省硬件资源，实现方便，ARM与SD卡接口的硬件结构框图如图3所示。
3系统软件设计
3.1 ARM与CMOS的软件接口设计
3.1.1 OV6620的寄存器设置
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，所以采用普通IO口P0.22，P0.23模拟SCCB总线的方式。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。OV6620功能寄存器的地址为0x00～0x50(其中，不少是保留寄存器)。通过设置相应的寄存器，可以使OV6620工作于不同的模式。
例如，设置OV6620为低分辨率、自动曝光、自动白平衡和设置帧时钟周期，需要进行如下设置：
camera_set_register()为设置寄存器函数，它的第1个参数OV6620_addr为宏定义的芯片地址0xC0，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。
3.1.2 OV6620采集过程
OV6620有4个同步信号：VSYNC(垂直同步信号)、FODD(奇数场同步信号)、HREF(水平同步信号)、PCLK(像素同步信号)。当采用连续扫描方式时，只使用VSYNC和HREF、PCLK三个同步信号。
LPC2106的1个外部中断引脚分别作为VSYNC信号的输入，相应的中断服务程序分别为Vsync_IRQ()，HREF接LPC2106的普通IO口，PCLK接FIFO存储器的读时钟。
图像采集的基本流程为：当用SCCB初始化好OV6620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图像数据。若不是，则打开FIFO的写使能，将一帧图像数据写入FIFO存储器中；若是，则关闭FIFO的写使能，CMOS不向FIFO存储器，而等待ARM读取FIFO存储器的一帧图像数据。
3.1.3图像提取过程
图像提取的基本流程为：当采集数据已经存放在FIFO中，利用ARM取出数据，再传输给上位机。先对FIFO进行读复位，使FIFO指针指向首地址，再根据OV6620所输出RGB数据的格式进行读取。
其中，提取过程最重要的是OV6620所输出RGB数据格式，它影响到提取图像的准确性。本系统应用的是8位输出，其数据格式见表1所示。
第一行Y通道是无效数据应该去除，从第二行开始读取，在一行之内，B、R数据只在奇次项出现，G数据只在偶次项出现。而在每一行内，偶数点的R数据、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，一幅图像就提取完了，可以直接存成二进制文件(本系统采用串口输出到PC进行显示处理)或者存储到SD卡上。
3.2 ARM与SD卡的软件接口设计
ARM同SD卡接口有SPI和BUS两种接口模式，本系统采用SPI接口模式，这样可以直接利用LPC2106自带的SPI接口进行数据传输，实现方便。SD卡的SPI通道由以下4个信号组成：CS(片选)，CLK(时钟)，DataIn(主机到卡的数据信号)和DataOut(卡到主机的数据信号)。CS是SD卡的片选信号线，在整个SPI操作过程中，必须保持低电平有效，CLK用于同步，DataIn不但传输数据，还发送命令，同样DataOut除了发送数据外还传送应答信号。
在SPI模式中，SD卡可以支持单块以及多块数据的读写。这里以单块数据的写入和读取为例。其中单块数据写入SD卡的步骤是先向SD卡发送单块写命令CMD24以及写地址，卡将发送给主机一个应答信号，并且等待主机发送一个数据块来，当应答信号reasult为0时，说明可以发送数据，一块的大小为512个字节。卡对每个发送给自己数据块通过一个应答信号确认，它有1字节长，当其低4位十六进制为0x05时，数据块才被正确写入SD卡。所以在发送完单块数据后，将判断应答信号是否为0x05。
单块数据写入SD卡流程图如图4所示。而从SD卡读取单块数据的步骤是先向SD卡发送单块写命令CMD17以及读地址，卡将发送给主机一个应答信号，并且向主机发送单块数据，当应答信号reasult为0时，说明可以接收数据，接着判断接收的第一个字节是否为起始字节0xFE，是的话就接收5112 B，否则就读取数据失败。写入和读取SD卡单块数据流程图如图4、5所示。
4实验结果
