基于高速A／D轉換器的視頻數據采集系統

摘要：針對視頻采集系統需要對攝像頭輸出的復合視頻信號進行快速轉化、采樣、存儲的要求，設計基于高速A／D轉換器TLC551O的視頻采集系統。模擬視頻信號通過A／D轉換器轉化為8位灰度值，16位微處理器MC9S12DG128B通過普通IO口，控制FIFO存儲器uPD42280寫入和讀取A／D轉換結果，實現視頻圖像數據的高精度采集。分析了主要芯片的工作原理及時序，描述了軟件控制圖像數據采集流程。并將采得數據經過處理，與實際圖像對比。實驗結果表明，該系統在單行掃描時問50μs內能采集160個以上的有效像素點，成像質量高，能滿足簡單圖像處理算法對數據的要求。
關鍵詞：A／D轉換器；FIFO存儲器；時序；視頻圖像數據

國內外的視頻圖像采集方法很多，基本分為兩大類：自動圖像采集和基于處理器的圖像采集。自動圖像采集多采用專門的視頻解碼芯片，如SAA7113，TVP5150等，自動完成模數轉化，并輸出行、場信號以實現存儲器地址產生，一般以DSP為主處理器，除了對采集模式進行初始化設置外，主處理器不參與采集過程。這種方法的優點是采集不占用CPU的時間，實時性較好，適合于對圖像數據的精度要求較高和算法復雜的場合，如車道識別、車輛識別等方向的應用。但是該方案對處理器的速度有很高的要求，成本較高，且電路復雜。基于處理器的圖像采集則采用視頻同步信號分離芯片產生行、場中斷信號，用微處理器內部的A／D轉換器實現圖像的采集。圖像的采集過程在CPU控制下完成，由CPU啟動A／D轉換，得到轉換數據。該方案的特點是電路簡單，成本低，易于實現，能滿足簡單圖像采集系統的需要。但數據采集占用CPU時間，采集速度受微處理器A／D轉化時間限制。
本文提出了基于獨立的高速A／D轉換器TLC5510的視頻采集系統設計方案，能高速采集較高精度的視頻數據，可適用于智能車比賽、室內導盲、車隊仿真平臺、移動機器人平臺等道路環境相對單一。圖像處理算法簡單的場合。

1 系統架構
本系統主要適用于符合PAL制式的模擬攝像頭輸出視頻信號的采集。一般的模擬攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點，當掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉換成與灰度成一一對應的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。同時，視頻信號端輸出還隱含了場同步信號、行同步信號、奇偶場同步信號等信息，因此實際輸出的是復合視頻信號。
本系統采用MC9S12DGl28B作為處理器，針對信號特點，主要設計思想如下：首先，通過專門的視頻同步信號分離芯片LM1881提取復合視頻信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖，并將它們轉換成數字式電平直接輸給單片機的中斷口作為控制信號。同時采用高速A／D轉換器TLC5510對視頻信號進行A／D轉換，使視頻電壓模擬信號轉換為代表圖像灰度的數字信號輸出。接著采用FIFO存儲器uPD42280作為視頻數據的緩存，在行中斷服務函數中對其進行寫控制，將A／D轉換數據寫入其內存中。最后，當一場圖像結束時，在場中斷服務函數中通過單片機的8位IO口將視頻數據讀回。為了保證數據的穩定，在單片機與FIFO存儲器之間加了一級74HC245，作為數據緩沖。為保證采集同步，LC5510 uPD42280和74HC245采用同一有源晶振作為轉換和讀寫的時鐘源。本系統框架如圖1所示。