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一種基于單片機的可控成像系統設計論文
摘 要:基于彩色面陣CCD傳感器設計的高速實(shí)時(shí)圖像采集系統,以信號處理芯片CXD3172AR為核心,可實(shí)現輸出標準PAL/NTSC格式的視頻信號,具有自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光、缺陷補償等功能,并構建優(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據的信噪比。根據DSP芯片具有參數化控制的特點(diǎn),通過(guò)單片機實(shí)現與DSP的特殊通訊傳輸協(xié)議來(lái)配置DSP參數,并使用外部開(kāi)關(guān)控制完成各種信號處理功能。通過(guò)仿真調試,該電路很好地實(shí)現了圖像采集和控制功能。
關(guān)鍵詞:單片機; CCD;可控化;圖像采集
基金項目: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)成像系統是將光學(xué)信息轉化為人們更易處理的電子信息的重要工具,特別對于智能監控、醫學(xué)診斷及消費電子領(lǐng)域,其重要性就更大。隨著(zhù)成像系統功能的復雜化,攝像機的便攜易控性成了設計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(lái),它一直就是光學(xué)成像系統的首選傳感器。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)系統信噪比有著(zhù)決定性的影響,因此對它的噪聲抑制是設計中的重點(diǎn)[1]。完成各種圖像處理功能的模塊是成像系統的核心,針對低照度視頻信號成像[2]的設計要求,采用專(zhuān)業(yè)信號處理芯片進(jìn)行各種處理,通過(guò)單片機(MCU)對信號處理芯片(DSP)進(jìn)行參數配置,以完成各種復雜運算功能的控制,簡(jiǎn)化了系統的邏輯設計,使其具有良好的可控性。
1 系統組成
該系統由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字輸出模塊等組成。系統框圖如圖1所示。
圖1 CCD成像系統框圖
圖中CCD傳感器是整個(gè)系統的基礎,外部光學(xué)信號通過(guò)光電轉換才能進(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(guò)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)行各種運算處理。信號處理模塊是連接CCD輸出和后端通用設備的橋梁,專(zhuān)業(yè)信號處理芯片提供了大量視頻處理運算功能和多種視頻輸出格式,為后續處理帶來(lái)了方便。通過(guò)DSP的各種處理,得到設計要求的色度、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字信號。模擬輸出可以直接與監視器相連,數字輸出可以通過(guò)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,以及因電路結構、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算關(guān)系來(lái)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)地隨信號強度而調整,使圖像信號的亮度平穩,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(huì )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噪聲和系統調制傳遞函數進(jìn)行折中,以滿(mǎn)足應用的需求。目前有兩種AFE設計方法,一種是采用分立元器件實(shí)現,另一種是采用集成AFE芯片實(shí)驗。隨著(zhù)AFE芯片的成熟,其內部還集成了暗電流校正電路,各項指標遠高于一般分立元器件搭建的電路,并且調試簡(jiǎn)單。該系統選擇的集成AFE是CXA2096N,是專(zhuān)門(mén)為數字攝像機而設計的,內部包括相關(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。該芯片內建10位高精度A/D轉換器,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償等功能,并能產(chǎn)生驅動(dòng)CCD的時(shí)序脈沖,能夠輸出PAL/NTSC制式的模擬信號和ITU656格式的數字信號[8],其控制方式有2種:通過(guò)RS 232接口用PC機軟件控制;通過(guò)MCU通用管腳直接用硬件控制。因為MCU的傳輸總線(xiàn)不屬于通用的I2C和SPI總線(xiàn),所以參考芯片資料,設計了與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(lài)PC機,不利于攜帶。在該系統中,采用純硬件控制方式實(shí)現的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)生驅動(dòng)CCD的時(shí)序脈沖,其主時(shí)鐘將影響整個(gè)系統的正常穩定工作。該系統選擇的CCD兼容PAL制式色彩攝像機,總共像素為795(H)×596(V),系統要求28.375 MHz的時(shí)鐘驅動(dòng)系統和27 MHz的時(shí)鐘驅動(dòng)編解碼器。為了有穩定的時(shí)鐘源,采用鎖相環(huán)路(PLL),用一個(gè)高穩定性參考源的一個(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)路負反饋,從而使輸出頻率更穩定[9]。設計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果,判斷是否相位鎖定。
