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基于图像传感器的CPLD视觉系统设计与研究

作者:时间:2009-02-20来源:网络收藏

目前,关于的研究已经成为热点,也有开发出的系统可供参考。但这些系统大多是基于PC机的,由于算法和硬件结构的复杂性而使其在小型系统中的应用受到了,限制。上述系统将图像数据采集后,视觉处理算法是在PC机上实现的。随着微处理器技术的进步,32位处理器系统拥有很高的运算速度和很强的信号处理能力,可以作为的处理器,代替PC机来实现简单的视觉处理算法。下面介绍一种基于,希望能分享嵌入式视觉开发过程中的一些经验。

  1 系统方案与原理

   在嵌入式视觉的设计中,目前主流的有以下2种方案:

   方案1 图像传感器+微处理器(或DSP)+SRAM

   方案2图像传感器+/FPGA+微处理器+SRAM

  方案1系统结构紧凑,功耗低。在图像采集时,图像传感器输出的同步时序信号的识别需要借助ARM的中断,而中断处理时,微处理器需要完成程序跳转、保存上下文等工作,降低了图像采集的速度,适合对采集速度要求不高、功耗低的场合。

  方案2借助来识别图像传感器的同步时序信号,不必经过微处理器的中断,因而系统的采集速度提高,但CPLD的介入会使系统的功耗提高。

  为了综合以上2种方案的优势,在硬件上采用“ARM+CPLD+图像传感器+SRAM”。该方案充分利用了CPLD的可编程性,通过软件编程来兼有方案1的优势,具体体现在以下方面:

  ①功耗的高低可以控制。对于功耗有严格要求的场合,通过CPLD的可编程性将时序部分的接口与ARM的中断端口相连,仅仅是组合逻辑的总线相连,可以降低CPLD的功耗从而达到方案1的效果;对于采集速度要求高而功耗要求不高的情况,可以充分发挥CPLD的优势,利用组合与时序逻辑来实现图像传感器输出同步信号的识别,并将图像数据写入SRAM中。

  ②器件的选择可以多样。在硬件设计上,所有总线均与CPLD相连;在软件设计上,不同的模块单独按功能封装。这样以CPLD为中心,系统的其他器件均可更换而无需对CPLD部分程序进行改动,有利于系统的功能升级。作为本系统的一种应用,开发了视觉跟踪的程序,可以在目标和背景颜色对比强烈的情况下对物体进行跟踪。通过对CMOS摄像头采集来的数据进行实时处理,根据物体的颜色计算出被追踪物体的质心坐标。下面分别描述系统各部分的功能。

  2 系统硬件

  2.1 硬件组成及连接

  系统的硬件主要有4部分:CMOS图像传感器OV6620、可编程器件CPLD、512 KB的SRAM和32位微处理器LPC2214。

  OV6620是美国OmniVision公司生产的CMOS图像传感器,以其高性能、低功耗适合应用在嵌入式图像采集系统中,本系统图像数据的输入都是通过OV6620采集进来的;可编程器件CPLD采用Altera公司的EPM7128S,用Verilog硬件编程语言在QuartusII下编写程序;作为系统的数据缓冲,SRAM选用的是IS61LV5128,其随机访问的特性为图像处理程序提供了便利;而LPC2214在PLL(锁相环)的支持下最高可以运行在60 MHz的频率下,为图像的快速处理提供了硬件支持。

  0V6620集成在一个板卡上,有独立的17 MHz晶振。输出3个图像同步的时序信号:像素时钟PCLK、帧同步VSYNC和行同步HREF。同时,还可以通过8位或16位的数据总线输出RGB或YCrCb格式的图像数据。

  在硬件设计上,有2个问题需要解决:

  ①图像采集的严格时序同步;

  ②双CPU共享SRAM的总线仲裁。

  解决第一个问题的关键在于如何实时、准确地读取OV6620的时序输出信号,据此将图像数据写入SRAM中。这里采用的解决方案是用CPLD来实现时序信号的识别以及图像数据的写入。CPLD在硬件上可以识别信号的边沿,速度更快,通过Verilog语言编写Mealy状态机来实现图像数据的SRAM写入,更加稳定。

  对于双CPU共享SRAM,可以通过合理的连接方式来解决。考虑到CPLD的可编程性,将OV6620的数据总线,LPC2214的地址、数据总线以及SRAM的总线都连接到CPLD上。通过编程来控制总线之间的连接,只要在软件上保证总线的互斥性,即在同一时刻有且仅有一个控制器(CPLD或者LPC2214)来操作SRAM的总线,就可以有效地避免总线冲突。这样,硬件上的仲裁就可以通过软件来保证,该过程可以通过在CPLD中编写多路数据选择器来实现。

  各器件之间的连接关系如图1所示。

各器件之间的连接关系

  由图1可见,微处理器的总线接在CPLD上,在对功耗有严格要求的场合中,只需要在CPLD中,将OV6620的同步时序信号所对应的引脚与LPC2214连接在CPLD上的中断引脚相连,系统就可以转换成方案1的形式。对CPLD而言,引脚相连的仅仅是组合逻辑,降低了功耗。方案1的具体工作过程可见参考文献。而对于采集速度要求较高的场合,CPLD部分的程序源代码见本刊网站www.mesnet.com.cn——编者注。下面重点介绍这种情况下的应用。

  2.2 工作过程

  系统上电后,首先由LPC2214通过I2C总线配置摄像头的工作状态,需要配置的主要有输出图像的数据格式、速率、是否白平衡,以及自动增益是否打开。配置完成后,LPC2214发出图像采集的信号给CPLD,此时CPlD操作SRAM的总线,并通过对OV6620输出时序的检测将图像数据写入SRAM。当然,写入SRAM需要严格符合SRAM的操作时序。一帧图像采集完成后,CPLD置位标志位来通知LPC2214,如果LPC2214处于空闲状态,则通知CPLD将总线使用权切换至LPC2214,由LPC2214读取SRAM中的数据并进行图像处理。同时,发送信号给CPLD进行数据采集,图像的采集和处理将并行执行,提高了系统的工作效率。当再次采集完一帧数据后,重复上述过程。

  2.3 硬件方案的特点

  LPC2214负责图像处理,CPLD负责图像数据的采集,很好地实现了功能上的封装。可以看到,CPLD将与硬件时序相关的程序封装,与外界的接口仅为标志状态线以及数据采集总线,极大地方便了系统的升级而无需改动图像采集部分的硬件和软件。甚至更换为其他型号功能更为强大的微处理器,只要按照上述标志状态线的约定来操作,系统仍然可以正常工作,增强了系统的兼容性和可移植性。

  3 系统软件

  系统软件主要由ARM微处理器和CPLD两部分程序构成。ARM部分的代码使用C语言在ADSl.2环境下开发,而CPLD部分则使用Verilog硬件语言在QuartusII下开发。

  3.1 CPLD部分程序设计

  CPLD的程序主要分为2部分:组合逻辑和时序逻辑。组合逻辑主要完成总线仲裁,程序并不依赖CPLD的全局时钟;时序逻辑完成对信号的检测,根据SRAM的操作时序将图像数据写入。

  在总线仲裁部分,需要注意的是:对CPLD而言,不同的时刻同一总线的数据流人方向是不同的。因而在Verilog中,需要声明总线为双向端口。具体的总线仲裁程序如下:

总线仲裁程序

  对双向端口的总线操作总结如下:

  ①需要控制信号指明端口在某一时刻的方向;

  ②输出高阻即代表该双向端口是输入状态,此时可以作为普通的输入端口来使用。

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