于CMOS图像传感器的USB接口图像采集系统设计

1、于CMOS图像传感器的USB接口图像采集系统设计介绍以CPLD控制为核心的CMOS图像采集系统，系统选用彩色图像传感器OV7620，并通过USB接口以类似DMA方式进行快速的图像传输。最后给出了单片机固件程序和设备驱动程序的实现方法。关键词：CMOS图像传感器；图像采集；CPLD；USB Design of USB Image Collecting System Based on CMOS Image Sensor JIANG Chuangui, LIAO Qizhen, WEI Shimin (Automation School of Beijing University of Post a

2、nd Telecommunication, Beijing 100876, China)Key words: CMOS image sensor; image collection; CPLD; USB1系统设计图1为图像采集系统的原理框图。系统选用OminiVision公司生产的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一个640480(30万像素)图像矩阵的彩色摄像芯片，在隔行扫描模式下工作频率可达60Hz，逐行扫描时为30帧/s。其像面大小为1/3英寸，支持8位或16位数字信号从单通道或双通道输出，输出信号的类型可在YCrCb和RGB之间选择，图像矩阵支持VGA或CIF规定，数字输出格式遵

3、循CCIR601，ZV Ports，CCIR656等标准。OV7620有很强的摄像和控制功能，如暴光控制，校正，增益，色彩矩阵，窗口选择等，所有这些功能都可以通过I2C接口进行编程控制。2.1OV7620的输出特性OV7620工作方式和输出格式非常多，可以适应不同的应用场合，针对我们的较小系统，采用了单通道Y输出，以及逐行扫描的工作方式。这些工作方式的实现是通过MCU的I2C编程控制的。当OV7620设置工作方式稳定后，它就会输出视频数据，同时还有3个重要的参考信号输出：帧同步信号SYNC，水平同步信号HREF，和像素时钟信号PCLK。参见图2，每一个帧同步信号SYNC周期包含480个水平同步

4、信号HREF脉冲，而每一个HREF周期包含640个PCLK时钟脉冲。每一个PCLK时钟输出一个像素的视频数据(8位标准的Bayerpattern彩色RGB数据)。2.2图像存储方式根据640480的像素输出特点，将512KB的RAM分成512行，每行1KB空间，由A0A9共10条地址线选通行内地址记为低位地址：ADDRL；高位A18A10共9条地址线选通各行记为高位地址：ADDRH。为保证OV7620采集的数据同步写入SRAM中，用CPLD宏单元设计了2个地址计数器：低位计数器ADDRL和高位记数器ADDRH。当图像数据采集开始时(SYNC信号低有效)，记数器由0开始记数，每来一个像素时钟PC

5、LK使低位计数器顺序加1，完成1行像素的写入，OV7620产生的行同步信号HREF使低位计数器清0，并使高位记数器顺序加1，改变行地址直到完成480行写入后产生帧同步信号，并使高位计数器清0，这样完成1帧图像数据的缓存，详细的图像采集信号时序如图2。512KB的SRAM芯片实际上只用了640480约300多KB的存储空间。芯片工作方式设定在PCLK信号的下降沿更新数据；在上升沿，数据是稳定时期，所以如图2，在PCLK信号的下降沿更新SRAM的地址信号ADDR；在PCLK信号上升沿使/WR信号有效，然后写数据到SRAM中。其中CPLD控制SRAM的写数据逻辑用VHDL语言编写，用MAX+PLUS

6、II工具进行仿真设计，最后实现了图像数据的连续采集。 3.1类似DMA方式数据传输视频数据按行列关系有序存入SRAM芯片后，就可以顺序读取数据并进行传输。传统的USB传输方式是MCU先从SRAM中取得数据再送到PDIUSBD12；通过PDIUSBD12发送到主机。不管是MCU从SRAM取数据还是向作为外设的PDIUSBD12写数据，速度都较慢。因此我们考虑用系统中的CPLD控制来实现类似DMA方式的数据传输。在系统工作过程中，单片机负责解释USB的控制传输。当要进行从外存取数送到PDIUSBD12时，单片机让出总线，由CPLD完成该工作。CPLD产生外存的读信号和地址，同时产生PDIUSBD1

7、2的写信号和地址，自动实现外存数据到PDIUSBD12接口芯片的传送。这种类似DMA方式的数据传输解决了由单片机控制引起的速度瓶颈，极大提高了传输速度，最大限度发挥了USB的优点。3.2数据传输的具体实现当主机需要传输数据时，通过控制管道发送请求，MCU接到命令后立即让OV7620让出SRAM的数据总线，并通知PDIUSBD12准备好用于批量数据传输的主端点，然后发送TXCOM命令信号给CPLD(见图1)，通知CPLD开始传送数据；当完成64B的数据传送后，CPLD向单片机发送TXEND信号，以示64B传送完毕，并等待下一个TXCOM信号，进行下一个64B的传送。单片机和CPLD通过这两个信号

8、完成握手。CPLD在接收到TXCOM命令后，地址总线正确恢复上次传输到的SRAM地址(第一次传输时地址为0)，并且控制MCU让出PDIUSBD12的数据总线，然后产生SRAM读信号/RD，此时数据总线上就有了要传送的数据；同时产生PDIUSBD12的写数据标志信号A0和写信号/D12WR，将数据总线上的数据写入PDIUSBD12，完成数据从SRAM到PDIUSBD12的传送。其传送数据的时序如图3。注意，PDIUSBD12的写数据信号/D12WR，SRAM的读数据信号/RD和SRAM的地址信号ADDR时序要严格配合。当每一次完成64B的数据传输后，CPLD要发送TXEND信号给MCU。整个传输

9、过程控制严密紧凑，所有CPLD逻辑控制程序均采用VHDL语言编写，经过测试，系统传输速度摆脱了单片机的影响，几乎接近PDIUSBD12的极限速度。 系统的软件包括USB设备固件、设备驱动程序和应用程序。4.1设备固件程序设备固件是设备运行的核心，其主要的功能是控制接口芯片PDIUSBD12并完成USB1.1协议(包括标准的设备请求、厂商请求处理、设置设备接口等)。值得一提的是，此系统的单片机程序除了USB设备固件程序外，还有单片机对OV7620的I2C控制软件，与CPLD的握手程序等，所有程序都用Keil C进行编制，最后链接后下载到MCU中。4.2设备驱动程序在Windows操作系统中通过运

10、行内核层的驱动程序才能控制硬件，USB设备驱动程序采用标准WDM设备驱动。WDM采用IRP驱动机制。当应用程序提出I/O请求时，它调用WIN32API函数向设备发出命令，然后由I/O管理器构成一个IRP，USB设备驱动程序收到该IRP后，取出其中的控制码来找到对应的例程入口。在本系统开发中，驱动程序采用了DRIVER STUDIO提供的DRIVERWORKS工具包，工具包提供了完善的源代码生成工具(DRIVER WIZARD)及相应的类库。开发驱动项目时，应用WIZARD工具开发，自动生成驱动程序的.INF安装信息文件。对USB设备驱动DRIVER WIZARD生成的代码只需做少量的修改便可，最后对项目编译链接后生成.SYS驱动程序。4.3应用程序在Win2系统中，把每个设备抽象为文件，应用程序就通过几条简单的文件操作API函数实现与驱动程序中某个设