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一種基于單片機(jī)的可控成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
摘 要:基于彩色面陣CCD傳感器設(shè)計(jì)的高速實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng),以信號處理芯片CXD3172AR為核心,可實(shí)現(xiàn)輸出標(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC格式的視頻信號,具有自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光、缺陷補(bǔ)償?shù)裙δ?并構(gòu)建優(yōu)化的模擬前端電路(包括相關(guān)雙采樣和自動(dòng)增益控制)大幅度提高了采集數(shù)據(jù)的信噪比。根據(jù)DSP芯片具有參數(shù)化控制的特點(diǎn),通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與DSP的特殊通訊傳輸協(xié)議來配置DSP參數(shù),并使用外部開關(guān)控制完成各種信號處理功能。通過仿真調(diào)試,該電路很好地實(shí)現(xiàn)了圖像采集和控制功能。
關(guān)鍵詞:單片機(jī); CCD;可控化;圖像采集
基金項(xiàng)目:教育部留學(xué)回國人員科碩啟動(dòng)基金(GGRYJJ07-2)0 引 言光學(xué)成像系統(tǒng)是將光學(xué)信息轉(zhuǎn)化為人們更易處理的電子信息的重要工具,特別對于智能監(jiān)控、醫(yī)學(xué)診斷及消費(fèi)電子領(lǐng)域,其重要性就更大。隨著成像系統(tǒng)功能的復(fù)雜化,攝像機(jī)的便攜易控性成了設(shè)計(jì)中需考慮的重要要素。自從1969年Willard S. Boyle和George E.
Smith發(fā)明電荷耦合器(CCD)以來,它一直就是光學(xué)成像系統(tǒng)的首選傳感器。相對于目前發(fā)展快速CMOS圖像傳感器,它仍然具備噪聲低,動(dòng)態(tài)范圍高的優(yōu)點(diǎn)。而CCD的模擬前端決定了采集信號的質(zhì)量,對整個(gè)系統(tǒng)信噪比有著決定性的影響,因此對它的噪聲抑制是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)[1]。完成各種圖像處理功能的模塊是成像系統(tǒng)的核心,針對低照度視頻信號成像[2]的設(shè)計(jì)要求,采用專業(yè)信號處理芯片進(jìn)行各種處理,通過單片機(jī)(MCU)對信號處理芯片(DSP)進(jìn)行參數(shù)配置,以完成各種復(fù)雜運(yùn)算功能的控制,簡化了系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì),使其具有良好的可控性。
1 系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)由CCD、模擬前端AFE(包括相關(guān)雙采樣CDS和自動(dòng)增益控制AGC)、信號處理模塊、微處理器模塊以及模擬數(shù)字輸出模塊等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 CCD成像系統(tǒng)框圖
圖中CCD傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),外部光學(xué)信號通過光電轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行各種處理。傳感器輸出模擬信號將經(jīng)前端放大,以差分輸入的方式進(jìn)入AFE,然后通過一系列模擬信號的降噪放大處理(CDS,AGC),進(jìn)入信號處理模塊進(jìn)行各種運(yùn)算處理。信號處理模塊是連接CCD輸出和后端通用設(shè)備的橋梁,專業(yè)信號處理芯片提供了大量視頻處理運(yùn)算功能和多種視頻輸出格式,為后續(xù)處理帶來了方便。通過DSP的各種處理,得到設(shè)計(jì)要求的色度、亮度和飽和度圖像,最后輸出與終端格式兼容的模擬或者數(shù)字信號。模擬輸出可以直接與監(jiān)視器相連,數(shù)字輸出可以通過FPGA,ASIC等器件與VGA,DVI接口顯示器相連。
2 模擬前端模塊
CCD讀出電路的噪聲主要包括讀出電路中所用器件的固有噪聲,以及因電路結(jié)構(gòu)、電路工作方式引入的附加噪聲[3]。主要有1/f噪聲[4]、KTC噪聲[5]和固定平面噪聲[6],這些噪聲限制了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍,降低了信噪比。在讀出電路中,相關(guān)雙取樣技術(shù)(CDS)是目前應(yīng)用最廣泛的噪聲抑制技術(shù)。由于一個(gè)像元傳輸時(shí)間中的復(fù)位噪聲是相關(guān)的,相關(guān)雙取樣電路(CDS)可以利用信號相減的運(yùn)算關(guān)系來消除或消弱信號里的1/f噪聲、KTC噪聲和固定平面噪聲,從而可大大提高系統(tǒng)的信噪比。