基于ＰＣＥ３２００的圖像信息采集系統設計

摘 要：介紹一種新的圖像采集系統。該系統以凌陽公司最近推出的嵌入式32位多媒體微處理器PCE3200為主控制器，OmniVision公司生產的型號為OV7620的CMO圖像傳感器為圖像采集芯片。OV7620將圖像信息采集后以RGB原始數據格式傳給PCE3200，該處理器將數據轉化為YUV格式后經內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊壓縮編碼，然后存儲在FLA中，實現圖像信息的采集和保存。主要對相關的軟硬件技術做了介紹，并給出電路圖與程序流程。采用凌陽公司最近推出的嵌入式32位多媒體微處理器PCE3200為主控制器，該芯片內置CMO傳感器接口單元，可直接與CMO傳感器相連接，使得硬件電路格外簡單。

關鍵詞：圖像采集;CMO圖像傳感器;PCE3200;OV7620

Image Acquisition ystem Design Based on PCE3200

ANG Jieyuan

(Guangdong Lingnan Polytechnic College，Guangzhou，10663，China)[J12/3]

Abstract：A new image acquisition system is introducedEmbedded 32 multimedia microprocessor PCE3200 designed by unplus company is used as controller and CMO image sensor chip OV7620 is used for image acquisition by the systemAfter image information is collected，OV7620 will transmit it as original RGB data format to PCE3200，which will transform it to YUV format，after that，MPEG 4/JPEG hardware module will compress it and then store it in FLAhis paper mainly talks about the hardware and software technology and gives the circuit and program flowInnovation of the paper is using PCE3200 as controller，which is designed by unplus Companyhis chip has CMO sensor interface which can be used to connect with CMO sensor directly，and makes hardware circuit particularly simple

Keywords：image acquisition;CMO image sensor;PCE3200;OV7620[J12/3]

視頻圖像信息的采集和處理在人們的日常生活以及現代工業生產中占有極其重要的地位。早期的光電視頻成像系統是真空攝像管成像系統。目前，主要有CCD和CMO兩種視頻圖像傳感器。CCD傳感器雖然可獲得高的圖像質量，但存在著功耗高、體積大、生產成本高、不易與CMO技術集成在同一芯片中等缺點。而CMO傳感器集成度高、功耗小、生產成本低，容易與其他芯片整合。CMO芯片幾乎可以將整個圖像系統，包括傳感器陣列、時序邏輯、可編程控制功能和A/D轉換器集成到一塊芯片上，促進了微型視頻圖像成像系統的發展。OV7620單芯片CMO圖像傳感器是33萬像素視頻/圖像攝像器件，在單個芯片中高度集成了全部攝像功能。多媒體微處理器PCE3200以凌陽公司開發的+core7為內核，內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊及多種多媒體功能模塊。PCE3200內置的CMO傳感器接口(CI)可以方便地與COM傳感器進行連接，并在內部控制器的控制下接收COM傳感器發出的時鐘和數據，將影像數據傳送到DRAM中。由于圖像文件數據量大，占用較大空間，故可利用PCE3200內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊對圖像文件進行壓縮編碼，然后保存在FLA中。下面將詳細討論如何利用多媒體微處理器PCE3200的CMO傳感器接口單元CI對CMO圖像傳感器OV7620所獲得的圖像信息進行采集和處理。

1 系統組成

該圖像采集系統的結構如圖1所示。由于圖像傳感器OV7620將傳感器陣列、時序發生器、控制器、圖像數據處理芯片等集成到1塊芯片上，故可以直接與處理器PCE3200的CI控制器接口相連接。由圖1可以看出，鏡頭將場景成像于OV7620中的傳感器陣列(光電二極管)，該傳感器陣列將光信號轉換為電信號放大后傳給圖像處理芯片進行信號處理，圖像傳感器OV7620在像素時鐘、場同步信號與行同步信號的控制下將處理后的數字圖像信號傳送給PCE3200處理器的CI控制器，然后存儲在緩沖器DRAM中。在圖像信號傳送前，PCE3200通過I2C控制器對OV7620中的控制寄存器的相關參數進行設置。PCE3200內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊將緩存器中的圖像數據進行壓縮編碼后通過NAND FLA控制器保存在外部的FLA中。

OV7620為美國OmniVision公司開發的CMO圖像傳感器[1]，該芯片中高度集成了全部攝像功能。它采用664×492感光陣列，能夠在該分辨率下以高達60幀/s的速度捕捉圖像，采用先進的算法來消除固定圖案噪聲，大大減少拖尾和閃爍。所有攝像功能，包括曝光控制、珈瑪校正、增益控制、白平衡、顏色矩陣、開窗口等等都可以通過CCB接口編程。其性能特點為：