根据以上的设计思路搭建了一个图像采集系统，进行图像采集实验，并将所采集到的图像数据添加上BMP位图文件头信息用bmp格式文件存入SD卡，便于在电脑上读取SD卡上的图像数据。
现以拍摄运动中的商标带为例，在运动中的某一时刻拍摄图片如图6所示。从图6上表明该图像采集系统可以实现实时采集，且所采集图像的图案清晰，准确率较高，基本满足设计的要求。
5结语
本文主要介绍了利用LPC2106硬件平台和OV6620摄像头进行图像采集，以及将采集到的图像数据通过SD卡进行图像存储的方法。与普通的视频采集卡相比，此嵌入式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。
与视频采集卡等传统图像采集系统相比，嵌入式图像采集系统具有体积小、成本低、可靠性高等优点，在智能交通、远距离监控、汁算机视觉等领域应用广泛。本文所设计的嵌入式图像采集系统是采用以ARM7为内核的LPC2106作为主控芯片和，先控制CMOS传感器OV6620进行图像采集，然后由LPC2106控制先将图像数据存放人FIFO存储器AL4V8M1440中，最后将图像采集结果通过多种通信接口进行传输，或者通过SD卡来提取该图像采集系统中的图像数据。该图像采集系统仅用一个ARM芯片就实现了对OV6620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，功能强大。
1系统总体方案
在检测时，光线会照射在被摄物体表面，ARM控制面阵CMOS摄像头采集图像，再把获得的图像数据送入FIFO存储器中缓冲一下，然后通过串口传输给电脑，也可通过SD卡接口将图像存放入SD卡中。
2系统硬件设计
2.1 ARM与CMOS的接口
OV6620是CMOS彩色／黑白图像传感器。它支持连续和隔行2种扫描方式，CIF与QCIF两种图像格式；最高像素为352×288，帧速率为26 fps；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。OV6620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，8位RGB数据输出。系统硬件结构框图如图2所示。
ARM芯片选用具有ARM7TDMI内核的LPC2106，通过LPC2106的GPIO模拟SCCB总线协议设置OV6620的功能寄存器。使用LPC2106中断口引入OV6620的图像输出垂直同步信号VSYNC，以中断方式同步图像数据输出。OV6620的Y0～Y7通道输出的8位并行数据先通过AL4V8M440缓存，再进入LPC2106中。
AL4V8M440为FIFO存储器，作用是对CMOS传感器所采集的图像数据进行缓存，调节ARM同CMOS之间速度的差异，从而采集到完整图像。
2.2 ARM与SD卡接口
SD卡(secure digiatl memory card)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。SD卡有着广泛的应用领域，音乐、电影、新闻等多媒体文件都可以方便地保存到SD卡中。本文加入该接口，可以方便提取图像采集系统的数据。
SD卡支持SPI和BUS两种接口模式，本系统采用SPI接口模式。SD卡的DAT0接到MOSI，CLK(时钟线)接到SCK，CMD(命令线)接到MOSI，CS接到P0.14。SD卡支持单线和4线读／写，前者通过DAT0进行数据串行传输，CS作为中断口，最高传输速率25 Mbps；后者通过DAT0～DAT3分别进行串行数据传输，最高传输速率100 Mbps。本系统选用的是前者，可以节省硬件资源，实现方便，ARM与SD卡接口的硬件结构框图如图3所示。
3系统软件设计
3.1 ARM与CMOS的软件接口设计
3.1.1 OV6620的寄存器设置
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，所以采用普通IO口P0.22，P0.23模拟SCCB总线的方式。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。OV6620功能寄存器的地址为0x00～0x50(其中，不少是保留寄存器)。通过设置相应的寄存器，可以使OV6620工作于不同的模式。
例如，设置OV6620为低分辨率、自动曝光、自动白平衡和设置帧时钟周期，需要进行如下设置：