自動(dòng)增益控制電路(AGC)可以使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號強(qiáng)度而調(diào)整,使圖像信號的亮度平穩(wěn),特別是低照度環(huán)境里微弱光信號的放大。但不足的是它也會放大低照度條件下的暗電流,降低圖像質(zhì)量。另外,模擬前端帶寬的合理選擇可以對系統(tǒng)噪聲和系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行折中,以滿足應(yīng)用的需求。目前有兩種AFE設(shè)計(jì)方法,一種是采用分立元器件實(shí)現(xiàn),另一種是采用集成AFE芯片實(shí)驗(yàn)。隨著AFE芯片的成熟,其內(nèi)部還集成了暗電流校正電路,各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)高于一般分立元器件搭建的電路,并且調(diào)試簡單。該系統(tǒng)選擇的集成AFE是CXA2096N,是專門為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)而設(shè)計(jì)的,內(nèi)部包括相關(guān)雙取樣電路(CDS)、自動(dòng)增益控制電路(AGC),為A/D轉(zhuǎn)換器提供的參考電平以及采樣保持電路,其自動(dòng)增益變化范圍為-0.8~31.3 dB[7]。
3 信號處理模塊
3.1 視頻處理芯片本文選擇的信號處理芯片是SONY公司的CXD3172AR。該芯片內(nèi)建10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器,具有自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光、自動(dòng)黑電平校正和缺陷補(bǔ)償?shù)裙δ?并能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCD的時(shí)序脈沖,能夠輸出PAL/NTSC制式的模擬信號和ITU656格式的數(shù)字信號[8],其控制方式有2種:通過RS 232接口用PC機(jī)軟件控制;通過MCU通用管腳直接用硬件控制。因?yàn)镸CU的傳輸總線不屬于通用的I2C和SPI總線,所以參考芯片資料,設(shè)計(jì)了與MCU的通信接口。該芯片支持的最大傳輸速率為400 Kb/s;使用PC機(jī)軟件僅支持19.2 Kb/s,且不能完全利用該芯片的帶寬,軟件控制還必須依賴PC機(jī),不利于攜帶。在該系統(tǒng)中,采用純硬件控制方式實(shí)現(xiàn)的DSP功能,具有快速靈活的特性。
以CXD3172AR為核心組成信號處理模塊的外圍電路主要有電源、時(shí)鐘、視頻輸出接口和控制通信接口。
3.2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路
CXD3172AR需要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCD的時(shí)序脈沖,其主時(shí)鐘將影響整個(gè)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。該系統(tǒng)選擇的CCD兼容PAL制式色彩攝像機(jī),總共像素為795(H)×596(V),系統(tǒng)要求28.375 MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和27 MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)編解碼器。為了有穩(wěn)定的時(shí)鐘源,采用鎖相環(huán)路(PLL),用一個(gè)高穩(wěn)定性參考源的一個(gè)分頻和VCXO的一個(gè)分頻進(jìn)行相位比較,產(chǎn)生一個(gè)誤差變化電壓,給VCXO進(jìn)行環(huán)路負(fù)反饋,從而使輸出頻率更穩(wěn)定[9]。設(shè)計(jì)VCXO輸出28.375 MHz時(shí)鐘和石英晶振回路輸出27 MHz時(shí)鐘,系統(tǒng)產(chǎn)生的水平同步信號頻率為15.625 kHz,其與VCXO的分頻進(jìn)行相位比較,PCOMP引腳輸出相位比較結(jié)果,判斷是否相位鎖定。
3.3 電源電路
系統(tǒng)需要4組獨(dú)立電源,其電壓分別為:3.3 V,5 V,15 V,-7 V。基于便攜性的考慮,采用9 V直流電壓作為電路板的輸入,通過線性穩(wěn)壓電源芯片LT1117-3.3和LT1117-5得到3.3 V和5 V電壓,選擇TPS65131得到15 V和-7 V電壓。TPS65131能夠輸出正負(fù)雙電壓,非常適用于便攜性設(shè)備。4組電源的輸出端分別通過LC低通濾波器,就能為系統(tǒng)提供高精穩(wěn)定的直流電源。
3.4 視頻輸出電路
CXD3172AR能輸出PAL制式的模擬信號,其輸入端口采用電流輸出結(jié)構(gòu),通過電阻產(chǎn)生信號電壓,但是由于系統(tǒng)噪聲的存在,特別是模擬地和數(shù)字的干擾,信號走線長度,元器件布局等因素,對輸出端可以增加一級濾波器,以提高信噪比。對于亮度信號而言,芯片內(nèi)部在輸出端已集成了LPF,故只需對色度信號進(jìn)行處理。設(shè)置DSP輸出Y/C分離信號,視頻信號的帶寬一般為6 MHz,色度信號副載波頻率為(4. 43±1.3 MHz),圖2是色度BPF的頻率特性圖。亮度信號和通過BPF的色度信號進(jìn)入視頻信號混合放大器NJM2274,其輸出阻抗為75Ω,放大后的信號可以直接輸入監(jiān)視器。
