基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1OV7620的輸出特性
　　OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，針對我們的較小系統(tǒng)，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實(shí)現(xiàn)是通過MCU的I2C編程控制的。當(dāng)OV7620設(shè)置工作方式穩(wěn)定后，它就會(huì)輸出視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)還有3個(gè)重要的參考信號輸出：幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時(shí)鐘信號PCLK。參見圖2，每一個(gè)幀同步信號SYNC周期包含480個(gè)水平同步信號HREF脈沖，而每一個(gè)HREF周期包含640個(gè)PCLK時(shí)鐘脈沖。每一個(gè)PCLK時(shí)鐘輸出一個(gè)像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標(biāo)準(zhǔn)的Bayerpattern彩色RGB數(shù)據(jù))。
2.2圖像存儲方式
　　根據(jù)640×480的像素輸出特點(diǎn)，將512KB的RAM分成512行，每行1KB空間，由A0～A9共10條地址線選通行內(nèi)地址記為低位地址：ADDRL；高位A18～A10共9條地址線選通各行記為高位地址：ADDRH。為保證OV7620采集的數(shù)據(jù)同步寫入SRAM中，用CPLD宏單元設(shè)計(jì)了2個(gè)地址計(jì)數(shù)器：低位計(jì)數(shù)器ADDRL和高位記數(shù)器ADDR?H。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)采集開始時(shí)(SYNC信號低有效)，記數(shù)器由0開始記數(shù)，每來一個(gè)像素時(shí)鐘PCLK使低位計(jì)數(shù)器順序加1，完成1行像素的寫入，OV7620產(chǎn)生的行同步信號HREF使低位計(jì)數(shù)器清0，并使高位記數(shù)器順序加1，改變行地址直到完成480行寫入后產(chǎn)生幀同步信號，并使高位計(jì)數(shù)器清0，這樣完成1幀圖像數(shù)據(jù)的緩存，詳細(xì)的圖像采集信號時(shí)序如圖2。512KB的SRAM芯片實(shí)際上只用了640×480約300多KB的存儲空間。芯片工作方式設(shè)定在PCLK信號的下降沿更新數(shù)據(jù)；在上升沿，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定時(shí)期，所以如圖2，在PCLK信號的下降沿更新SRAM的地址信號ADDR；在PCLK信號上升沿使/WR信號有效，然后寫數(shù)據(jù)到SRAM中。其中CPLD控制SRAM的寫數(shù)據(jù)邏輯用VHDL語言編寫，用MAX+PLUSII工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。

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3.1類似DMA方式數(shù)據(jù)傳輸
　　視頻數(shù)據(jù)按行列關(guān)系有序存入SRAM芯片后，就可以順序讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。傳統(tǒng)的USB傳輸方式是MCU先從SRAM中取得數(shù)據(jù)再送到PDIUSBD12；通過PDIUSBD12發(fā)送到主機(jī)。不管是MCU從SRAM取數(shù)據(jù)還是向作為外設(shè)的PDIUSBD12寫數(shù)據(jù)，速度都較慢。因此我們考慮用系統(tǒng)中的CPLD控制來實(shí)現(xiàn)類似DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)工作過程中，單片機(jī)負(fù)責(zé)解釋USB的控制傳輸。當(dāng)要進(jìn)行從外存取數(shù)送到PDIUSBD12時(shí)，單片機(jī)讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產(chǎn)生外存的讀信號和地址，同時(shí)產(chǎn)生PDIUSBD12的寫信號和地址，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到PDIUSBD12接口芯片的傳送。這種類似DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸解決了由單片機(jī)控制引起的速度瓶頸，極大提高了傳輸速度，最大限度發(fā)揮了USB的優(yōu)點(diǎn)。
3.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)
　　當(dāng)主機(jī)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過控制管道發(fā)送請求，MCU接到命令后立即讓OV7620讓出SRAM的數(shù)據(jù)總線，并通知PDIUSBD12準(zhǔn)備好用于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞫它c(diǎn)，然后發(fā)送TXCOM命令信號給CPLD(見圖1)，通知CPLD開始傳送數(shù)據(jù)；當(dāng)完成64B的數(shù)據(jù)傳送后，CPLD向單片機(jī)發(fā)送TXEND信號，以示64B傳送完畢，并等待下一個(gè)TXCOM信號，進(jìn)行下一個(gè)64B的傳送。單片機(jī)和CPLD通過這兩個(gè)信號完成握手。