3.3 電源電路
系統需要4組獨立電源,其電壓分別為:3.3 V,5 V,15 V,-7 V�；诒銛y性的考慮,采用9 V直流電壓作為電路板的輸入,通過(guò)線(xiàn)性穩壓電源芯片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能夠輸出正負雙電壓,非常適用于便攜性設備。4組電源的輸出端分別通過(guò)LC低通濾波器,就能為系統提供高精穩定的直流電源。
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構,通過(guò)電阻產(chǎn)生信號電壓,但是由于系統噪聲的存在,特別是模擬地和數字的干擾,信號走線(xiàn)長(cháng)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,芯片內部在輸出端已集成了LPF,故只需對色度信號進(jìn)行處理。設置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(guò)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視器。
3.5 MCU-DSP通信
DSP處理功能可以通過(guò)MCU或軟件進(jìn)行控制。
將DSP各控制參數通過(guò)特定的通信協(xié)議傳輸到DSP189第2期顏 豪等:一種基于單片機的可控成像系統設計內部寄存器或者外部E2PROM保存,以使其實(shí)現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。DSP控制參數有635 B,在調試的時(shí)候,可以存入DSP的寄存器組以便修改,調試完成之后,優(yōu)化的參數可以存入E2PROM,使得下次掉電復位后可以繼續使用。
圖2 BPF頻率特性
在通信過(guò)程中,一個(gè)通信協(xié)議包傳輸的字節數是可變的,最高可達32 B。DSP接收到一包數據后分析它,執行控制命令,完成1次通信。一個(gè)通信包由起始字、命令字、地址字和數據字組成。因為DSP內部寄存器數量有限,在執行完上次命令之前,不會(huì )再接收任何其他控制命令。該過(guò)程被稱(chēng)為“通信禁止周期”,并且此時(shí),芯片返回一個(gè)確認數據,該數據可能是寫(xiě)應答信號、讀取數據或者通信錯誤代碼。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)行數據通信時(shí)必須保證其邏輯電平一致,不然通信過(guò)程中將出現各種不可預料的錯誤。該設計中, 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?xún)烧咧g的通信必須經(jīng)過(guò)電平轉換,這里選擇SN74ALVC164245作為電平轉換器。SN74ALVC164245有2組獨立電源端口,分別將其與MCU和DSP各自的主供電電源相連。這樣,就能通過(guò)電平轉換器將3.3 V系統和5 V系統連接起來(lái)。
4 仿真和調試
圖4是軟件仿真圖,輸入數據是低位先傳,每個(gè)字節有8位,字節之間延遲1個(gè)時(shí)鐘周期,DSP在時(shí)鐘上升沿采樣輸入數據,在時(shí)鐘下降沿輸出數據。選通信號XCS為低電平有效,為了滿(mǎn)足系統的一定時(shí)序冗量,在DSP處理時(shí)間內(即通信禁止周期)強制將XCS置高。
由于是軟件仿真的原因,DO沒(méi)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(guò)4個(gè)7端數碼顯示管顯示2個(gè)16進(jìn)制回讀數據,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,將其控制參數保存在程序代碼中,通過(guò)外部開(kāi)關(guān)的選擇,MCU的P1端口讀出其電平,實(shí)現各種功能的控制,其功能見(jiàn)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計以及調試后進(jìn)行實(shí)驗,其結果表明,MCU-DSP通信正常,可滿(mǎn)足時(shí)序及功能要求。
5 結 語(yǔ)
采用專(zhuān)業(yè)信號處理芯片及單片機實(shí)現了可控成像系統設計,完成了電路板的調試和功能實(shí)驗,為后續數字信號處理提供了源圖像信號。該系統具有電路實(shí)現簡(jiǎn)單可靠,功能控制方便,能夠輸出多種視頻格式信號,具有簡(jiǎn)易靈活性。目前,將該系統已使用于低照度環(huán)境下的幀間濾波技術(shù)采集系統中,效果很好。
參 考 文 獻
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