摘? 要: 介紹了外置式USB無損圖像采集" title="圖像采集">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" title="圖像采集卡">圖像采集卡" 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　　關(guān)鍵詞: 無損圖像采集? 圖像處理? FPGA/CPLD? USB? SAA7111A

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　　現(xiàn)代圖像采集技術(shù)發(fā)展迅速,各種基于ISA、PCI等總線的圖像采集卡已經(jīng)相當(dāng)成熟,結(jié)合課題設(shè)計了一款USB外置式圖像采集卡。該圖像采集卡已成功應(yīng)用于一個圖像處理和識別的項目中,由于圖像信號不經(jīng)過壓縮處理,對后續(xù)處理沒有任何影響,因此圖像處理和識別的效果比一般的圖像采集卡要好,滿足了特殊場合的特殊需要。

1 外置式無損圖像采集卡的系統(tǒng)構(gòu)成

　　整個無損圖像采集卡由圖像采集,、圖像信號的處理和控制、USB傳輸和控制、PC機端的圖像還原和存儲等幾部分組成,。

本文介紹的圖像采集卡采集的一幀圖像是720×576象素,如果取彩色圖像,每象素用2個字節(jié)表示,每幀圖像是720×576×16=6480kbps,分成奇數(shù)場和偶數(shù)場分別存儲在兩片SRAM中,則每片的SRAM存儲3240kbps的圖像數(shù)據(jù)" title="圖像數(shù)據(jù)">圖像數(shù)據(jù),因此選用了256K×16=4M位的靜態(tài)存儲器(SRAM)。在圖像處理領(lǐng)域,通常只需要黑白圖像,可以只取圖像的黑白部分,每象素用1個字節(jié)表示,每幀圖像是720×576×8=3240kbps,每片SRAM存儲1620kbps的圖像數(shù)據(jù),。所采用的EZ-USB芯片理論速率是12Mbps,實際測得的速率是8Mbps,因此圖像采集卡每秒傳輸約1幀彩色圖像或2幀黑白圖像,。

　　當(dāng)插上圖像采集卡后,PC機會自動識別它。在PC機上,應(yīng)用程序通過USB向FPGA/CPLD發(fā)送圖像采集命令,CCD攝像頭輸出的PAL制式或NTSC制式的模擬視頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號,用FPGA/CPLD作為采樣控制器,將數(shù)字信號存入靜態(tài)存儲器(SRAM)中,當(dāng)完成一幀圖像采集后,FPGA/CPLD向USB發(fā)送中斷信號,要求USB進行圖像數(shù)據(jù)的傳輸,在PC機端接收USB送來的一幀圖像數(shù)據(jù),并且顯示,、存儲圖像,。本文具體講述了用該圖像采集卡進行黑白圖像的傳輸,整個硬件框圖如圖1所示。

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2 外置式無損圖像采集卡的研制

2.1? 圖像采集部分

　　圖像采集部分選用了Philips公司的視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7111A(EVIP),對SAA7111A的初始化是通過EZ-USB所提供的一對I2C引腳SDA和SCL進行的,在USB固件程序(Firmware)中進行I2C通信程序的編寫,。本系統(tǒng)中SAA7111A的初始設(shè)定為:一路模擬視頻信號輸入,、自動增益控制、625行50Hz PAL制式,、YUV 422 16bits數(shù)字視頻信號輸出,、設(shè)置默認(rèn)的圖像對比度、亮度及飽和度,。SAA7111A芯片產(chǎn)生的數(shù)字視頻信號,、控制信號和狀態(tài)信號送入控制芯片F(xiàn)PGA/CPLD中,即把場同步信號VREF,、行同步信號HREF、奇偶場標(biāo)志信號RTS0,、片選信號CE,、垂直同步信號VS、象素時鐘信號LLC2以及數(shù)字視頻信號VPO[15：8]等管腳連接到FPGA/CPLD芯片LC4128V,以便LC4128V獲知各種采集信息,。同時,SRAM芯片的讀寫信號,、片選信號、高低字節(jié)信號,、數(shù)據(jù)線IO[7：0]和地址線A[17:0]連接到LC4128V,整個采集過程由FPGA/CPLD芯片LC4128V控制,。

　　在PC機端,通過USB發(fā)出圖像采集命令后,FPGA/CPLD進行圖像采集,由于CCD攝像頭輸出模擬信號,需要經(jīng)過視頻A/D轉(zhuǎn)化芯片,把模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻信號,輸入進FPGA/CPLD芯片,FPGA/CPLD根據(jù)狀態(tài)信號RTS0把奇偶場圖像信號分別存儲在SRAM(ODD)和SRAM(EVEN)中。

2.2 圖像信號的處理和控制

　　這部分是無損圖像采集卡的核心,需要對外圍的器件進行集中控制和處理,。FPGA/CPLD對圖像信號的采集,、控制、存儲數(shù)據(jù)到SRAM以及從SRAM讀取數(shù)據(jù)都在這里實現(xiàn),。選用了Lattice公司的新一代產(chǎn)品ispMACH 4000V-LC4128V,采用Verilog HDL作為硬件描述語言,但是所編寫的Verilog源程序既適用于FPGA器件,又適用于CPLD器件,。

