由圖像傳感器逆向控制的圖像采集系統設計

李江波，馬春庭，楊帆，陳志偉

(軍械工程學院，石家莊 050000)

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由圖像傳感器逆向控制的圖像采集系統設計

李江波，馬春庭，楊帆，陳志偉

(軍械工程學院，石家莊 050000)

以CMOS圖像傳感器OV7670和USB2.0控制器芯片CY7C68013A為核心搭建圖像采集系統，選擇CY7C68013A的中斷引腳添加按鍵作為控制按鈕，使控制信號與視頻數據經USB2.0接口傳輸至上位機。上位機端應用程序解析控制信號，據此對視頻數據進行相應操作，實現圖像采集系統的逆向控制。

逆向控制；圖像采集；USB

引　言

圖像傳感器近年來獲得了廣泛應用，無論是在道路兩旁還是商店、公共場所等，都離不開電子眼[1]。目前基于PC的圖像采集系統功能強大，但圖像傳感器的作用局限于采集視頻數據，對視頻數據的處理在終端(如PC)完成，控制命令始終由終端發出，無法做到將控制權前移至圖像傳感器(前端)，所以前端沒有視頻處理的控制權。

這使得圖像傳感器的應用大多局限于被動等待拍攝對象進入成像區域，在一些人流量大、情況復雜且需要隨時拍照的場合應用不方便。若能在圖像傳感器上添加控制按鈕，手持圖像傳感器撥動按鈕就能夠在終端保存圖像，這一功能的實現無疑會極大地拓展圖像傳感器的應用領域。

基于此，本文以CMOS圖像傳感器和USB2.0控制器芯片為核心，以USB芯片的中斷引腳為按鍵接入口，將控制信號與視頻數據經USB2.0接口傳送至上位機。由上位機應用程序根據控制信號對視頻數據進行相應操作，以此將視頻處理的控制權前移，實現逆向控制的圖像采集系統設計，此設計具有廣泛的應用前景。

1　系統總體設計

本系統由視頻采集單元、傳輸控制單元和數據處理單元構成[2]，如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

① 視頻采集單元即為CMOS圖像傳感器模組[3-5]，此處使用的是OV7670，這是一款30萬像素的CMOS圖像傳感器，感光陣列為640×480，支持多種視頻輸出格式，可通過SCCB總線進行配置。

② 傳輸控制單元以USB2.0芯片[6-8]CY7C68013A為核心搭建，主要完成兩項任務：一是初始化CMOS圖像傳感器，之后進入SLAVE模式,將視頻數據傳送至上位機；二是檢測控制按鈕狀態，若按鈕按下則通過中斷處理程序將約定的標志位置1，以備上位機查詢，查詢完畢后固件程序將標志位清零。

③ 數據處理單元即上位機應用程序將接收到的視頻數據在屏幕上顯示，并開啟定時器，以查詢方式檢測USB芯片CY7C68013A標志位的狀態，若檢測到標志位置1，則立即對視頻數據進行處理，比如保存圖像、保存視頻等。

由3個單元構成的系統硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2　系統硬件連接示意圖

1.1視頻采集單元

視頻數據源于OV7670，這是一款由OmniVision公司生產的CMOS圖像傳感器，應用較廣。為使其正常工作須完成兩項任務：一是提供兩組電源，分別為2.8 V和1.8 V,本系統由USB供電線(5 V)輸入到電源轉換芯片CAT6219產生；二是對圖像傳感器進行初始化配置，使其按照指定的格式輸出視頻數據。具體操作由USB芯片CY7C68013A通過圖像傳感器的SCCB接口對其內部寄存器進行配置。由于USB芯片的SCCB接口在從設備無響應時不能自動恢復高電平狀態，故采用任意兩根空閑I/O引腳模擬SCCB接口。此處初始化后輸出格式為8位RAW，分辨率為640×480。

視頻采集單元的硬件連接示意圖如圖3所示。

圖3　視頻采集單元的硬件連接示意圖

1.2傳輸控制單元

該單元首先對圖像傳感器進行初始化，前面已有闡述，此處略過。之后負責將圖像傳感器采集到的視頻數據接收并發送至上位機，同時檢測按鈕狀態，與上位機進行命令交互。下面分別予以闡述[9-10]。

