1 引言
随着科学技术的不断发展,尤其在工业控制领域,除了原有的一些温度、湿度等传感器以外,越来越多的场合增加了音频、视频等多媒体元素的要求。因此如何把图像,特别是实时图像加入一些工业控制领域,使得工业控制的过程非常人性化,可视化,这一需求显得非常的迫切。针对以上提出的问题,本文研究并设计了基于带有USB2.0接口的68013A的控制器的实时图像采集和显示系统。
2 68013A USB图像采集板硬件设计
为了达到实时显示,一般来说数据传输率需要达到至少15fps,这要求摄像头本身感光芯片输出数据的速率要15fps以上,USB数据传输速率也要到15fps以上。基于以上考虑,感光芯片使用OV6620,图像采集板的控制芯片选择具有USB2.0接口的68013AMCU。通过68013A接入PC的USB口,最后实现图像数据在PC端上位机显示。总体设计方案如图1所示[1]。
2.1 OV6620简介
OV6620是由OmniVision生产的分辨率为352*288的彩色/黑白CMOS图像传感器。其主要特性为[2]:
⑴ 101,376像素,1/4”lens,CIF/QCIF
⑵ 逐行扫描模式
⑶ 支持的数据格式有YCrCb 4:2:2,GRB 4:2:2 ,RGB Raw Data
⑷ 支持8/16位视频数据模式
⑸ 支持的摄像头功能还包括:曝光控制、色彩饱和度、亮度、对比度、伽玛、增益、白平衡,窗口大小设置等
⑹ 最大支持30fps帧输出
⑺ 5V/3.3V供电
⑻ 寄存器参数可以通过SCCB(Serial Camera Control Bus)配置
⑼ 16个数字信号输出引脚Y0~Y7,UV0~UV7,3个控制信号引脚VSYNC,HREF,PCLK,2个SCCB配置引脚SCL,SDA
2.2 68013A简介
68013A是有Cypress公司生产的的EZ-USB FX2TM世界上第一款集成了USB 2.0接口的微控制器。通过集成USB 2.0收发器、SIE(串行接口引擎,Serial Interface Engine)、增强的8051微控制器以及可编程成的外部接口于一个单片中,使数据传输速率可以达到USB 2.0允许的最大带宽——480Mbps。68013A的主要特性为[3]:
⑴ 单片集成USB2.0收发器、SIE和增强型8051微处理器
⑵ 4个可编程的批量/中断/同步端点,缓冲器可选:双倍、三倍和四倍
⑶ 8位或16位外部数据接口
⑷ 3.3V工作电压
⑸ 4个集成的FIFO
2.3 基于68013A的图像采集板硬件电路设计
基于68013A和OV6620的特性,本文采用68013A的SLAVE FIFO模式控制OV6620采集,并通过USB接口把采集的数据发到PC,经过PC端处理实时显示采集的图像。68013A的SLAVE FIFO模式与OV6620连接总框图如图2所示。
在SLAVE FIFO模式下,由OV6620的像素输出信号PCLK作为时钟提供68013A工作,SLWR由OV6620的行控制信号HREF控制,FD[7:0]由OV6620的数字信号引脚Y0~Y7提供。详细的68013A采集板电路原理图如图3所示。
为了同步OV6620的帧信号,本课题首先从OV6620的控制信号入手,设计符合帧同步的采集电路。OV6620的控制信号如图4所示。
从图4可以看出,OV6620的帧控制信号VSYNC的下降沿是一帧的开始,在低电平期间,行信号HREF的上升沿是一行的开始,在HREF高电平期间,像素信号每一个PCLK在信号线引脚Y0~Y7,UV0~UV7输出一个有效像素信号。显然,为了达到帧同步,68013A采集板的电路设计要满足OV6620的控制信号时序,因此,采集板电路把VSYNC加一个反相器后连接到68013A的一个外部中断引脚,同时设计了一个启动采集信号trigger,在VSYNC帧有效信号开始启动trigger,启动采集。为了保证68013A FIFO读取数据的准确性,行同步信号HREF和trigger通过一个与门连接到SLWR实现行同步,在像素信号PCLK的同步下实现读取OV6620的Y0~Y7的图像数据。
SLOE和SLRD为68013A的读控制信号,电路图直接置高,接3.3V。设计FIFOADR0和FIFOADR1均接地,则使用68013A的USB口端点2读取数据。此外采集板还设计了OV6620的寄存器配置接口PD2,PD3,采用模拟SCCB总线协议的方式与OV6620通信。采集板的时钟源有24M的外部晶振提供。
3 68013A USB摄像头软件设计
在完成硬件设计的基础上,接下来本文研究了以下内容:
⑴ 68013A下位机固件程序设计
⑵ PC端上位机控制、处理和显示程序设计
⑶ USB驱动程序改写
3.1 68013A下位机固件程序设计
USB协议定义了端点作为数据的接收器和发送器。