　　FPGA/CPLD與USB接口部分由七個部分構(gòu)成(如圖1所示):Start線是拍攝線,它可以向FPGA/CPLD發(fā)出圖像采集命令, FPGA/CPLD把當(dāng)前的奇數(shù)場圖像存儲在SRAM(ODD)中,把當(dāng)前的偶數(shù)場圖像存儲在SRAM(EVEN)中;當(dāng)一幀數(shù)據(jù)全部存儲完后,發(fā)出中斷(Interrupt)信號通知USB芯片;同時用State線作為狀態(tài)線,當(dāng)State線為低電平時,表明USB可以從SRAM讀數(shù)據(jù),當(dāng)State線為高電平時,表明FPGA/CPLD正在向SRAM寫數(shù)據(jù);RamOdd用于選擇從SRAM(ODD)中讀取奇數(shù)場的數(shù)字視頻信號;RamEven用于選擇從SRAM(EVEN)中讀取偶數(shù)場的數(shù)字視頻信號;FPGA/CPLD輸出的數(shù)據(jù)線連接至USB和SRAM芯片,再通過USB傳送到PC機;FrdClk線是USB快速讀寫方式輸出的讀選通信號,作為SRAM的時鐘,每來一個時鐘脈沖,地址值就加1,然后將對應(yīng)地址單元中存儲的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)絇C機上。

　　下面具體描述FPGA/CPLD 內(nèi)部時序控制(如圖2所示),。首先需要產(chǎn)生FPGA/CPLD內(nèi)部同步時鐘信號InClk,當(dāng)FPGA/CPLD向SRAM存儲數(shù)字視頻信號時,用SAA7111A的LLC2作為內(nèi)部同步時鐘信號;當(dāng)FPGA/CPLD傳輸數(shù)字視頻信號時,用USB的讀選通信號FrdClk作為內(nèi)部同步時鐘信號,。當(dāng)有VS上升沿時,如果RTS0為低電平,則表明是奇數(shù)場即將到來,產(chǎn)生LingPai高電平信號,對LingPai取反后用作SRAM(ODD)的寫信號WE1;如果RTS0為高電平,則表明偶數(shù)場即將到來,產(chǎn)生LingPaiEven高電平信號,對LingPaiEven取反后用作SRAM(Even)的寫信號WE2,WE1和WE2經(jīng)過與門后產(chǎn)生圖2中的兩個SRAM的寫選通信號WE。此外,由LingPai和LingPaiEven產(chǎn)生LingPaiAll信號,作為選擇內(nèi)部同步時鐘的控制信號,。由USB芯片產(chǎn)生的RamOdd(OE1)和RamEven(OE2)信號,分別用作SRAM(ODD)和SRAM(EVEN)的讀信號,OE1和OE2經(jīng)過與門后產(chǎn)生圖2中的兩個SRAM讀選通信號OE,。當(dāng)LingPaiAll為高電平期間,表示FPGA/CPLD正在向SRAM存儲數(shù)據(jù),此時用WE1作為SRAM(ODD)的片選信號CE1,用WE2作為SRAM(EVEN)的片選信號CE2;當(dāng)LingPai為低電平期間,表示USB正在從SRAM讀取數(shù)據(jù),此時用OE1作為SRAM(ODD)的片選信號CE1,用OE2作為SRAM(EVEN)的片選信號CE2。

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　　下面闡述FPGA/CPLD如何對數(shù)據(jù)傳輸進行控制,這部分是個難點(如圖2所示),。這里只討論如何對奇數(shù)場的數(shù)字視頻信號進行控制,對偶數(shù)場的控制類似于對奇數(shù)場的控制,本文不再闡述,。當(dāng)LingPai為高電平時,表示FPGA/CPLD向SRAM存儲奇數(shù)場圖像數(shù)據(jù),此時時鐘為LLC2。當(dāng)場同步信號VREF,、行同步信號HREF,、奇偶場標(biāo)志信號RTS0為高電平時,改變相應(yīng)SRAM的地址信號,并且把數(shù)字視頻信號輸出數(shù)據(jù)到內(nèi)部的緩沖器VI,當(dāng)LingPai為低電平時,表示USB正在從SRAM讀取奇數(shù)場圖像數(shù)據(jù),此時時鐘為FrdClk。FPGA/CPLD內(nèi)部用AddressChange記錄LingPai的變化,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有LingPai變化時,表示讀取數(shù)據(jù)變成了存儲數(shù)據(jù)或者存儲數(shù)據(jù)變成了讀取數(shù)據(jù),此時需要把SRAM的地址值變成0,。在Verilog中靈活運用了非阻塞型過程賦值(參見下面的源程序),解決了這個技術(shù)難點,。此外,需要把從SAA711A輸出的數(shù)字視頻信號先放在緩沖器VI[7；0]中,在LingPaiAll為高電平時,通過VO[7,；0]輸出到SRAM,保證存儲數(shù)據(jù)的可靠同步性,。這部分Verilog源程序如下：

　　always @(posedge InCLK)

　　begin? ??