　　CPLD在接收到TXCOM命令后，地址總線正確恢復(fù)上次傳輸?shù)降腟RAM地址(第一次傳輸時(shí)地址為0)，并且控制MCU讓出PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線，然后產(chǎn)生SRAM讀信號/RD，此時(shí)數(shù)據(jù)總線上就有了要傳送的數(shù)據(jù)；同時(shí)產(chǎn)生PDIUSBD12的寫數(shù)據(jù)標(biāo)志信號A0和寫信號/D12WR，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入PDIUSBD12，完成數(shù)據(jù)從SRAM到PDIUSBD12的傳送。其傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3。注意，PDIUSBD12的寫數(shù)據(jù)信號/D12WR，SRAM的讀數(shù)據(jù)信號/RD和SRAM的地址信號ADDR時(shí)序要嚴(yán)格配合。當(dāng)每一次完成64B的數(shù)據(jù)傳輸后，CPLD要發(fā)送TXEND信號給MCU。整個(gè)傳輸過程控制嚴(yán)密緊湊，所有CPLD邏輯控制程序均采用VHDL語言編寫，經(jīng)過測試，系統(tǒng)傳輸速度擺脫了單片機(jī)的影響，幾乎接近PDIUSBD12的極限速度。

　　系統(tǒng)的軟件包括USB設(shè)備固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。
4.1設(shè)備固件程序
　　設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，其主要的功能是控制接口芯片PDIUSBD12并完成USB1.1協(xié)議(包括標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請求、廠商請求處理、設(shè)置設(shè)備接口等)。值得一提的是，此系統(tǒng)的單片機(jī)程序除了USB設(shè)備固件程序外，還有單片機(jī)對OV7620的I2C控制軟件，與CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C進(jìn)行編制，最后鏈接后下載到MCU中。
4.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
　　在Windows操作系統(tǒng)中通過運(yùn)行內(nèi)核層的驅(qū)動(dòng)程序才能控制硬件，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用標(biāo)準(zhǔn)WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)。WDM采用IRP驅(qū)動(dòng)機(jī)制。當(dāng)應(yīng)用程序提出I/O請求時(shí)，它調(diào)用WIN32API函數(shù)向設(shè)備發(fā)出命令，然后由I/O管理器構(gòu)成一個(gè)IRP，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序收到該IRP后，取出其中的控制碼來找到對應(yīng)的例程入口。在本系統(tǒng)開發(fā)中，驅(qū)動(dòng)程序采用了DRIVER STUDIO提供的DRIVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代碼生成工具(DRIVER WIZARD)及相應(yīng)的類庫。開發(fā)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)用WIZARD工具開發(fā)，自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序的.INF安裝信息文件。對USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)DRIVER WIZARD生成的代碼只需做少量的修改便可，最后對項(xiàng)目編譯鏈接后生成.SYS驅(qū)動(dòng)程序。
4.3應(yīng)用程序
　　在Win2系統(tǒng)中，把每個(gè)設(shè)備抽象為文件，應(yīng)用程序就通過幾條簡單的文件操作API函數(shù)實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備通信。USB通信常使用的API函數(shù)有：CreatFile，WriteFile，ReadFile，DeviceControl，CloseFile等。在應(yīng)用程序時(shí)只需將上述函數(shù)加入到相應(yīng)的功能模塊中便可完成應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備進(jìn)行打開、讀、寫操作，這樣就完全實(shí)現(xiàn)了兩者的通信。應(yīng)用程序最終實(shí)現(xiàn)了VGA，CIF等圖像格式的應(yīng)用。