(1) 48個引腳，兩組8位數據輸出端口(Y0～Y7，UV0～UV7)；

(2) 掃描方式：隔行/逐行；

(3) 靶面尺寸：1/3in，468 mm×364 mm；

(4) 像素數目：664×492；

() 像素尺寸：76×76 μm；

(6) 雙通道10位A/D轉換，8/10位輸出；

(7) 數字輸出格式為：16位/8位YcrCb4:2:2，RGB原始數據；

(8) 支持外部場同步輸出；

(9) 支持外部單片機和存儲器接口。

其內部結構如圖2所示。視頻時序發生器主要負責像素陣列控制、幀的產生、內部時鐘信號產生和分配、幀率時序、自動曝光控制、外部時序輸出。模擬信號處理模塊主要負責自動增益控制、自動白平衡、圖像質量控制。

多媒體微處理器PCE3200以凌陽公司開發的+core7為內核，內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊，及多種多媒體功能模塊[2]。+core7內核采用凌陽指令集架構(unplus IA)的32位RIC處理器，該內核支持32位/16位混合指令模式以及并行條件執行。+core7內核采用了AMBA總線，為oC集成擴展協處理器和用戶接口提供了靈活性。

PCE3200內置的CMO傳感器接口(CI)可方便地與CMO傳感器連接，并在內部控制器的控制下接收CMO傳感器發出的時鐘和數據，并將圖像數據傳送到DRAM中[3]。其他所有與顯示有關的模塊，如V，LCD或JPEG模塊均可以訪問到該數據并輸出此數據進行顯示，或將其與其他數據混合而產生顯示數據。PCE3200的CI模塊的結構如圖3所示。PCE3200的CI模塊在時鐘脈沖的觸發下將CMO傳感器所捕獲的圖像信息數據傳送到數據處理單元，進行數據的接收、處理、然后將處理后的數據傳送到指定的BUFFER中。

2 硬件電路

OV7620與PCE3200的硬件連接如圖4所示，OV7620的Y通道端口與PCE3200的CI數據端口相連接，而OV7620的像素時鐘、場同步信號、水平同步信號，分別通過端口PCK，VYNC，REF傳入PCE3200的CI[CD#2]CKI，CI[CD#2]V，CI[CD#2]端口，PCE3200在該同步信號的幫助下將圖像數據出入相應的緩存區。OV7620具有1個標準的I2C總線接口，通過該接口能控制OV7620的各種工作狀態、工作方式、數據輸出格式和讀取內部狀態信息。但通過該端口控制OV7620時，端口BB必須接高電平。PCE3200也有一個標準的硬件I2C，可以方便地與帶有I2C總線的芯片通信。故可以將OV7620的IC[CD#2]0與IC[CD#2]1端口與PCE3200的I2C[CD#2]DAA和I2C[CD#2]CLK端口相連接，通過PCE3200控制OV7620工作狀態、工作方式、數據輸出格式等。I2C[CD#2]CLK輸出時鐘信號，I2C[CD#2]DAA在時鐘信號的觸發下將控制命令傳輸給OV7620。當PCE3200作為I2C總線的主機時，在PCE3200的I2C[CD#2]CLK和I2C[CD#2]DAA接入總線時需要各自接一個1～10 kΩ的上拉電阻。PCE3200內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊將緩沖區內的數據進行壓縮編碼，再利用內置NAND FLA控制器將壓縮后的數據保存在外部的FLA中。

圖為PCE3200的NAND FLA控制器端口與外部FLA的連接圖。由圖可以看出FLA的8位I/O端口與PCE3200的NF[CD#2]D端口相連接，用于命令、地址、數據的傳輸。FLA的讀忙端口R/B[X-]與PCE3200的就緒輸入端口NF[CD#2]RDY相連，該端口輸出低電平時表明某個寫入、擦除或隨機讀操作正在進行，當這個操作完成后，輸出高電平狀態，通知PCE3200準備下一次讀寫操作。FLA的讀使能端口RE[X-]與PCE3200的NF[CD#2]REN端口相連接，低電平有效。FLA的芯片使能端口CE[X-]與PCE3200的芯片片選端口NF[CD#2]CEN相連接，低電平有效。FLA的命令鎖存控制端口CLE與PCE3200的端口NF[CD#2]CLE相連接，當CLE為高時，I/O口在WE信號的上升沿將指令鎖存至指令寄存器。FLA的地址鎖存控制端口ALE與PCE3200的端口NF[CD#2]ALE相連接，當ALE為高時，I/O口在WE信號的上升沿將地址鎖存至指令寄存器。FLA的寫使能端口WE[X-]與PCE3200的端口NF[CD#2]WEN相連接，指令、地址和數據都會在寫使能WE的上升沿被鎖存。FLA的寫保護端口WP[X-]與PCE3200的端口NF[CD#2]WP相連接，該端口提供在電源波動情況下，對器件不可預料的寫入或擦除寫保護。

