基于OV7620和ARM开发的图像采集系统
基于ov7620和arm开发的图像采集系统
sccb控制，图像数据的采集、处理以及传输都由一片lpc22lo完成，特别适合于对功耗、体积要求较严格的嵌入式应用。利用arm7(lpc2210)与cmos感光芯片(ov7620)实现了一个紧凑型圈像采集、处理系统；通过夸理利用lpc2210数据总线的工作方式，有效地消除了ov7620对系统数据总线的干扰。
关键词 arm7 ov7620 图像传感器 sccb协议 数据采集
0v7620是一种cmos图像传感器，它被广泛应用在网络摄像头、摄像手机等产品中。由它组成的图像采集系统，比较常见的设计方法为ov7620搭配ov5ll+或cpld／fpga。ov511+或cpld／fpga采集的图像数据通过usb总线或双端口ram输出到pc或mcu(arm、dsp等)，由pc或mcu对图像数据进行进一步的处理。本文所设计的图像采集系统仅用一个arm芯片就实现了ov7620的功能控制、时序同步、数据采集与处理等功能，系统结构紧凑、实用。
1 硬件结构
ov7620是cmos彩色／黑白图像传感器。它支持连续和隔行两种扫描方式，vga与qvga两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30fp8；数据格式包括yuv、ycrcb、rgb三种，能够满足一般图像采集系统的要求。
ov7620内部可编程功能寄存器的设置有上电模式和sccb编程模式。本系统采用sccb编程模式，连续扫描，16位rgb数据输出。系统硬件结构框图如图1所示。
arm芯片选用具有arm7tdmi内核的lpc2210，通过lpc2210的gpio模拟sccb总线协议，控制ov7620的功能寄存器。使用lpc2210的3个中断引脚引入ov7620的图像输出同步信号vsync、hsync、pclk，以中断方式同步图像数据输出。ov7620的yuv通道输出的16位并行数据通过lpc2210的高16位数据线接入。sst39vf160和is61lv25616al为扩展的flash和sram，分别用作程序存储器和数据存储器。
2 具体实现
2．1 ov7620的功能控制
ov7620的控制采用sccb(seriai camera controlbus)协议。sccb是简化的i2c协议，sio-l是串行时钟输入线，sio-o是串行双向数据线，分别相当于i2c协议的scl和sda。sccb的总线时序与i2c基本相同，它的响应信号ack被称为一个传输单元的第9位，分为don’t care和na。don’t care位由从机产生；na位由主机产生，由于sccb不支持多字节的读写，na位必须为高电平。另外，sccb没有重复起始的概念，因此在sccb的读周期中，当主机发送完片内寄存器地址后，必须发送总线停止条件。不然在发送读命令时，从机将不能产生don’t care响应信号。
由于i2c和sccb的一些细微差别，所以采用gpio模拟sccb总线的方式。scl所连接的引脚始终设为输出方式，而sda所连接的引脚在数据传输过程中，通过设置iodir的值，动态改变引脚的输入／输出方式。sccb的写周期直接使用i2c总线协议的写周期时序；而sc-cb的读周期，则增加一个总线停止条件。
ov7620功能寄存器的地址为0x00～0x7c(其中，不少是保留寄存器)。通过设置相应的寄存器，可以使ov7620工作于不同的模式。例如，设置ov7620为连续扫描、rgb原始数据16位输出方式，需要进行如下设置：
i2csendbyte()为写寄存器函数，它的第1个参数ov7620为宏定义的芯片地址0x42，第2个参数为片内寄存器地址，第3个参数为相应的寄存器设定值。
2．2 ov7620时钟同步
ov7620有4个同步信号：vsync(垂直同步信号)、fodd(奇数场同步信号)、hsync(水平同步信号)和pclk(像素同步信号)。当采用连续扫描方式时，只使用vsync和hsync、pclk三个同步信号，如图l所示。时为检测ov7620扫描窗口的有效大小，还引入了href水平参考信号。
lpc2210的3个外部中断引脚分别作为3个同步信号的输入，相应的中断服务程序分别为vsync_irq()、hsync_irq()和pclk_irq()。在内存中定义一个二维数组存储图像数据，一维用变量y表示，用于水平同步信号计数；二维用变量x表示，用于像素同步信号计数。图像采集的基本流程为：当用sccb初始化好ov7620后，使能vsync对应的中断，在vsync_irq()中断服务程序中判断是否已取得一帧数据。若是，则在主程序的循环体中进行数据处理；若不是，则使能hsync对应的中断，并将y置为o。在hsync_irq()中断服务程序中，判断href的有效电平，若有效，则y加1，x置为o，并使能pclk对应的中断。在pclk_irq()中断服务程序中，判断href的有效电平，若有效，则z增加，同时采集一个像素点的图像数据。
2．3 图像数据的输出速度匹配
在ov7620的3个同步信号中，pclk的周期最短。当ov7620使用27 mhz的系统时钟时，默认的pclk的周期为74 ns。而lpc2210的中断响应时间远远大于这个值。lpc2210的最大中断延迟时问为27个处理器指令周期，最小延迟时问为4个指令周期，再加上中断服务时间、现场恢复时间等，完成一次中断响应的时问要大于7～30个指令周期。当lpc2210使用最高系统频率60 mhz时，它的中断响应时间远大于o．2～0，6 μs，所以只能将ov7620的pclk降频。通过设置时钟频率控制寄存器，可将pclk的周期设为4μs左右。
