K9MDG08U5M在航拍相機中的應用

單 潔

（西安郵電學院通信工程系，陜西 西安 710061）

0 引言

隨著數字技術的迅速發展，高分辨率 CCD航拍相機已經初步應用于航天、航空、軍事等領域。對于高分辨率 CCD相機技術而言，圖像的保存與恢復是難點之一。目前常用的存儲設備有硬盤、光盤、各種動靜態及固態存儲器件，其中閃存在便攜設備中具有容量大、價格低廉、控制方法靈活、與微處理器 接口方便等特點，且體積小、功耗低、抗震抗干擾性強等優點，更適合作為數碼相機的存儲器。因此，研究閃存在高分辨率CCD相機中的應用技術有重要的意義。

目前有關閃速存儲器應用的文獻比較多，文獻[1]介紹的圖像采集記錄系統是以Samsung公司的64 M閃速存儲器作為圖像存儲介質，但是這些應用不能滿足大容量存儲要求。

1 用K9MDG08U5M 構成CCD航拍相機的存儲系統

本相機系統采用 DALSA公司生產的一款超大分辨率全幀轉移型面陣CCD FTF4027M，其有效像素1100萬，象元尺寸為 9 um×9 um，工作頻率 27 MHz，可四象限同時讀出，讀出速度快，最大可達每秒8幅。設計要求最高拍攝頻率2幀/秒，存儲容量不小于120幀 。這就對存儲器的容量和速度提出了很高要求：① 航拍相機要求重量輕、功耗低、工作性能穩定等；② 原始圖像1 M×12 bit（12位AD轉換），盡管圖像經過壓縮處理，但由于原始圖像分辨率過高，120幀圖像仍然需要很大的存儲空間；③ CCD讀出速度快，就單端輸出來說每秒就有2幀圖像，原始數據就有22 M ×12 bit，按壓縮率為 1/3.5壓縮后存儲，要求存儲器的速度達到9.428 Mbyte/s，這對存儲器的讀寫速度要求很高[2]。因此，根據以上的難點，筆者在眾多的存儲設備中選用了 NAND FLASH存儲器K9MDG08U5M。系統框圖見下頁圖1。

當快門開啟時，鏡頭將光線會聚到感光器件 CCD ，CCD是半導體器件，主要功能是把光信號轉換為電信號。這樣得到了對應于拍攝景物的電信息圖像。由于CCD的輸出是模擬信號，因此需要使用一個ADC 器件來進行數字化處理。隨后這些數據信息經過DSP讀出并進行壓縮、轉換等處理，再轉換成特定的圖像格式。最后，以圖像文件的形式存儲在FLASH存儲器中。事后可通過 LCD查看拍攝的照片和通過 USB2.0接口將照片傳輸到計算機上。

圖1 系統框圖

2 系統中的主要器件

2.1 信號處理器

在本系統中圖像壓縮采用 TMS320C6205，這是一款高性能的定點數字信號處理器[3]。工作頻率為200 MHz時，每個指令周期為5 ns，運算速度可達1600 MIPS；具有VLIW體系結構，每周期最多可有8個 32 bit的指令并行執行；8個獨立的功能單元，有兩個 16 bit乘法器和6個算術邏輯單元；采用加載存儲體系結構，數據在多處理單元之間的傳輸依靠32個32 bit的通用寄存器。C6205的外部存儲器尋址空間為52 MByte,片內有1 Mbit的SRAM。片內RAM被分為兩塊：① 內部程序/cache存儲器；② 內部數據存儲器。32 bit EMIF可與不同存儲器接口，可方便地配置不同速度、容量、復雜程度的存儲器。此外，C6205還有四通道Bootloading DMA處理器、兩個多通道緩沖串口（McBSP）和32 bit/33 MHz PCI接口，并且片內PLL時鐘發生器可對輸入時鐘進行不同的倍頻處理。這種芯片很合適處理圖像壓縮等運算密集的工作。

2.2 閃存K9MDG08U5M

K9MDG08U5M是三星公司開發的目前單片容量最大閃存芯片，它的單片容量高達 16 GB。K9MDG08U5M內部是由 16片K9W8G08U1M構成，所以僅需研究K9W8G08U1M的結構就可以了。

