一种基于嵌入式技术的图像采集技术实现

摘要：随着电子技术的发展，处理芯片的运行性能得到了飞速提升。在最新的64位基于ARM内核的处理芯片已经能够实现对图像进行实时采集和处理。一些高性能芯片还能够实现可视电话、指纹识别等高复杂度计算功能。但是在一些采用通用处理芯片的嵌入式系统中，由于芯片的计算能力有限，而图像的数据量又相对较大，因此很难实现对图像数据的实时采集和处理，只能通过采取一定的措施进行数据优化以实现上述功能。在图像采集上通常采用CMOS数字图像传感器，其原因主要在于其性价比高，并且能够直接输出图像数据。本文使用的OV7620就属于CMOS数字图像传感器。本文主要应用OV7620实现嵌入式系统中的图像采集功能。

关键词：图像采集 传感器 嵌入式技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0171-01

1、OV7620传感器简介

OV7620由一个的感光阵列构成，并集成了帧控制电路、模拟信号处理电路、视频时序产生电路、A/D转换电路、数字信号输出电路及I编程接口。OV7620传感器可以对得到的原始图像信号进行多方面处理：模拟信号处理电路主要进行信号处理工作，然后输出多种标准视频信号；时序产生电路用于产生进行数据同步、场同步、等多种同步信号所需要的时钟信号，同时，时钟信号也由该模块产生和控制；I总线接口可以用来与外部控制器连接，通过输入控制命令读取传感器的工作方式、工作状态，控制芯片的数据输出格式等。

由于OV7620采用了CMOS制作工艺，可以对模块进行高度集成，故该芯片制造成本低，但是又不失在图像数据处理方面的简单和高效性，另外，COMS的制造工艺决定了该传感器工作电压单一、单位功耗低、对局部图像的像素编程具有随机访问等优点。

2、图像采集方案设计

本方案基于Omnivision公司生产的OV7620进行设计。OV7620的参数手册说明中规定其图像输出速率最高值为30bps，一般的处理器的接口的读写速度无法与其匹配，即便可将其某个端口电平设置为循环性质的高和低，控制输出方波频率也不能超过4兆赫兹。也就是说每秒内采集到的图像数据量相对于嵌入式系统来说过大。默认情况下，OV7620一幅图像的数据大小为300K，而本系统采用的处理器是基于ARM7的由飞利浦公司生产的LPC2114，虽然其功耗特别低，但是相应的不足之处就是它的内存空间只有16KB，没有外接存储器的扩展总线，因此该处理器在外部扩展上具有先天性不足。但是由于其所具有的低成本特性和低端面向控制的处理器件技术的发展，该类系统还是具有非常广泛的应用。

本文就是设计一种可行方案来解决该单一处理器无法独立完成的图像采集问题。具体方案描述为：利用CPLD（可编程逻辑门阵列）与OV7620对接，辅助该传感器将实时采集到的数据放到一片缓存器中，然后通知LPC2114对该数据进行读取。通过该处理方式，在不降低OV7620采集速率的前提下解决了LPC2114的读写速度慢和内存储不够大等问题。

图像采集系统由四部分组成：前端部分的CMOS摄像电路、中间部分的数据缓存控制逻辑电路、辅助端的SRAM存储设备，还有一条32位嵌入式系统的总线接口。

3、CPLD控制逻辑设计

由上一节可知，系统所采用的LPC2114处理器的读写速度慢和内存容量小，该系统无法达到实时完成采集一帧图像并存储的传输要求。只能采用在该系统中添加一片逻辑控制器件来协助完成采集功能，其主要原理是由CPLD内的逻辑控制电路对图像数据进行读取，然后将数据缓存到外接存储器中。由于存在中间过程，该系统就变为非实时图像采集与处理系统，鉴于这种情况，可以通过适当改变OV7620的输入时钟频率来降低OV7620数字图像传感器的图像数据输出速率。系统中默认的CPLD的时钟频率为40MHz。采用10分频技术对时钟信号进行分频，分频后的时钟频率作为COMS图像传感器的时钟频率。通过降低传感器的图像输出的速率，减少LPC2114处理器对图像数据进行处理时的负担，甚至于使处理器有空闲进程可以进行其它控制指令操作。由于CPLD在工作时需要读取CMOS图像传感器输出的图像数据并将其输出到缓存中。因此CPLD中的时序逻辑主要参考图像传感器输出图像数据的时序和缓存器的读写时序来编写。CPLD的时序逻辑电路可以通过由硬件描述语言VHDL编写的状态机来实现。在这些主要工作完成后，对整个系统附加一些必要的门电路、多路选择器和加法器等，结合状态机，该部分就组成了控制摄像头的逻辑控制电路。

4、功能验证方法

为验证该方案能否实现图像采集功能，可以对CPLD部件控制的缓存到SRAM中的数据进行编码处理，查看输出图像是否与采集图像一致。鉴于PC计算机在软硬件资源方面具有强大的优势，我们使用PC计算机呈现采集数据构成的图像，验证图像采集功能是否准确有效。具体方法可以将LPC2104处理器从SRAM中读取的图像数据通过串口传送给PC计算机。在PC计算机端编写响应的数据接收软件，对接收的串口数据进行编码分析，然后成像，输出到屏幕上，对比输出图像和采集图像验证该图像采集系统的功能。

5、结语

由于嵌入式系统的诸多优点，其被广泛应用与各个领域。本文提出了一种在硬件方面基于OV7620传感器和LPC2114处理器、在软件方面结合VHDL语言和嵌入式处理器应用程序的图像采集技术，实现了图像采集功能。

参考文献

[1]孟超，张曦煌.基于嵌入式系统的图像采集与传输设计[J].计算机工程与设计，2008（29）：4414-4416.

[2]袁子豪，赵成璧.基于嵌入式系统的舱室图像采集[J].广东造船，2007（4）：39-42.

[3]倪坤，李思敏.低端嵌入式系统的图像采集[J].微计算机信息，2007（6）.