CMOS圖像采集系統(tǒng)普遍存在圖像質(zhì)量問題，如果沒有對圖像進(jìn)行專門的處理，則圖像質(zhì)量難以保障。近些年來，隨著SoC技術(shù)的快速發(fā)展，在圖像采集和處理領(lǐng)域，出現(xiàn)了SoC影像傳感器，它集成CMOS傳感器和圖形處理器功能，可以得到令人非常滿意的圖像質(zhì)量。本文設(shè)計的視頻采集系統(tǒng)采用了SoC成像芯片MT9M111和USB2.0接口芯片CY7C68013。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。當(dāng)圖像傳感器開始工作后，先將采集到的數(shù)據(jù)通過FPGA控制邏輯存儲到SRAM1中，一幀圖像的采集/存儲過程結(jié)束后，SRAM1進(jìn)入寫結(jié)束狀態(tài)。此時切換SRAM，SRAM2繼續(xù)存儲采集到的數(shù)據(jù)，同時，SRAM1處于可讀狀態(tài)，由FPGA里的控制邏輯控制，將SRAM1中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB芯片，然后傳輸?shù)街鳈C(jī)。本系統(tǒng)采用雙SRAM結(jié)構(gòu)和乒乓機(jī)制，兩片存儲器交替工作，使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行。雙幀存結(jié)構(gòu)不僅提高了系統(tǒng)的速度，而且，由于在FPGA里實現(xiàn)各種圖像處理的算法大都需要比較大的存儲空間，所以兩個大容量SRAM在實現(xiàn)算法時可以充當(dāng)外部緩存。

MT9M111

本系統(tǒng)采用美光公司推出的集成CMOS傳感器和圖形處理器的SoC產(chǎn)品MT9M111。MT9M111是低功耗、低成本漸進(jìn)掃描CMOS圖像傳感器;130萬像素分辨率(1280H×1024V);1/3英寸光學(xué)格式;全分辨率15fps的功耗為170mW，VGA分辨率30fps的功耗為90mW。MT9M111采用低漏電DRAM工藝，配備了美光的DigitalClarity專利技術(shù)，即使在最差的光照條件下也能提供清晰明亮的彩色圖像。MT9M111具有較低的暗電流，并降低了色度/亮度干擾和瞬間噪聲。MT9M111的嵌入可編程圖像流處理器提供的功能包括色彩恢復(fù)和修補(bǔ)、自動曝光、白平衡、鏡頭陰影修正、增加清晰度、可編程灰度修正、黑暗電平失調(diào)修正、閃爍避免、連續(xù)調(diào)整濾光尺寸、平滑的數(shù)字變焦、快速自動曝光模式和不工作時缺陷修正等。而且，還配備了兩線串行接口，USB芯片可以通過這兩線串口對其進(jìn)行配置。

IS61WV20488

與圖像處理有關(guān)的SRAM參數(shù)主要是SRAM 的讀寫速度和容量。在容量方面，本系統(tǒng)采集圖像的最大分辨率為1280×1024，數(shù)據(jù)寬度為8位，2M×8bit的SRAM可以滿足存放一幀圖像數(shù)據(jù)的要求。SRAM的讀寫速度一般為12ns、15ns、20ns或者更慢，由于SRAM的讀寫速度直接影響整個圖像處理系統(tǒng)的時鐘，所以，SRAM的讀寫速度越快越好。本系統(tǒng)選用了ISSI公司的IS61WV20488，芯片容量為2M×8bit。

CY7C68013

圖像數(shù)據(jù)傳輸部分采用Cypress公司推出的專門用于USB2.0的接口芯片CY7C68013。該芯片包括帶815kB 片上RAM 的增強(qiáng)型8051 處理器(與標(biāo)準(zhǔn)8051 系列兼容,速度提高3"5倍)、4kB FIFO 存儲器和通用可編程接口I2C 總線、串行接口引擎( S IE ) 以及USB2.0 收發(fā)器。

圖像采集/存儲模塊

該模塊主要由FPGA的控制邏輯將成像芯片MT9M111采集到的圖像數(shù)據(jù)實時地傳送到SRAM中。在系統(tǒng)中采用雙幀存結(jié)構(gòu)，每個由一片IS61WV20488 SRAM構(gòu)成，能夠存放一幀1280×1024分辨率的圖像數(shù)據(jù)。由于采用了乒乓機(jī)制，兩片存儲器之間交替工作，從而使圖像的采集和傳輸并行進(jìn)行。為確保在任何時刻只有一片SRAM可以讀取采集到的圖像數(shù)據(jù)，設(shè)置了一個讀互斥鎖，同樣，只有一個SRAM可接收采集到的圖像數(shù)據(jù)，因此，又設(shè)置了一個寫互斥鎖。需要注意的是，由于圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出速度要比USB2.0傳輸速度慢，所以，當(dāng)讀完SRAM2的數(shù)據(jù)以后，需要等待另一片SRAM1完成寫圖像數(shù)據(jù)后，才可以向SRAM2寫入下一幀圖像數(shù)據(jù)，而SRAM1無需等待便可以直接進(jìn)行讀取圖像數(shù)據(jù)的工作，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)了并行工作，有效地提高了系統(tǒng)的工作效率。圖2為系統(tǒng)控制電路的原理框圖，F(xiàn)PGA內(nèi)部各個模塊均采用Verilog HDL編寫。

采集完一幀圖像后，要經(jīng)過USB時鐘信號控制模塊將外部RAM中的圖像數(shù)據(jù)讀入到主機(jī)。在本圖像采集系統(tǒng)中，使用CY7C68013的Slave FIFO異步工作方式，把FIFO配置成和EP2端口相連、每個數(shù)據(jù)包1024字節(jié)、4緩沖的方式，塊傳輸模式。這樣的設(shè)置可以滿足系統(tǒng)要求，同時也有效地利用了內(nèi)部的4kB FIFO來傳輸采集到的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制使用了FALGB信號引腳，用來報告“FIFO滿”的狀態(tài)，默認(rèn)為低電平有效。本文采用的是自動輸入方式，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)滿一定量時，EZ-USB-FX2就直接通過FIFO把數(shù)據(jù)傳送到USB收發(fā)器，而不經(jīng)過CPU的干預(yù)，這樣就提高了傳輸速度，本系統(tǒng)當(dāng)FIFO滿1kB時開始自動發(fā)送。

USB驅(qū)動和主機(jī)應(yīng)用程序模塊

USB設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)是USB系統(tǒng)開發(fā)的難點，尤其是在本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大且速度要求高的情況下，就要編寫出高效的USB設(shè)備驅(qū)動程序，才能保證高分辨率圖像的實時傳輸。本系統(tǒng)采用DDK來開發(fā)WDM驅(qū)動程序。實際上，USB 客戶驅(qū)動程序中包含大量的例程，對開發(fā)驅(qū)動程序有很大的幫助。主機(jī)應(yīng)用程序的主要功能是通過USB接口讀取圖像數(shù)據(jù)并實時顯示動態(tài)圖像.為提高主機(jī)應(yīng)用程序的效率，可以使用雙線程。

結(jié)語

本系統(tǒng)采用具有130萬像素的影像傳感器MT9M111，保證了圖像質(zhì)量，采用USB2.0接口芯片CY7C68013保證了圖像的實時傳輸，且設(shè)計靈活，為實現(xiàn)各種圖像處理算法提供了軟/硬件支持。