2.2.1 內部結構

K9W8G08U1M的單片容量達到 1 GB，同時還提供有256 M額外容量。該閃存芯片是通過與非單元結構來增大容量的。芯片容量的提高并沒有削弱它的功能，它可以在300 μs內完成一頁 2112個字節的編程操作,還可以在 2 ms內完成128 K字節的擦除操作,同時數據區內的數據能以50 ns／byte的速度讀出，已經與一般的SRAM相當。8位I/O端口采用地址、數據和命令復用的方法。這樣既可減少引腳數，還可使接口電路簡單。片內的寫控制器能自動執行寫操作和擦除功能，包括必要的脈沖產生，內部校驗等，完全不用外部微控制器考慮，簡化了器件的編程控制難度。工作電壓為 1.8 V或3.3 V，符合當前低功耗的國際潮流。

該芯片具有以下特點：① 以頁為單位進行讀和編程操作，以塊為單位進行擦除操作，具有快編程和快擦除的功能；② 數據、地址采用同一總線，實現串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節隨機編程；③ 芯片尺寸小，引腳少，是位成本最低的固態存儲器；④ 芯片包含失效塊，失效塊不會影響有效塊的性能。其內部結構如圖2所示。

圖2 原理框圖

在整個圖像存儲系統中，K9MDG08U5M是設計核心，它由地址譯碼器、存儲陣列、命令寄存器、控制邏輯和高電壓產生器和I/O緩存、全局緩存及輸出驅動組成。

2.2.2 與 TMS320C6205硬件接口設計

K9MDG08U5M與 TMS320C6205的硬件接口電路見圖 3。K9MDG08U5M只有8根數據地址復用總線，而TMS320C6205的EMIF接口數據和地址總線分別有32位和20位，所以必須經過一種合理的總線轉換將其連接，本系統采用 2片K9MDG08U5M并行存儲。具體電路連接方法是讀寫使能信號可直接相連；控制線CLE和ALE分別與EMIF的數據線ED9和ED11直接連接；EMIF的片選信號/CE1與字節使能信號/BE0相與后與 FLASH 的片選信號相連；由于EMIF的ARDY 信號為低時，DSP自動插入等待時鐘周期，因此FLASH 的RY/ #BY信號經過上拉電阻與ARDY信號相連，這種設計使FLASH的寫操作可不運行數據測試算法，簡化了程序設計。

圖3 K9MDG08U5M與TMS320C6201接口電路

圖中的MAX708是一個電源電壓監測芯片。當電壓正常時，管腳/PFI 輸入電壓高于1.25 V，系統正常工作；當工作電壓降低時，管腳/PFI的輸入電壓低于1.25 V（門限電壓）時，管腳 /PFO輸出跳為高電平，經過反向后輸出，使得存儲器進入寫保護狀態。當電源電壓超過門限電壓300 ms后，才解除寫保護狀態，可以正常寫入數據。這樣可以保證寫入存儲器的數據都是有效的。MAX708的工作電流只有50 μA。

3 軟件設計

Flash的基本操作有讀、按頁讀、頁編程、緩存編程、存儲單元復錄和塊擦除等。對Flash的操作要靠寫入一系列特定的地址和數據序列完成。在每次對Flash寫入之前要對其原來內容進行擦除。對Flash寫操作是按頁進行的，每次頁編程之前要有5個周期的地址輸入，這樣速度遠遠低于系統要求，解決方法只有連續寫操作，即只在每幅圖像之前寫入地址，然后連續寫入一幅圖像的數據，這樣速度大大提高。同樣，采用連續讀操作,順序讀出一幅或多幅圖像會提高速度。這樣對 K9MDG08U5M的操作就簡化為連續讀寫和擦除操作。

海量數據存儲是本系統的瓶頸，設計要求實時拍攝，每秒2幅照片，數據量 22 M×12 bit，K9MDG08U5M寫操作最快速度為7 Mbyte/s，如果壓縮率為1/3，則數據量11 Mbyte/s大于K9MDG08U5M寫操作速度。本系統采用JPEG2000方法，壓縮率可達到 1/3.5，數據量為 9.428 Mbyte/s，2片K9MDG08U5M并行基本滿足要求。如果特殊情況下數據量超過Flash峰值，解決方法有：第一尋找更好的壓縮方法提高壓縮率；第二采用四片并行存儲32位數據。

