基于CMOS图像传感器的USB接口图像采集系统设计

系统设计

图1 为图像采集系统的原理框图。系统选用OminiVisiON公司生产的CMOS芯片OV7620，它是一款集成了一个640×480 (30万像素)图像矩阵的彩色摄像芯片，在隔行扫描模式下工作频率可达60Hz，逐行扫描时为30帧/s。其像面大小为1/3英寸，支持8位或16位数字信号从单通道或双通道输出，输出信号的类型可在YCrCb和RGB 之间选择，图像矩阵支持VGA或CIF 规定， 数字输出格式遵循CCIR601， ZVPorts， CCIR656等标准。OV7620有很强的摄像和控制功能，如暴光控制，γ校正，增益，色彩矩阵，窗口选择等，所有这些功能都可以通过I2C接口进行编程控制。

图1　系统原理框图

CPLD选用ALTERA公司的芯片EPM7128S，它在系统中处于核心地位，既要负责将OV7620输出的视频数据存入SRAM，又要与MCU配合完成视频数据的USB 传输。MCU 是Cygnal 公司的高性能单片机C8051F020，它通过I2C总线控制CMOS芯片的工作方式和状态， C8051F020自带SMBUS总线接口，可以把I2C的时钟线SCL和数据线SDA通过交叉开关分配到端口引脚，MCU作为I2C总线通讯的主机，OV7620用42H (Write) 、43H (Read)作为从机地址与MCU进行通信。另外MCU还控制USB 通信，负责USB芯片的初始化和与PC的通信连接，其64KB 的flash程序存储空间足以存放USB 通信固件。SRAM 芯片采用IS61LV5128AL芯片，该芯片为高速静态RAM，存储时间在10ns左右， 可以满足OV7620 的速度要求， 其512KB的存储空间足以用来存储30万像素的视频数据(Bayer2pattern: 每一像素包含一个字节的RGB 信息) 。USB 接口芯片采用PHILIPS的PDIUSBD12 芯片，该芯片支持USB 1.1标准协议和DMA传输模式。

图像采集部分

OV7620的输出特性

OV7620工作方式和输出格式非常多，可以适应不同的应用场合，针对我们的较小系统，采用了单通道Y输出，以及逐行扫描的工作方式。这些工作方式的实现是通过MCU 的I2C编程控制的。当OV7620 设置工作方式稳定后，它就会输出视频数据，同时还有3个重要的参考信号输出:帧同步信号SYNC，水平同步信号HREF，和像素时钟信号PCLK。参见图2，每一个帧同步信号SYNC 周期包含480 个水平同步信号HREF脉冲，而每一个HREF周期包含640个PCLK时钟脉冲。每一个PCLK时钟输出一个像素的视频数据(8位标准的Bayer-pattern彩色RGB数据) 。

图2　图像采集信号时序