微小型彈載圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳振宇，李忠新

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094)

0 引 言

戰(zhàn)場(chǎng)圖像偵察彈作為一種可用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、評(píng)估的新式偵察裝備，以其實(shí)時(shí)性好、突防能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)軍方的關(guān)注［1］;隨著圖像處理技術(shù)和處理器運(yùn)算能力的快速提高，圖像制導(dǎo)技術(shù)在精確制導(dǎo)武器中的應(yīng)用也得到迅速發(fā)展［2，3］。目前，圖像制導(dǎo)彈、偵察彈多為導(dǎo)彈、火箭彈及槍榴彈等大口徑彈，而彈載圖像采集系統(tǒng)是基于目標(biāo)圖像信息采集的圖像偵察彈、圖像制導(dǎo)彈等的重要組成部分。探究大口徑槍彈等微小型彈應(yīng)用于偵察和采用圖像制導(dǎo)技術(shù)的可行性的重要步驟是其彈載圖像采集系統(tǒng)的研究。

本文以圖像采集系統(tǒng)在大口徑槍彈上的實(shí)現(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于DSP 和CMOS 圖像傳感器和圖像緩沖芯片的圖像采集系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件接口電路和軟件程序設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的顯示驗(yàn)證，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性進(jìn)行了分析。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1 所示，系統(tǒng)上電后，DSP 從片外程序存儲(chǔ)器AT25F1024 中加載程序后，先通過(guò)GPIO 口模擬SCCB協(xié)議設(shè)定圖像傳感器的寄存器參數(shù)，使得圖像傳感器輸出特定格式的圖像數(shù)據(jù);圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)Y0—Y7先存儲(chǔ)在圖像緩沖芯片AL422B 中，待DSP 通過(guò)圖像傳感器輸出的幀同步信號(hào)VSYNC 判斷一幀圖像采集結(jié)束后，通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口EMIF 將圖像數(shù)據(jù)從AL422B 讀取到片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM 中，至此完成一幀圖像數(shù)據(jù)的采集。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system

1.2 成像模塊

成像模塊由鏡頭、圖像傳感器構(gòu)成。考慮封裝尺寸和輸出幀頻，在系統(tǒng)中選擇CMOS 彩色圖像傳感器OV7675作為成像器件［4］。OV7675 的封裝尺寸為3.785 mm×4.235 mm，可輸出YUV4∶2∶2，RGB565，Raw RGB 等格式的圖像數(shù)據(jù)，輸出QQVGA 格式時(shí)最高幀頻為240 fps，通過(guò)SCCB總線(xiàn)協(xié)議在片上寄存器中進(jìn)行設(shè)定。在設(shè)計(jì)中選擇YUV4∶2∶2 格式數(shù)據(jù)輸出，并通過(guò)硬件對(duì)PCLK 進(jìn)行二分頻實(shí)現(xiàn)亮度Y 分量與U，V 分量的分離，以獲取黑白圖像信息，作為后續(xù)圖像處理的原始數(shù)據(jù)。

1.3 DSP 系統(tǒng)

本文選擇TI 公司的C55X 系列TMS320VC5509A 型DSP 作為系統(tǒng)核心處理器。其最高主頻為200 MHz，179 引腳BGA 封裝的尺寸為12 mm×12 mm;片上外設(shè)16 位EMIF接口，可用于與圖像緩沖芯片的硬件連接;通用輸入輸出接口GPIO 可用于系統(tǒng)的時(shí)序控制;8MBX16 位的片外尋址空間可用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與程序存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展;C55X系列自帶圖像、視頻處理庫(kù)，利用后續(xù)圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)中，DSP 外圍電路除時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位等DSP 運(yùn)行必須的模塊外，根據(jù)系統(tǒng)需要擴(kuò)展了片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與片外程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用存取速度較快的SRAM 存儲(chǔ)器IS61LV51216，物理存儲(chǔ)空間為512×103×16 位，BGA 封裝尺寸為9 mm×11 mm。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行必須要解決上電后程序加載的問(wèn)題，所選用的DSP有多種程序加載方式，考慮盡可能減小程序存儲(chǔ)芯片所占用的PCB 空間，簡(jiǎn)化接口電路，選擇串行外設(shè)接口(SPI)加載，取EEPROM 器件AT25F1024 作為片外程序存儲(chǔ)器。