3.1 塊擦除

K9MDG08U5M的擦除操作是以塊為基礎進行的。塊地址裝載將從一個塊擦除指令開始，并在兩個循環內完成。實際上，當地址線A12～A17懸空時，只有地址線A18～A30可用。裝入擦除確認指令和塊地址即可開始擦除。該操作必須按此順序進行，以免存儲器中的內容受到外部噪聲的影響而出現擦除錯誤。

3.2 寫操作

在寫入連續數據輸入指令（80h）后裝載連續數據，當寫入頁編程確認指令（10h）即可開始編程操作。假定分辨率為11 M原始圖像，經過壓縮處理后成為4 M，在相機工作前先將FLASH清除，然后第一幅圖像保存在連續的2 k頁，中間無需再寫入地址。以此類推，整片 K9MDG08U5M可以保存2048 幅這樣的照片。寫數據操作流程如圖4。

3.3 讀操作

K9MDG08U5M的默認狀態為讀狀態。讀操作是以通過5個地址周期將00h地址寫到指令寄存器為開始指令，一旦該指令被鎖存，就不能在下頁中寫入讀操作了。當地址變化時，隨機讀操作可以將選定頁中的2 k字節數據在25 μs內存入數據寄存器中。系統可以通過分析 R/#B 腳的輸出來判斷數據轉移是否完成。而存入數據寄存器的數據可以很快地被讀出，如一頁的數據通過連續的RE脈沖可以在50 ns內讀出。

3.4 壞塊管理

閃存同其它固體存儲器一樣均會產生壞塊。壞塊是包含一位或多位無效位的塊。在K9MDG08U5M中壞塊不影響正常部分的工作，這是因為其各塊之間是隔離的。壞塊可以通過地址的布置系統找到，而三星公司確定地址為 00h的第一塊一定是正常的。壞塊在多數情況下也是可擦寫的，并且一旦被擦掉就不能恢復。因此，系統必須能根據壞塊信息來識別壞塊，并通過流程圖建立壞塊信息表，以防止壞塊信息被擦除。

圖4 寫操作流程

在閃存的使用中，可能會產生新的壞塊，從而使正常工作出現一些錯誤。在擦除和編程操作后，如果出現讀失敗，應當進行塊置換。塊置換是由容量為一頁的緩沖器來執行的，可以通過發現一個可擦的空塊和重新對當前數據對象進行編程來復制塊中的剩余部分。為了提高存儲空間的使用效率，當由單個字節錯誤而引起的讀或確認錯誤時，應由 ECC收回而不要進行任何塊置換。

3.5 注意事項

在寫操作時，三條關鍵控制檢測線/CE、/RE、/WE必須處于正確狀態，當/CE 或 /WE 不是低電平或/RE不是高電平時，編程操作將被禁止。由于該Flash的操作時序是ns級，所以在調試時要注意指令的安排順序和有選擇地加入空操作指令，以滿足其精確的時序要求；擦除操作耗時較多，應減少擦除操作；由于FLSAH 在使用過程中會出現壞塊，因此盡量避免頻繁地對同一地址操作，以免造成局部單元提前損壞。

4 結語

本系統最大的特點就是數據量大實時性高，DSP在計算過程中必須進行數據的交換、存儲，無論采用查詢方式還是中斷方式都會影響CPU資源，在本系統利用C6205的DMA控制器對通過EMIF的外部存儲器進行訪問，可獨立于CPU操作，提高CPU利用率。我們在實際工作中發現，大多數情形下，數據傳輸所花費時間往往超過數據處理的時間，成為系統中的瓶頸。因此，合理使用DMA提高數據傳輸效率，有實際應用價值[4]。

整個系統的試驗過程中，本部分工作正常，有效地將高分辨率CCD相機的數據實時存入到Flash中，經過軟件對存儲數據的恢復分析，數據存儲正確，無漏存數據或錯誤數據。這種數據存儲方式對各種大容量數據采集以及存儲系統的設計具有很好的參考意義。

[1] 劉智，薛旭東. 閃速存儲器K9F1208UOM在圖像采集系統中的應用[J].單片機及嵌入式系統應用, 2004(02):58-61

[2] 達選福，張伯濟，邊川平. 高速CCD圖像數據存儲技術[J]. 光子學2003,32(11):1393-1395.

[3] 李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000 系列DSPs原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2003.

[4] 李朝暉. TMS320C6201 DMA在視頻圖像編碼中的應用[J].華北航天工業學院學報,2003,13（09）：12-15.