基于OV7620和ARM開發的圖像采集系統

SCCB控制，圖像數據的采集、處理以及傳輸都由一片LPC22lO完成，特別適合于對功耗、體積要求較嚴格的嵌入式應用。利用ARM7(LPC2210)與CMOS感光芯片(OV7620)實現了一個緊湊型圈像采集、處理系統；通過夸理利用LPC2210數據總線的工作方式，有效地消除了OV7620對系統數據總線的干擾。
關鍵詞 ARM7 OV7620 圖像傳感器 SCCB協議 數據采集 
    0V7620是一種CMOS圖像傳感器，它被廣泛應用在網絡攝像頭、攝像手機等產品中。由它組成的圖像采集系統，比較常見的設計方法為OV7620搭配OV5ll+或CPLD／FPGA。OV511+或CPLD／FPGA采集的圖像數據通過USB總線或雙端口RAM輸出到PC或MCU(ARM、DSP等)，由PC或MCU對圖像數據進行進一步的處理。本文所設計的圖像采集系統僅用一個ARM芯片就實現了OV7620的功能控制、時序同步、數據采集與處理等功能，系統結構緊湊、實用。
1 硬件結構
    OV7620是CMOS彩色／黑白圖像傳感器。它支持連續和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30fp8；數據格式包括YUV、YCrCb、RGB三種，能夠滿足一般圖像采集系統的要求。
    OV7620內部可編程功能寄存器的設置有上電模式和SCCB編程模式。本系統采用SCCB編程模式，連續掃描，16位RGB數據輸出。系統硬件結構框圖如圖1所示。

    ARM芯片選用具有ARM7TDMI內核的LPC2210，通過LPC2210的GPIO模擬SCCB總線協議，控制OV7620的功能寄存器。使用LPC2210的3個中斷引腳引入OV7620的圖像輸出同步信號VSYNC、HSYNC、PCLK，以中斷方式同步圖像數據輸出。OV7620的YUV通道輸出的16位并行數據通過LPC2210的高16位數據線接入。SST39VF160和IS61LV25616AL為擴展的Flash和SRAM，分別用作程序存儲器和數據存儲器。

2 具體實現
2．1 OV7620的功能控制
    OV7620的控制采用SCCB(SeriaI Camera ControlBus)協議。SCCB是簡化的I2C協議，SIO-l是串行時鐘輸入線，SIO-O是串行雙向數據線，分別相當于I2C協議的SCL和SDA。SCCB的總線時序與I2C基本相同，它的響應信號ACK被稱為一個傳輸單元的第9位，分為Don’t care和NA。Don’t care位由從機產生；NA位由主機產生，由于SCCB不支持多字節的讀寫，NA位必須為高電平。另外，SCCB沒有重復起始的概念，因此在SCCB的讀周期中，當主機發送完片內寄存器地址后，必須發送總線停止條件。不然在發送讀命令時，從機將不能產生Don’t care響應信號。
    由于I2C和SCCB的一些細微差別，所以采用GPIO模擬SCCB總線的方式。SCL所連接的引腳始終設為輸出方式，而SDA所連接的引腳在數據傳輸過程中，通過設置IODIR的值，動態改變引腳的輸入／輸出方式。SCCB的寫周期直接使用I2C總線協議的寫周期時序；而SC-CB的讀周期，則增加一個總線停止條件。
    OV7620功能寄存器的地址為0x00～0x7C(其中，不少是保留寄存器)。通過設置相應的寄存器，可以使OV7620工作于不同的模式。例如，設置OV7620為連續掃描、RGB原始數據16位輸出方式，需要進行如下設置：