1.2.1視頻數據的接收與發送

圖4　OV7670與CY7C68013A的硬件連接示意圖

USB芯片CY7C68013A是Cypress公司生產的一款集成了USB2.0收發器、SIE(Serial Interface Engine,串行接口引擎)、增強型的8051以及可編程外部接口(GPIF)的單片機。在SLAVE模式下外部電路可將其視做FIFO，通過USB2.0接口向上位機持續傳送數據，最大帶寬為56 MB/s。

USB芯片和圖像傳感器的硬件連接示意圖如圖4所示。

視頻數據的接收與發送過程分析如下：OV7670的幀同步信號VSYNC到達后，觸發CY7C68013A的INT0中斷，在INT0的中斷處理函數中對其內部相關寄存器進行配置，使CY7C68013A進入SLAVE模式。之后當OV7670的行同步信號HSYNC為高電平時，CY7C68013A的SLWR引腳被相應拉高，此后即開始接收有效的視頻數據。

OV7670在每個像素時鐘并行輸出8位RAW數據，分辨率為640×480時,一幀圖像的數據量為：640×480×8/8=307 200(字節)，按設定幀速每秒30幀計算，每秒發送數據為307 200×30=9 216 000(字節)，即所需帶寬為9.216 MB/s，而CY7C68013A在SLAVE模式下可達到56 MB/s，完全滿足要求。

圖5　發送采集信號流程圖

在實際應用中需要先由上位機發出命令，而后CY7C68013A才能進入SLAVE模式，將OV7670的數據傳送至上位機，故而CY7C68013A與上位機之間需要進行命令交互，此處以用戶自定義請求的方式實現發送采集信號流程圖如圖5所示。

用戶自定義請求處理流程分析：上位機發送采集視頻數據的命令，此命令以用戶自定義請求的方式發送至CY7C68013A，作用為使能INT0中斷。當OV7670的VSYNC信號到達后，觸發INT0中斷，在中斷處理程序中配置相關寄存器，并使能INT0中斷，將CY7C68013A由正常模式轉入SLAVE模式，以確保能夠接收到完整的幀數據，之后通過選定的端點持續將完整的視頻數據傳送至上位機。

1.2.2控制信號的檢測與發送

按下控制按鈕后，為確保CY7C68013A能夠檢測到該信號，將其INT1中斷引腳引出與控制按鈕相連接，INT1中斷設置為下降沿觸發，硬件連接圖如圖6所示。

圖6　控制按鈕的硬件連接示意圖

控制信號的檢測過程分析：控制按鈕未按下時，A點為低電平；按鈕被按下后，A點為高電平；按鈕被松開后A點恢復為低電平。在控制按鈕被按下到松開的過程中，A點電位經歷了由高到低的變化，由此觸發INT1中斷，在INT1中斷處理程序中將標志位置1，以備上位機查詢。

CY7C68013A的控制傳輸在交換少量控制信息的時候很有用，如傳送命令、獲取下位機狀態等，根據Cypress公司提供的標準固件框架，在DR_VendorCmnd()函數中加入處理程序代碼，就可以很方便地使用控制傳輸。因USB2.0芯片本身不具備中斷上位機的功能，只能由上位機主動訪問USB設備。故而要將控制信號發送至上位機，需要上位機應用程序開啟定時器，以USB控制傳輸的方式定時查詢CY7C68013A內標志位的狀態，如圖7所示。

圖7　查詢標志位流程圖

控制信號的發送過程分析：上位機應用程序開啟定時器線程(間隔為100 ms)，以Read()函數向CY7C68013A發送控制傳輸命令，當發送8字節的SETUPDAT數據包后，CY7C68013A將其進行解碼存入SETUPDAT寄存器中。

SETUPDAT[1]中存有上位機發出的請示碼，在固件程序中使用switch-case語句對不同的請求碼進行分析，分別進行相應的響應。CY7C68013A收到命令后將標志位內容發送到Read()函數指定的緩沖區內，并將標志位清零。上位機應用程序根據標志位狀態對視頻數據進行處理或者退出當前線程。

1.3數據處理單元

上位機應用程序基于VS2010環境，采用MFC編寫[11]，主要實現視頻數據的顯示，并根據前端控制信號保存視頻數據。

1.3.1視頻數據的顯示

根據Cypress公司提供的C++類庫和例程代碼，可以輕松建立USB設備、獲取USB設備句柄、建立端點對象，發送控制傳輸命令，與CY7C68013A進行數據傳輸的任務。