1.4 系統(tǒng)時(shí)序控制說(shuō)明

設(shè)計(jì)中采用可同時(shí)讀寫(xiě)的異步FIFO 芯片AL422B 實(shí)現(xiàn)圖像傳感器與DSP 的時(shí)序匹配。AL422B 讀寫(xiě)時(shí)序的控制是DSP 正確采集一幀完整圖像數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。如下文實(shí)時(shí)性分析結(jié)果所示，DSP 從AL422B 中讀取一幀圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間大于一幀圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入AL422B 所用的時(shí)間;又由于AL422B 可同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，如果在DSP 讀AL422B的同時(shí)，下一幀圖像寫(xiě)入AL22B，則有可能出現(xiàn)上一幀圖像數(shù)據(jù)的一部分被下一幀圖像數(shù)據(jù)覆蓋，即讀取結(jié)果為多幀圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段的拼接，因此，在設(shè)計(jì)中DSP 讀取數(shù)據(jù)時(shí)禁止AL422B 的寫(xiě)入。圖像傳感器輸出的時(shí)序信號(hào)有幀同步信號(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HREF 和像素時(shí)鐘信號(hào)PLCK［5］，其時(shí)序如圖2 所示。DSP 通過(guò)GPIO 引腳輸出控制信號(hào)與HREF 經(jīng)邏輯運(yùn)算使能圖像緩沖芯片AL422B 的寫(xiě)入使能引腳/WE，實(shí)現(xiàn)對(duì)AL422B 的寫(xiě)入控制。通過(guò)檢測(cè)由GPIO 引腳輸入的VSYNC 下降沿來(lái)判斷何時(shí)使能和禁止AL422B 的寫(xiě)入。

圖2 圖像傳感器時(shí)序圖Fig 2 Sequence chart of image sensor

在讀取操作中，其關(guān)鍵在于讀時(shí)鐘信號(hào)RCK 與讀操作的配合。AL422B 的讀取控制時(shí)序?yàn)樵谧x使能信號(hào)/RE 為低電平時(shí)，在讀時(shí)鐘信號(hào)RCK 的上升沿，數(shù)據(jù)輸出到輸出數(shù)據(jù)寄存器中，讀指針自動(dòng)加1，當(dāng)輸出使能信號(hào)/OE 為低電平時(shí)，允許輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)被讀取。圖3 為DSP 的外部存儲(chǔ)器接口讀取片外異步存儲(chǔ)器的時(shí)序圖。由于在系統(tǒng)中未利用EMIF 接口進(jìn)行其他片外存儲(chǔ)空間的讀取，僅在讀取AL422B 時(shí)，讀使能信號(hào)/ARE 出現(xiàn)一次下降沿和一次上升沿，在系統(tǒng)中用讀使能信號(hào)/ARE 為圖像緩沖芯片提供讀時(shí)鐘信號(hào)，讀使能信號(hào)/RE 和輸出使能信號(hào)/OE 均置低，使得數(shù)據(jù)在/ARE 的上升沿輸出到輸出數(shù)據(jù)寄存器，且讀指針加1。讀寫(xiě)時(shí)序控制電路接口如圖4 所示。

圖3 EMIF 接口讀取片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)序圖Fig 3 Sequence chart of reading asynchronous data of external memory interface of EMIF

圖4 讀寫(xiě)時(shí)序控制電路接口示意圖Fig 4 Interface diagram of reading and writing timing control circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程

設(shè)計(jì)圖像采集程序時(shí)，首先設(shè)定DSP 的工作參數(shù)，包括時(shí)鐘主頻設(shè)定、外部存儲(chǔ)器(EMIF)類(lèi)型及參數(shù)設(shè)定、通用輸入輸出接口(GPIO)設(shè)置;而后進(jìn)行圖像傳感器參數(shù)設(shè)定;之后控制一幀圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入AL422B 中，并通過(guò)DSP 的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像緩沖芯片到SRAM 的數(shù)據(jù)傳遞，完成一幀圖像數(shù)據(jù)的采集。圖像數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

2.2 圖像傳感器參數(shù)設(shè)定

圖5 圖像數(shù)據(jù)采集程序流程圖Fig 5 Program flow chart of image data acquisition

SCCB 協(xié)議在DSP 上的實(shí)現(xiàn)是完成圖像傳感器初始化，并保證其正常工作的前提［6］。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)SCCB 總線(xiàn)的時(shí)序原理，通過(guò)通用輸入輸出接口GPIO 實(shí)現(xiàn)SCCB 協(xié)議的模擬。GPIO7 模擬時(shí)鐘線(xiàn)SIO—C，設(shè)置為輸出;GPIO6模擬數(shù)據(jù)線(xiàn)SIO—D，向圖像傳感器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，設(shè)置為輸出。程序中定義子函數(shù)startSCCB，stopSCCB，SCCBwrite()，調(diào)用上述三個(gè)子程序構(gòu)成設(shè)定一個(gè)寄存器的子函數(shù)setSCCB(reg，data)(如圖6)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像傳感器寄存器參數(shù)的設(shè)定，其中，reg 為寄存器地址，data 為要寫(xiě)入該寄存器的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中設(shè)定圖像傳感器輸出YUV4:2:2 格式數(shù)據(jù)，圖像大小為240X320 QVGA 格式。圖7 所示為SCCB write()函數(shù)流程圖。