    I2CSendByte()為寫寄存器函數，它的第1個參數OV7620為宏定義的芯片地址0x42，第2個參數為片內寄存器地址，第3個參數為相應的寄存器設定值。
2．2 OV7620時鐘同步
    OV7620有4個同步信號：VSYNC(垂直同步信號)、FODD(奇數場同步信號)、HSYNC(水平同步信號)和PCLK(像素同步信號)。當采用連續掃描方式時，只使用VSYNC和HSYNC、PCLK三個同步信號，如圖l所示。時為檢測OV7620掃描窗口的有效大小，還引入了HREF水平參考信號。
    LPC2210的3個外部中斷引腳分別作為3個同步信號的輸入，相應的中斷服務程序分別為Vsync_IRQ()、Hsync_IRQ()和Pclk_IRQ()。在內存中定義一個二維數組存儲圖像數據，一維用變量y表示，用于水平同步信號計數；二維用變量x表示，用于像素同步信號計數。圖像采集的基本流程為：當用SCCB初始化好OV7620后，使能VSYNC對應的中斷，在Vsync_IRQ()中斷服務程序中判斷是否已取得一幀數據。若是，則在主程序的循環體中進行數據處理；若不是，則使能HSYNC對應的中斷，并將y置為O。在Hsync_IRQ()中斷服務程序中，判斷HREF的有效電平，若有效，則y加1，x置為O，并使能PCLK對應的中斷。在Pclk_IRQ()中斷服務程序中，判斷HREF的有效電平，若有效，則z增加，同時采集一個像素點的圖像數據。
2．3 圖像數據的輸出速度匹配
    在OV7620的3個同步信號中，PCLK的周期最短。當OV7620使用27 MHz的系統時鐘時，默認的PCLK的周期為74 ns。而LPC2210的中斷響應時間遠遠大于這個值。LPC2210的最大中斷延遲時問為27個處理器指令周期，最小延遲時問為4個指令周期，再加上中斷服務時間、現場恢復時間等，完成一次中斷響應的時問要大于7～30個指令周期。當LPC2210使用最高系統頻率60 MHz時，它的中斷響應時間遠大于O．2～0，6 μs，所以只能將OV7620的PCLK降頻。通過設置時鐘頻率控制寄存器，可將PCLK的周期設為4μs左右。
2．4 圖像數據的接入
    當OV7620工作于主設備方式時，它的YUV通道將連續不斷地向總線上輸出數據。如果將OV7620的YUV通道直接接在LPC2210的DO～D15數據總線上，則會干擾數據總線，使LPC2210不能正常運行；如果使用74HC244等隔離，分時使用數據總線的方法，則會大大降低系統的運行速度，使得LPC2210不能及時取走總線上的數據，造成圖像數據不完整。由于LPC2210的數據總線寬度為32位，而Flash和SRAM僅占用了低16位數據線D0～D15，困此可以采用圖l中的方法，將空閑的高16位數據線D16～D31設為GPIO，用于采集OV7620輸出的16位圖像數據。

2.5 圖像數據的恢復

    OV7620采用16位輸出方式時，Y通道和UV通道的數據輸出格式如表l所列。從表l中可以看出，每一行Y通道和UV通道交替輸出上一行的重復數據和本行的新數據。而在一行之內，B數據只在奇數列出現，R數據只在偶數列出現。

    下面以一個5×5的像素點陣為例，詳細介紹圖像數據的恢復。
    首先定義一個5×15的字節型數組，在Pclk_IRQ()中斷服務程序中讀取5×5個像素點的圖像數據；然后對圖像數據進行插值，奇數點則在數組的連續3個字節中存入B、G、0，偶數點則存入O、G、R；最后對當前行的每一個字節與下一行對應列的每一個字節求平均值，即可算出當前行的RGB值。而在每一行內，奇數點的R數據和偶數點的B數據可通過分別對其兩側的2個點的R和B數據求平均值得到。
    這樣，一幅圖像就恢復好了。可以直接存成二進制文件(本系統采用串口輸出到PC進行顯示)，或者增加BMP位圖文件頭信息，存成biBitCouNt=24的DIB位圖文件；也可用LPC2210對此圖像數據進行進一步的處理，如指紋識別等。

3 結論

 與搭配OV511+或CPLD／FPGA的圖像采集系統相比，此圖像采集系統極大地簡化了系統結構，降低了系統設計成本，縮短了開發周期；圖像數據的采集與處理均由ARM芯片完成，因而降低了數據中轉過程中傳輸錯誤的幾率，提高了系統的可靠性。
    本系統的圖像采集速度主要受限于LPC2210的中斷響應時間，如果采用帶有DMA控制器，并且具有更高處理速度的ARM芯片，可大大提高整個圖像采集系統的速度。例如，采用具有ARM9內核的S3C2410，其最高系統頻率達203 MHz，完成一次DMA傳送的時間約為30 ns。小于默認的PCLK的周期74 ns，可以實現30 fps的圖像采集速度。