隨著CMOS技術的發展，原來CMOS圖像傳感器比CCD噪聲大的特點得到大大改善，并且以其成本低、功耗低、單一工作電壓、集成AD轉換器、數字形式數據輸出、圖像大小可編程控制等優點，在攝像頭、微型數碼照相機、掃描儀、手機、可視電話、視頻會議等眾多領域應用。但要將CMOS的圖像采集到DSP芯片中的硬件設計成本較高，實現難度較大。現階段，比較多的方案是采用帶視頻控制器的DSP芯片，如TI6000系列中帶有3個VPO接口的TMS320DM642和ADI公司帶PPI接口的Blackfin處理器。很多低價通用的DSP如TI55x系列和67x系列的DSP，與CMOS圖像傳感器都沒有直接接口，需要設計硬件電路。本文便是針對這種低價通用的DSP，提出的一種低成本的采集方案。
1 系統設計
由于大部分DSP都有與SDRAM、Flash、SRAM、FIFO等存儲器接口的EMIF接口，而沒有直接與CMOS/CCD固體圖像傳感器接口的控制器。所以采用CPLD作為圖像傳感器到FIFO以及FIFO到DSP的一個時序協調控制器。同時由于圖像傳感器的像素時鐘PIXCLK很高，最高可以達到48MHz,固體圖像傳感器的圖像數據量大，而FIFO的容量有限，一般都是幾K、幾十K字節，對于高像素的圖像來說，FIFO只能充當線緩沖的作用，要作為幀緩沖，除非系統對速度要求很高，否則成本太高。由于采集到DSP中的圖像數據量很大，靠寫文件的方式來驗證采集的數據非常慢，所以本系統采用GPIO設計了一個SD卡的控制器，通過寫BMP文件，對采集的圖像進行驗證。系統設計框圖如圖1所示。
本系統設計的關鍵在于DSP采用何種方式去讀取FIFO中的圖像數據。很多方案中都是啟動EDMA讀取FIFO中的圖像數據，當FIFO半滿時中斷DSP啟動EDMA讀取數據，這樣對FIFO讀時鐘的頻率要求很高，需要讀時鐘為寫時鐘的2倍。但這種方案存在問題，即FIFO時鐘的選擇問題。EMIF口的在EDMA啟動的過程中都是一些不穩定不規則的負脈沖信號，難以選擇作為FIFO的讀時鐘。這種采用EDMA的方案在TMS320DM642中可行，因為TMS320DM642能與FIFO無縫連接。
2 硬件設計
2.1 硬件電路圖
本系統硬件連接如圖2所示，所采用的圖像傳感器型號是MT9T001，它是一款主要針對數碼相機領域的CMOS圖像傳感器。與其他的CMOS圖像傳感器相比，MT9T001有以下明顯的特點：
(1)像素大小可以通過IIC接口改變相應寄存器進行硬件裁剪。
(2)高的幀速，輸出為QXGA分辨率(2 048×1 536）時，可以達到12f/s，而輸出為VGA分辨率（320×240）時，有93f/s。
(3)高性能的低照度成像性能。
(4)具有AF對焦窗口的圖像輸出格式，如圖3所示，(2 048×512)時，可以達到30f/s。
硬件設計主要體現在CPLD的邏輯上面。本系統采用ALTERA公司的CPLD芯片EPM240作為系統的邏輯控制器件，有80個I/O引腳和240個邏輯單元，資源足夠滿足各種方式的采集設計的需要。
DSP采用TI公司的TMS320C6711DSK板，TMS320C6711DSK有以下特點：
(1)板上留有2個80腳的接口，方便系統擴展；
(2)EMIF接口有兩種時鐘模式可以選擇,時鐘頻率分別為150MHz和100MHz；
(3)100MHz的16MB同步動態存儲器(SDRAM)；
(4)直接提供1.8V和3.3V直流電源；
(5)JTAG仿真器,可支持并口或外接XDS510支持；
(6)1個并行接口,主機可通過該并口訪問開發板上的存儲器；
(7)150MHz主頻，可執行900 MFLOPS浮點操作；
(8)128KB的可編程Flash存儲器；
(9)16位語音CODEC電路。
2.2 CPLD內部的邏輯
TMS320C6711的EMIF口連接異步存儲器的時序如圖4所示。
從時序圖可以看出， 在的上升沿便讀取一次數據，所以用這個引腳來作為讀取FIFO的時鐘最合適。如果用ECLKOUT讀取，需要在CPLD中設計計數器，很不方便，也不靈活。圖5為CPLD內部邏輯圖。
圖5 邏輯連接圖
3 軟件設計
3.1 圖像傳感器的配置
SCLK和SDATA兩條線構成了該串行總線，SCLK為串行時鐘，SDATA為串行數據。兩條線通過1.5kΩ的電阻上拉到3.3V。在實際應用中，通過上拉1.3kΩ電阻，用TMS320VC6711（外擴一片EPM240實現）模擬總線時序，完全可以達到要求。其操作方法幾乎和IIC總線一樣，在速度和位數上稍微有一點差別，限于篇幅不再贅述。圖6為寫時序圖，圖7為讀時序圖。
芯片內部集成了模擬處理電路(10bit A/D轉換器，放大器)、時鐘控制電路（反相，相位調節）、圖像大小調節、原點定位、白平衡調節、曝光調節、幀速率調節等眾多功能電路，所有這些控制都通過一個串行總線口進行操作（SCLK和SDATA）。數據輸出則為10bit并行口，數據同步時鐘PIXCLK，行同步LINE_VALID和幀同步信號FRAME_VALID。
在本系統設計中，由于在綠色通道增益最低的情況下采集到的圖像還是偏綠，所以對紅色和藍色通道的增益調大了少許。
3.2 系統的主體程序
視頻采集系統軟件需要完成CMOS圖像傳感器圖像數據的采集、轉換和圖像數據的存儲功能。
為了便于后期圖像處理和分析工作，采用了DSP BIOS的程序設計架構。BIOS上的程序總體設計流程圖如圖8所示。
中斷觸發源采用了EXT4，即外部中斷引腳中斷。而外部引腳連接的是行有效信號，這樣，每一行便觸發一次中斷，然后在中斷服務程序中通過讀取FIFO的數據到SDRAM中，完成一行數據的采集，通過行計數器來判斷一幀是否傳完。值得注意的是，本系統的軟件設計沒有采用兩級中斷來保證第一行讀到的圖像數據就是圖像本身的第一行，而是采用讀取行同步信號的上升沿來簡化程序。
由于在TI公司的CCS3.1開發環境下面寫文件方式的速度太慢，所以采用DSP寫SD卡的方法來保存圖像數據，采集到更加清晰的圖像，如圖9。
MT9T001圖像傳感器的靈敏度很高，在很低的照度下都能清晰成像。要調整好鏡頭的光圈以避免出現局部過曝光的現象。
雖然采用DSP的EMIF接口外加FIFO行緩沖器的方案沒有那些有專門視頻接口的DSP(如DM642)的VP0-VP3端口方便，但本方案具有成本上的優勢；同時在浮點運算特別多的圖像算法中，本方案的算法效率要比DM642高。本方案對很多沒有視頻控制器的DSP具有通用性；另外，本方案擴展了一片CPLD，可以對硬件控制進行一些靈活的處理，如可以通過對HD信號靈活計數，控制閃光燈的點亮時間等。
實驗證明，本系統適合帶有EMIF接口的DSP系統，這種圖像采集接口還能很好地移植到其他基于DSP的圖像采集與處理系統中。