圖6 setSCCB(reg，data)函數(shù)流程圖Fig 6 Flow chart of function setSCCB(reg，data)

2.3 數(shù)據(jù)讀取程序

TMS320VC5509A 通過(guò)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口EMIF 可尋址8M 的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，分為CE0～CE3 四個(gè)片選空間。在設(shè)計(jì)中將AL422B 擴(kuò)展在CE3 空間上，將片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM 擴(kuò)展在CE0 空間上，讀取過(guò)程即是把圖像緩沖芯片AL422B 作為片外異步存儲(chǔ)器訪問(wèn)，將其中的圖像數(shù)據(jù)傳遞到SRAM 中。部分?jǐn)?shù)據(jù)讀取程序如下:

souraddr=(int*)0x600000;

圖7 SCCBwrite()函數(shù)流程圖Fig 7 Flow chart of function SCCBwrite()

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 圖像數(shù)據(jù)的顯示驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，系統(tǒng)制板調(diào)試完成后，運(yùn)行程序進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，利用DSP 編譯環(huán)境CCS3.3 自帶的圖形顯示工具View-Graph-Image 對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示驗(yàn)證。圖8、圖9 分別為系統(tǒng)實(shí)物圖和采集到的圖像實(shí)例。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig 8 Physical figure of system

圖9 采集到的圖像實(shí)例Fig 9 Example of acquired image

3.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

實(shí)時(shí)性是圖像采集系統(tǒng)的重要特性，也是彈載圖像采集處理系統(tǒng)的關(guān)鍵。在系統(tǒng)調(diào)試完成后，對(duì)圖像采集程序的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析。在系統(tǒng)完成初始化、圖像傳感器參數(shù)設(shè)定后，圖像采集速度受圖像傳感器輸出一幀圖像到AL422B 的速度與DSP 從AL422B 讀取一幀圖像到SRAM中的速度較低者的限制。易知圖像傳感器的輸出數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)寫(xiě)入AL422B 中，所設(shè)置圖像傳感器的輸出幀頻為60 fps，經(jīng)測(cè)試寫(xiě)入AL422B 所用的時(shí)間為16.67 ms。利用CCS 中的代碼分析工具Profile 對(duì)上述圖像數(shù)據(jù)讀取程序進(jìn)行分析【7】，分析5 次得到的結(jié)果如表1 所示。由表可知，上述圖像讀取程序的240 個(gè)循環(huán)所用的時(shí)鐘周期為14588316 個(gè)，設(shè)定系統(tǒng)工作在最高主頻200 MHz，時(shí)鐘周期為5 ns，可得一幀圖像的讀取時(shí)間為72.942 ms。綜上可得，一幀圖像數(shù)據(jù)從寫(xiě)入到讀取到 SRAM 中所需的最大時(shí)間為106.282 ms，系統(tǒng)幀頻最小可達(dá)到9 fps;且根據(jù)上述分析不難得知，當(dāng)設(shè)定輸出圖像數(shù)據(jù)為QQVGA 格式，幀頻240 fps時(shí)，系統(tǒng)幀頻最小可達(dá)到36 fps。

表1 Profile 分析結(jié)果列表Tab 1 List of Profile analysis result

4 結(jié) 論

本文以圖像采集處理系統(tǒng)在微小型化系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行了元器件選擇和系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了原理樣機(jī)的制板和調(diào)試。圖像數(shù)據(jù)顯示結(jié)果表明:系統(tǒng)硬件接口電路和軟件設(shè)計(jì)均是可行的，可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的正確采集;實(shí)時(shí)性分析表明:該系統(tǒng)最高可實(shí)現(xiàn)22 fps 的采集速率。系統(tǒng)所選用的元器件的封裝均較小，按照需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小尺寸的PCB 設(shè)計(jì)制作，可為微小型化裝置上的圖像采集處理提供一種方法。

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