3 程序設計

主要是通過軟件對PCE3200相應端口控制器以及OV7620相關寄存器的參數進行設置。當設置完成后，PCE3200的CI控制器會在OV7620提供的幀同步信號、水平同步信號以及像素時鐘的作用下自動采集Y0～Y7傳過來的彩色圖像數據，并保存在DRAM中。當一幀圖像數據傳輸完畢后會觸發中斷，PCE3200內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊將該幀圖像數據壓縮編碼后存入FLA中。然后修改圖像緩沖區起始地址、參考圖像緩沖區起始地址以及VLC數據緩沖區起始地址，然后返回主程序采集下一幀圖像數據。圖6為主程序流程圖。

CI控制器的初始化主要包括模塊時鐘的使能、像素時鐘的選擇，幀緩沖區起始地址的設置，CI輸入數據和輸出數據格式的選擇、掃描方式選擇、幀頻選擇，分辨率選擇等。下面給出CI控制器初始化的程序：

PCE3200通過內置的硬件I2C控制器方便的控制OV7620工作狀態、工作方式、數據輸出格式等。I2C[CD#2]CLK輸出時鐘信號，I2C[CD#2]DAA在時鐘信號的觸發下將控制命令傳輸給OV7620。當時鐘信號處于高電平時，數據寫入OV7620的控制寄存器。I2C控制器初始化程序如下：

MPEG[CD#2]4/JEGP編解碼模塊的初始化主要包括該模塊工作時鐘的使能、合適工作頻率的設置，設定原圖像緩沖區、VLC編碼數據緩沖區、參考圖像緩沖區的起始地址以及緩沖區的選擇，對圖像大小以及原圖像緩沖區寬度的設置，設置編碼圖像的幀數，啟動量化器功能并設置量化后小數點的處理方式，調節量化幅度的大小，開啟MPEG引擎內部RAM，選擇編碼方式。

OV7620初始化主要包括OV7620內部控制寄存器的參數設置，設定像素時鐘頻率、輸入數據格式、輸出數據格式等進行設置，下面給出CI控制器初始化程序。其中I2C[CD#2]write8()函數的功能為將數據寫入OV7620的控制寄存器，括號中前面的參數表示寄存器的編號，后者表示寫入的數值。

4 結 語

常規的圖像采集系統存在較多弊端，如設備體積，費用高、耗電量大、結構復雜等。本文介紹了一種新的圖像采集系統，結構簡單、耗電量低、使用方便。該系統利用凌陽公司最近剛推出的嵌入式32位多媒體微處理器PCE3200作為主控制器。該處理器以凌陽公司開發的+core7為內核，內置MPEG 4/JPEG硬件編解碼模塊以及多種多媒體功能的模塊，如CMO圖像傳感器接口模塊(CI)，LCD控制器模塊，V編碼模塊、2通道16位高速D/A轉換器等。故可直接對傳感器采集的圖像信息進行編碼或格式轉換，便于圖像信息的存儲或通過V，LCD顯示。該系統采用的圖像采集芯片為OmniVision公司生產的、型號為OV7620的CMO傳感器，該芯片高度集成了全部攝像功能，接上鏡頭可直接使用。由于PCE3200含有CMO圖像傳感器接口模塊可直接與OV7620相連接，且PCE3200還含有NAND FLA控制器接口，可直接與FLA相連接，故硬件電路十分簡單。再加上OV7620工作電壓只有 V、電流20 mA、體積小，該系統在省電和體積上有很大優勢，可用于微型攝像系統的開發研究。

參 考 文 獻

［1］趙負圖傳感器集成電路手冊[Z]北京:化學工業出版社，2002

［2］凌陽科技嵌入式微處理器PCE3200原理及應用［Z］北京:北陽電子內部資料，2007

［3］凌陽科技嵌入式微處理器PCE3200的高級應用［Z］北京:北陽電子內部資料，2007

作者簡介

唐潔媛 女，1982年出生，湖北荊州人，碩士，助教。主要從事電子技術與信號處理研究