接收到視頻數據后，采用最簡單的GDI方式，以繪圖函數StretchDIBits()[12]在640×480的矩形區域內實現視頻數據的顯示。注意StretchDIBits()只能播放RGB格式的數據，而采集的視頻數據格式為RAW，簡單起見，將像素的單字節數值擴展為相同的3字節數值，即R=G=B，直接顯示灰度圖像。

1.3.2逆向控制的實現

在應用程序內開啟時間間隔為100 ms的定時器線程，定時以USB控制傳輸的方式向CY7C68013A發送Read()命令，查詢標志位的狀態。

若標志位為0，則立即退出當前線程；若標志位為1，則立即調取當前視頻幀數據，在幀數據前部加入BMP文件頭和數據頭信息，以保存文件的方式將其保存為一幅bmp格式的圖像文件[13]。若是需要對視頻數據做進一步的處理，則須在此處添加相應的功能代碼。

2　硬件實驗結果

按照上述方法進行設計，系統實物如圖8所示。紅色電路板為圖像傳感器OV7670模組，綠色電路板是以USB2.0芯片CY7C68013A為核心搭建的控制平臺，控制按鈕接CY7C68013A的中斷引腳。

圖8　系統實物圖

圖像傳感器OV7670輸出分辨率為640×480，每秒30幀。應用程序界面如圖9所示，按下控制按鈕后得到的圖像如圖10所示。

圖9　應用程序界面

圖10　按下控制按鈕后生成的圖像

結　語

本文以CMOS圖像傳感器OV7670和USB2.0控制器芯片CY7C68013A為核心搭建圖像采集系統，以CY7C68013A的中斷引腳為媒介，添加按鍵作為控制按鈕，使控制信號與視頻數據經USB2.0接口傳輸至上位機。上位機端應用程序解析控制信號，根據控制命令對視頻數據進行相應操作，以此實現圖像采集系統的逆向控制。

[1] 鄭晶晶,賈宇飛,周明亮.圖像采集系統的研究與設計[J].現代電子技術,2015(4):94-97.

[2] 陶杰,王欣. 基于STM32F407和OV7670的低端視頻監控系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2014(3):60-63.

[3] 王健,張翔.PC104對OV7670寄存器的讀寫[J].電子設計工程,2012(6):135-137.

[4] 丁昊杰,劉敬彪,盛慶華.基于CMOS圖像傳感器的視頻采集系統設計[J].現代電子技術,2012(14):178-181,188.

[5] 孫作雷,童可浚,曾連蓀.基于視覺傳感模塊OV7670的顏色導航智能車設計[J].電子測試,2013(5):102-104.

[6] 馬俊濤,李振宇.SlaveFIFO模式下CY7C68013和FPGA的數據通信[J].中國傳媒大學學報:自然科學版,2009(2):38-44.

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[8] 智丹,石云波,董勝飛,等.基于CY7C68013A和FPGA的4路數據采集系統設計[J].自動化與儀表,2015(5):69-72.

[9] EZ-USB FX2LP DataSheet[EB/OL].[2016-03].Cypress Semiconductor Co.Ltd.http://www.cypress.com/documentation/datasheets/.

[10] EZ-USB Development Kit User Guide[EB/OL].[2016-03].Cypress Semiconductor Co.Ltd.http://www.cypress.com/documentation/datasheets/.

[11] 孫鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社,2009.

[12] 雷霄驊.最簡單的視音頻播放示例2：GDI播放YUV, RGB[EB/OL].[2016-03].http://m.blog.csdn.net/blog/leixiaohua1020/40266503/.

[13] 宋亮,陳瑜軒.淺談圖像處理與BMP圖像文件格式[J].電子設計工程,2014(7):188-190,193.

Image Acquisition System Based on Image Sensor Inverse Control

Li Jiangbo,Ma Chunting,Yang Fan,Chen Zhiwei

(College of Ordnance Engineering,Shijiazhuang 050000,China)

The image acquisition system takes the CMOS image sensor OV7670 and USB2.0 controller chip CY7C68013A as the core.The control button is connected to the interrupt pin of CY7C68013A,that makes the control signal and video data are transferred to PC through the USB2.0 in real-time.The PC application parses the control signal,then the video data is correspondingly operated to achieve the reverse control of the image acquisition system.

inverse control;image acquisition;USB

TP274

A

(責任編輯：楊迪娜2016-03-29)