主要有4类端点,分别是控制端点、块传输端点、中断传输端点和同步传输端点。68013A有端点0,1,2,4,6,8。端点0是控制端点,端点2,4,6,8是块传输、中断传输或同步传输端点。本文采用SLAVE FIFO模式的auto-in模式读取OV6620的图像数据,端点2的块传输传输OV6620的图像数据,端点0作为控制启动采集的端点。采用auto-in模式,OV6620的图像数据流可以源源不断地往端点2的FIFO里面送,端点2数据直接通过USB传输到上位机,这一过程不需要68013A干预,这样大大提高的数据的传输速度。具体的68013A下位机固件程序流程图如图5所示。
在配置68013A SLAVE FIFO模式时候,本文采用了以下配置步骤:
step1:配置68013A的工作时钟为48MHz
setp2:配置SLAVE FIFO时钟由OV6620的PCLK提供,SLAVE FIFO模式
step3:配置使用端点2,四缓冲FIFO,每个512字节
step4:禁用端点4、6、8
step5:配置成auto-in模式
step6: 配置每一块数据为512字节
step7:清空所有FIFO
外部中断配置为下降沿,外部中断程序中启动采集。
端点0作为控制信号,由上位机与之通信,发送采集的启动信号。
除此以外,对摄像头的配置需要在所有配置之前进行,因为68013A的SLAVE FIFO的工作时钟需要由OV6620的PCLK提供。配置OV6620的配置步骤如下:
step1 :复位OV6620的寄存器值到默认值
step2: 配置OV6620为RGB bayer格式输出
step3: 配置OV6620为oneline模式
3.2 PC端上位机控制、处理和显示程序设计
PC端上位机程序主要是用来控制启动和结束传输,处理图像数据以及显示采集数据。
控制启动和结束传输主要使用了端点0这个控制端点,通过发送不同的控制命令实现这一操作。
由于要求是实时显示彩色图像,因此建立了2个线程来处理图像数据和显示图像数据,线程通过信号量相互通信[4]。程序流程图如图6所示。
RGB Raw Bayer to rgb24采用线性插值,配置OV6620输出RGB Raw Bayer格式输出像素点,见表1-1,每一点只有一个颜色分量8bit,要使得每个点都有RGB 24bit的分量值,需要采用插值的方式[5]。每一个点的值取附近相同颜色的的平均值。例如坐标(1,1)只有B11分量输出,为了获得R和G的分量值,可以令R=R22和G=(G12+G21)/2;再例如坐标(3,2)只有G32分量输出,为了获得B和R的分量值,可以令B=(B31+B33)/2,R=(R22+R42)/2。
PC端上位机程序截屏图如图7所示。
USB驱动部分采用Cypress公司提供的公版驱动加以改写实现,目的实现下位机和上位机的准备的数据传输。根据USB的协议要求,每个USB设备都有唯一的ID以区别插入主机的不同USB设备。因此需要改写下位机和上位机的相应ID号。
USB驱动程序改写分成2部分,第一部分是在下位机程序dscr.a5中改下相应配置,主要是配置如下所述:
⑴ 设定USB的VendorID和Product ID
⑵ 设定端点号
⑶ 设定USB数据传输类型
⑷ 设定USB工作电流
⑸ 设定设备描述字符串
第二部分是修改cyusb.inf文件,设定USB的VendorID和Product ID,要与dscr.a51文件设定的一致。
4 结束语
本文采用OV6620摄像头,研究并设计了了基于USB2.0接口的68013A的图像采集板系统,从硬件基本元器件选择开始,采用68013A的SLAVE FIFO模式传输OV6620的图像数据信号。在软件部分,编写了68013A的下位机固件程序和PC端的上位机控制、处理和显示程序,并改写了USB驱动程序。在焊接所有元器件的基础上,完成了整个USB图像采集板系统的设计。
参考文献:
[1] 闰成彦.基于USB的线阵CCD图像采集系统[D]:硕士学位论文.大连:大连理工大学,2009年
[2] OmniVision公司.OV6620 英文数据手册[EB/OL]. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/103226/ETC/OV6620.html
[3] Cypress公司.CY7C68913A英文数据手册[EB/OL]. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet- pdf/view/246424/CYPRESS/CY7C68013A-56BAXC.html
[4] 张彦军,梁炜.基于DSP 和单片机的图像存储系统设计[J].通信技术,2010,(2):66-67.
[5] 李俊王军辉.基于MC9S12XS128控制器的智能车图像处理技术研究[J].化工自动化及仪表,2012,(2):190-193.
作者简介:任志敏(1981-),男,讲师,研究方向:嵌入式系统。