camera_set_register()为设置寄存器函数，它的第1个参数OV6620_addr为宏定义的芯片地址0xC0，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。
3.1.2 OV6620采集过程
OV6620有4个同步信号：VSYNC(垂直同步信号)、FODD(奇数场同步信号)、HREF(水平同步信号)、PCLK(像素同步信号)。当采用连续扫描方式时，只使用VSYNC和HREF、PCLK三个同步信号。
LPC2106的1个外部中断引脚分别作为VSYNC信号的输入，相应的中断服务程序分别为Vsync_IRQ()，HREF接LPC2106的普通IO口，PCLK接FIFO存储器的读时钟。
图像采集的基本流程为：当用SCCB初始化好OV6620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图像数据。若不是，则打开FIFO的写使能，将一帧图像数据写入FIFO存储器中；若是，则关闭FIFO的写使能，CMOS不向FIFO存储器，而等待ARM读取FIFO存储器的一帧图像数据。
3.1.3图像提取过程
图像提取的基本流程为：当采集数据已经存放在FIFO中，利用ARM取出数据，再传输给上位机。先对FIFO进行读复位，使FIFO指针指向首地址，再根据OV6620所输出RGB数据的格式进行读取。
其中，提取过程最重要的是OV6620所输出RGB数据格式，它影响到提取图像的准确性。本系统应用的是8位输出，其数据格式见表1所示。
第一行Y通道是无效数据应该去除，从第二行开始读取，在一行之内，B、R数据只在奇次项出现，G数据只在偶次项出现。而在每一行内，偶数点的R数据、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，一幅图像就提取完了，可以直接存成二进制文件(本系统采用串口输出到PC进行显示处理)或者存储到SD卡上。
3.2 ARM与SD卡的软件接口设计
ARM同SD卡接口有SPI和BUS两种接口模式，本系统采用SPI接口模式，这样可以直接利用LPC2106自带的SPI接口进行数据传输，实现方便。SD卡的SPI通道由以下4个信号组成：CS(片选)，CLK(时钟)，DataIn(主机到卡的数据信号)和DataOut(卡到主机的数据信号)。CS是SD卡的片选信号线，在整个SPI操作过程中，必须保持低电平有效，CLK用于同步，DataIn不但传输数据，还发送命令，同样DataOut除了发送数据外还传送应答信号。
在SPI模式中，SD卡可以支持单块以及多块数据的读写。这里以单块数据的写入和读取为例。其中单块数据写入SD卡的步骤是先向SD卡发送单块写命令CMD24以及写地址，卡将发送给主机一个应答信号，并且等待主机发送一个数据块来，当应答信号reasult为0时，说明可以发送数据，一块的大小为512个字节。卡对每个发送给自己数据块通过一个应答信号确认，它有1字节长，当其低4位十六进制为0x05时，数据块才被正确写入SD卡。所以在发送完单块数据后，将判断应答信号是否为0x05。
单块数据写入SD卡流程图如图4所示。而从SD卡读取单块数据的步骤是先向SD卡发送单块写命令CMD17以及读地址，卡将发送给主机一个应答信号，并且向主机发送单块数据，当应答信号reasult为0时，说明可以接收数据，接着判断接收的第一个字节是否为起始字节0xFE，是的话就接收5112 B，否则就读取数据失败。写入和读取SD卡单块数据流程图如图4、5所示。
4实验结果
根据以上的设计思路搭建了一个图像采集系统，进行图像采集实验，并将所采集到的图像数据添加上BMP位图文件头信息用bmp格式文件存入SD卡，便于在电脑上读取SD卡上的图像数据。
现以拍摄运动中的商标带为例，在运动中的某一时刻拍摄图片如图6所示。从图6上表明该图像采集系统可以实现实时采集，且所采集图像的图案清晰，准确率较高，基本满足设计的要求。
5结语
本文主要介绍了利用LPC2106硬件平台和OV6620摄像头进行图像采集，以及将采集到的图像数据通过SD卡进行图像存储的方法。与普通的视频采集卡相比，此嵌入式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。
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