基于CMOS圖像傳感器的USB接口圖像采集系統設計

系統設計

圖1 為圖像采集系統的原理框圖。系統選用OminiVisiON公司生產的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一個640×480 (30萬像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達60Hz，逐行掃描時為30幀/s。其像面大小為1/3英寸，支持8位或16位數字信號從單通道或雙通道輸出，輸出信號的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇，圖像矩陣支持VGA或CIF 規定， 數字輸出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等標準。OV7620有很強的攝像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩陣，窗口選擇等，所有這些功能都可以通過I2C接口進行編程控制。

圖1　系統原理框圖

CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系統中處于核心地位，既要負責將OV7620輸出的視頻數據存入SRAM，又要與MCU配合完成視頻數據的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機C8051F020，它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態， C8051F020自帶SMBUS總線接口，可以把I2C的時鐘線SCL和數據線SDA通過交叉開關分配到端口引腳，MCU作為I2C總線通訊的主機，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作為從機地址與MCU進行通信。另外MCU還控制USB 通信，負責USB芯片的初始化和與PC的通信連接，其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，該芯片為高速靜態RAM，存儲時間在10ns左右， 可以滿足OV7620 的速度要求， 其512KB的存儲空間足以用來存儲30萬像素的視頻數據(Bayer2pattern: 每一像素包含一個字節的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，該芯片支持USB 1.1標準協議和DMA傳輸模式。

圖像采集部分

OV7620的輸出特性

OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應不同的應用場合，針對我們的較小系統，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實現是通過MCU 的I2C編程控制的。當OV7620 設置工作方式穩定后，它就會輸出視頻數據，同時還有3個重要的參考信號輸出:幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時鐘信號PCLK。參見圖2，每一個幀同步信號SYNC 周期包含480 個水平同步信號HREF脈沖，而每一個HREF周期包含640個PCLK時鐘脈沖。每一個PCLK時鐘輸出一個像素的視頻數據(8位標準的Bayer-pattern彩色RGB數據) 。

圖2　圖像采集信號時序