????　　?? AddressChange<=LingPai;???????

?????? 　　if(VREF && HREF && RTS0 && LingPai)?????? begin VI<=VPO; A<=A +1;］

　　　　　?end

?????? 　　if(,！LingPai && ,！OE1) ?????? 　　　　　　begin A <=A +1；

?????????? end

?????? 　　if(LingPai,！= AddressChange) begin A <=0,；? end

　　end

2.3?USB的開發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸

　　Cypress公司推出的帶有USB接口的EZ-USB系列處理器,實現(xiàn)了外圍設(shè)備通過USB接口與PC機進行數(shù)據(jù)通信,。它通過內(nèi)部RAM編程和數(shù)據(jù)存儲,使得芯片具有軟特性。USB主機通過USB總線下載8051程序代碼和設(shè)備特征到RAM中,然后EZ-USB芯片作為一個由代碼定義的外圍設(shè)備重新連接到主機上(重枚舉),。

　　USB規(guī)范1.1版本定義了USB的四種數(shù)據(jù)傳輸模式:控制傳輸,、同步傳輸、中斷傳輸和塊傳輸,以適應(yīng)不同應(yīng)用場合的需求,。其中塊傳輸方式提供數(shù)據(jù)校驗,適用于無誤傳輸大批量數(shù)據(jù)的場合,。本課題選用USB的塊傳輸方式,同時采用了EZ-USB的快速傳輸模式,理論速率為12Mbps,實際最高速率能達到8Mbps。

　　當(dāng)PC機檢測到USB圖像采集卡已經(jīng)插上后,PC機可自動地將圖像采集卡的驅(qū)動程序裝入操作系統(tǒng),同時PC機通過USB總線下載8051程序代碼和設(shè)備特征到USB的RAM中,。

　　USB的開發(fā)包括USB的固件程序,、Windows設(shè)備驅(qū)動程序和Windows主機應(yīng)用程序的編制,限于篇幅,這里只簡單介紹一下USB固件程序(Firmware)的編制。USB固件程序的具體流程如圖3所示,在源程序的TD_Poll()中加入了對比度,、亮度及飽和度的調(diào)節(jié),以做到在硬件上對圖像處理中的上述重要參數(shù)的調(diào)節(jié),在外部中斷1中完成一幀數(shù)據(jù)的快速傳輸,。

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　　由于采用了外部中斷1,為了避免與USB中斷的沖突,需要在工程中自己編寫一個匯編文件,內(nèi)容如下:

　　cseg at???? 43h

????　　? ljmp 1800h

　　end

　　此外,在編寫的Keil C源程序中需要加兩句話,以解決USB中斷和外部中斷的地址重疊問題。

　　#pragma intvector (0x17FD)

　　#pragma interval(4)??????

　　為了增加USB傳輸數(shù)字視頻信號的速度,采用USB的快速讀寫模式,在Keil C源程序中內(nèi)嵌對USB進行寄存器設(shè)置的匯編代碼,。配置了USB的時鐘控制寄存器,采用全速訪問數(shù)據(jù)存儲器,MOVX指令在兩個機器周期內(nèi)實行,時鐘頻率為24MHz,因此USB產(chǎn)生的讀選通寬度為83.3ns,。配置端口A,使能PORTACFG(16進制地址為7F93H)寄存器中的快速讀FRD。配置快速傳輸控制寄存器FASTXFR(16進制地址為7FE2 H),采用快速塊傳輸,使能快速讀寫信號,。為了將端點2緩沖區(qū)配置成FIFO,增加讀寫速度,8051將端點2緩沖區(qū)(IN2)的首地址7E00H裝入自動指針AUTOPTRH(16進制地址為7FE3H)和AUTOPTRL(16進制地址為7FE4H),并且dptr指向AUTODATA(16進制地址為7FE5H),也就是指向了FIFO寄存器,這樣8051可以完全像FIFO一樣訪問端點2緩沖區(qū),。

2.4 PC機端的圖像還原

　　在PC機端,用Visual C++ 6.0編寫客戶應(yīng)用程序,應(yīng)用程序通過USB接收原始的奇數(shù)場和偶數(shù)場圖像數(shù)據(jù),待接收完奇數(shù)場和偶數(shù)場圖像數(shù)據(jù)后,應(yīng)用程序把它們組成完整的一幀圖像,并且把該幀圖像數(shù)據(jù)存儲到硬盤上,然后把這幀圖像轉(zhuǎn)化成BMP格式的圖像,以BMP格式再次在硬盤上存儲圖像數(shù)據(jù),同時以BMP的形式顯示圖像。

3 應(yīng)用前景

　　該無損圖像采集卡雖然是針對特殊的圖像處理應(yīng)用而研發(fā)的,但它的用途很廣,能應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的圖像傳輸,、集成電路和精密機械領(lǐng)域中的器件定位等,。此外,如果用USB2.0代替USB1.1,則能實時傳輸圖像數(shù)據(jù)到PC機或嵌入式系統(tǒng),用軟件進行圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理,這塊外置式圖像采集卡可以作為一個很好的實時監(jiān)控設(shè)備,以降低硬件成本。

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參考文獻

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