2．4 图像数据的接入
当ov7620工作于主设备方式时，它的yuv通道将连续不断地向总线上输出数据。如果将ov7620的yuv通道直接接在lpc2210的do～d15数据总线上，则会干扰数据总线，使lpc2210不能正常运行；如果使用74hc244等隔离，分时使用数据总线的方法，则会大大降低系统的运行速度，使得lpc2210不能及时取走总线上的数据，造成图像数据不完整。由于lpc2210的数据总线宽度为32位，而flash和sram仅占用了低16位数据线d0～d15，困此可以采用图l中的方法，将空闲的高16位数据线d16～d31设为gpio，用于采集ov7620输出的16位图像数据。
2.5 图像数据的恢复
ov7620采用16位输出方式时，y通道和uv通道的数据输出格式如表l所列。从表l中可以看出，每一行y通道和uv通道交替输出上一行的重复数据和本行的新数据。而在一行之内，b数据只在奇数列出现，r数据只在偶数列出现。
下面以一个5×5的像素点阵为例，详细介绍图像数据的恢复。
首先定义一个5×15的字节型数组，在pclk_irq()中断服务程序中读取5×5个像素点的图像数据；然后对图像数据进行插值，奇数点则在数组的连续3个字节中存入b、g、0，偶数点则存入o、g、r；最后对当前行的每一个字节与下一行对应列的每一个字节求平均值，即可算出当前行的rgb值。而在每一行内，奇数点的r数据和偶数点的b数据可通过分别对其两侧的2个点的r和b数据求平均值得到。
这样，一幅图像就恢复好了。可以直接存成二进制文件(本系统采用串口输出到pc进行显示)，或者增加bmp位图文件头信息，存成bibitcount=24的dib位图文件；也可用lpc2210对此图像数据进行进一步的处理，如指纹识别等。
3 结论
与搭配ov511+或cpld／fpga的图像采集系统相比，此图像采集系统极大地简化了系统结构，降低了系统设计成本，缩短了开发周期；图像数据的采集与处理均由arm芯片完成，因而降低了数据中转过程中传输错误的几率，提高了系统的可靠性。
本系统的图像采集速度主要受限于lpc2210的中断响应时间，如果采用带有dma控制器，并且具有更高处理速度的arm芯片，可大大提高整个图像采集系统的速度。例如，采用具有arm9内核的s3c2410，其最高系统频率达203 mhz，完成一次dma传送的时间约为30 ns。小于默认的pclk的周期74 ns，可以实现30 fps的图像采集速度。
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关键词 arm7 ov7620 图像传感器 sccb协议 数据采集
0v7620是一种cmos图像传感器，它被广泛应用在网络摄像头、摄像手机等产品中。由它组成的图像采集系统，比较常见的设计方法为ov7620搭配ov5ll+或cpld／fpga。ov511+或cpld／fpga采集的图像数据通过usb总线或双端口ram输出到pc或mcu(arm、dsp等)，由pc或mcu对图像数据进行进一步的处理。本文所设计的图像采集系统仅用一个arm芯片就实现了ov7620的功能控制、时序同步、数据采集与处理等功能，系统结构紧凑、实用。
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由于i2c和sccb的一些细微差别，所以采用gpio模拟sccb总线的方式。scl所连接的引脚始终设为输出方式，而sda所连接的引脚在数据传输过程中，通过设置iodir的值，动态改变引脚的输入／输出方式。sccb的写周期直接使用i2c总线协议的写周期时序；而sc-cb的读周期，则增加一个总线停止条件。
ov7620功能寄存器的地址为0x00～0x7c(其中，不少是保留寄存器)。通过设置相应的寄存器，可以使ov7620工作于不同的模式。例如，设置ov7620为连续扫描、rgb原始数据16位输出方式，需要进行如下设置：
i2csendbyte()为写寄存器函数，它的第1个参数ov7620为宏定义的芯片地址0x42，第2个参数为片内寄存器地址，第3个参数为相应的寄存器设定值。
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这样，一幅图像就恢复好了。可以直接存成二进制文件(本系统采用串口输出到pc进行显示)，或者增加bmp位图文件头信息，存成bibitcount=24的dib位图文件；也可用lpc2210对此图像数据进行进一步的处理，如指纹识别等。
3 结论
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本系统的图像采集速度主要受限于lpc2210的中断响应时间，如果采用带有dma控制器，并且具有更高处理速度的arm芯片，可大大提高整个图像采集系统的速度。例如，采用具有arm9内核的s3c2410，其最高系统频率达203 mhz，完成一次dma传送的时间约为30 ns。小于默认的pclk的周期74 ns，可以实现30 fps的图像采集速度。
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