3.5 MCU-DSP通信
DSP處理功能可以通過MCU或軟件進(jìn)行控制。
將DSP各控制參數(shù)通過特定的通信協(xié)議傳輸?shù)紻SP189第2期顏 豪等:一種基于單片機(jī)的可控成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)部寄存器或者外部E2PROM保存,以使其實(shí)現(xiàn)視頻信號的各種處理功能。這里的MCU為STC的STC89C52RC芯片,并且外搭基本硬件電路,使其成為最小系統(tǒng)。DSP控制參數(shù)有635 B,在調(diào)試的時(shí)候,可以存入DSP的寄存器組以便修改,調(diào)試完成之后,優(yōu)化的參數(shù)可以存入E2PROM,使得下次掉電復(fù)位后可以繼續(xù)使用。
圖2 BPF頻率特性
在通信過程中,一個(gè)通信協(xié)議包傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是可變的,最高可達(dá)32 B。DSP接收到一包數(shù)據(jù)后分析它,執(zhí)行控制命令,完成1次通信。一個(gè)通信包由起始字、命令字、地址字和數(shù)據(jù)字組成。因?yàn)镈SP內(nèi)部寄存器數(shù)量有限,在執(zhí)行完上次命令之前,不會再接收任何其他控制命令。該過程被稱為“通信禁止周期”,并且此時(shí),芯片返回一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)可能是寫應(yīng)答信號、讀取數(shù)據(jù)或者通信錯(cuò)誤代碼。它的片選信號、時(shí)鐘信號和輸入/輸出信號格式如圖3所示。
圖3 通信協(xié)議格式
3.6 MCU與DSP的接口在不同硬件接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)必須保證其邏輯電平一致,不然通信過程中將出現(xiàn)各種不可預(yù)料的錯(cuò)誤。該設(shè)計(jì)中, CXD3172AR主供電電源VDD是3.3 V,其邏輯高電平大于等于0.7VDD,邏輯低電平小于等于0.2VDD,它們屬于LVTTL電平。通用MCU管腳一般是TTL電平,所以兩者之間的通信必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換,這里選擇SN74ALVC164245作為電平轉(zhuǎn)換器。SN74ALVC164245有2組獨(dú)立電源端口,分別將其與MCU和DSP各自的主供電電源相連。這樣,就能通過電平轉(zhuǎn)換器將3.3 V系統(tǒng)和5 V系統(tǒng)連接起來。
4 仿真和調(diào)試
圖4是軟件仿真圖,輸入數(shù)據(jù)是低位先傳,每個(gè)字節(jié)有8位,字節(jié)之間延遲1個(gè)時(shí)鐘周期,DSP在時(shí)鐘上升沿采樣輸入數(shù)據(jù),在時(shí)鐘下降沿輸出數(shù)據(jù)。選通信號XCS為低電平有效,為了滿足系統(tǒng)的一定時(shí)序冗量,在DSP處理時(shí)間內(nèi)(即通信禁止周期)強(qiáng)制將XCS置高。
由于是軟件仿真的原因,DO沒有波形。但是為了能夠測試通信是否成功,在程序里添加回讀顯示功能,通過4個(gè)7端數(shù)碼顯示管顯示2個(gè)16進(jìn)制回讀數(shù)據(jù),判斷是否通信成功。
圖4 程序仿真圖
同時(shí),參考DSP的幾個(gè)基本功能,將其控制參數(shù)保存在程序代碼中,通過外部開關(guān)的選擇,MCU的P1端口讀出其電平,實(shí)現(xiàn)各種功能的控制,其功能見表1。
表1 功能列表
Interface FunctionP1.0~P1.2 AWB ModeP1.3 Color Rolling ControlP1.4 Black Light CompensationP1.5 AE SwitchingP1.6 Flickerless SwitchingP1.7 AGC Switching完成電路板中各部分的設(shè)計(jì)以及調(diào)試后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其結(jié)果表明,MCU-DSP通信正常,可滿足時(shí)序及功能要求。
5 結(jié) 語
采用專業(yè)信號處理芯片及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了可控成像系統(tǒng)設(shè)計(jì),完成了電路板的調(diào)試和功能實(shí)驗(yàn),為后續(xù)數(shù)字信號處理提供了源圖像信號。該系統(tǒng)具有電路實(shí)現(xiàn)簡單可靠,功能控制方便,能夠輸出多種視頻格式信號,具有簡易靈活性。目前,將該系統(tǒng)已使用于低照度環(huán)境下的幀間濾波技術(shù)采集系統(tǒng)中,效果很好。
參 考 文 獻(xiàn)
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