FIFO芯片和單片機實現的圖像采集系統

陳向春，侯智斌，張峰

（解放軍陸軍軍官學院，合肥 230031）

引 言

在單片機應用系統中，由于圖像采集速度、程序存儲器和數據存儲器的尋址空間的限制，要完整存儲30fps、640×480像素大小的一幅圖像是相當困難的［1］。本文運用較高性能的16位飛思卡爾單片機在超高頻的情況下直接采集圖像，也只能采集到每行320個像素，丟失圖像，無法獲得一幅完整的圖像。本文通過在圖像采集過程中增加FIFO芯片AL422B較好地解決了這一問題，相對于采用昂貴的DSP而言，降低了圖像采集系統的成本。

1 單目點光源測距原理

野外作業時，需要在運動中知道前方標桿和觀察點之間的距離。本文將標桿制成等間距紅外點光源標桿，滿足了基于單幀靜態圖像的小孔成像原理測距模型要求，減少了圖像處理量，提高了測量的實時性、全天候性。H為各點光源標桿的實際距離；n為點光源個數，它可以通過圖像處理獲得；f為攝像頭焦距；標尺實際像素物理距離h由攝像頭標定取得。遠距離測距原理示意圖如圖1所示，整條點光源標桿都在攝像頭視野范圍內。近距離測距原理示意圖如圖2所示，點光源標桿只有部分在攝像頭范圍內。通過圖1，可求出前方標桿與觀察點的距離D。攝像機的成像幾何關系也可用小孔成像原理來近似表示：

圖1 遠距離測距原理示意圖

2 圖像采集系統硬件設計

圖2 近距離測距原理示意圖

根據單目視覺測距的要求，需要通過一黑白攝像頭實時采集前車的點光源標桿，通過標尺上點光源所在的像素距離推算出前車距離。為了能完整地讀取圖像，本文增加了FIFO芯片，圖像采集原理示意圖如圖3所示。由單片機監測攝像頭的行／場信號，控制FIFO讀取相應的圖像；讀完所有行后，關閉FIFO讀取圖像功能，開始由單片機從FIFO中讀取圖像數據，并進行相應的圖像處理，根據圖像處理的復雜程度，決定圖像處理和圖像采集的時間比。由于FIFO是先入先出，其讀取數據時單片機只需通過中斷使能行／場信號，絕大部分時間單片機可以用來進行圖像處理。本文采取的是采集一幀圖像后，單片機利用兩幀圖像的空閑時間和下一幀FIFO采集時間，共約3幀時間進行圖像處理和控制，其結果是圖像由原來的30fps，變成10fps。盡管幀率慢了，但經過分析得知，在100km／h情況下，滯后距離2.8m，可以滿足要求。

圖3 圖像采集原理示意圖

2.1 飛思卡爾16位單片機MC9S12DG128

2.2 攝像頭芯片OV7670

OV7670是OmniVision公司推出的Camerachiptm圖像傳感器，體積小，工作電壓低。VGA圖像最高達到30 fps。其主要特性為［3］：

◆感光陣列（共有656×488個像素，在YUV的模式中有效像素為640×480個）；

◆高靈敏度適合低照度應用，對紅外光線敏感；

◆標準的SCCB接口，兼容I2C總線接口；

◆RawRGB、RGB（GRB4：2：2，RGB565／555／444）、YUV（4：2：2）和 YCbCr（4：2：2）輸出格式；

◆支持VGA、CIF和從CIF到40×30的各種尺寸。

本文采用飛思卡爾16位單片機MC9S12DG128作為主控芯片，該芯片是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增強型、汽車級的16位微控制器，片內總線時鐘頻率最高可達25MHz，集成了8KB的RAM、128 KB的Flash、2KB的EEPROM，集成度高，資源也相當豐富［2］。

2.3 FIFO芯片AL422B

AL422B是AverLogic公司推出的一個存儲容量為393 216字節×8位的FIFO存儲芯片。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內部的控制系統完成，AL422B內部功能結構框圖如圖4所示。

圖4 AL422B內部功能結構框圖

AL422B主要特點是［4］：

◆AL422B的存儲體為3Mb（393 216字節×8位）；

◆可以存儲VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV等制式一幀圖形的信息；

◆獨立的讀寫操作，可以接受不同的I／O速率；

◆高速異步串行存取；

◆讀寫周期為20ns；

◆存取時間為15ns；

◆內部DRAM自刷新。

3 圖像采集系統程序設計

3.1 系統實現

要想在單片機應用系統中實現數字圖像的靜態存儲，必須解決存儲速度和存儲容量兩大問題。對于速度問題，需要對OV7670的數據輸出時序進行分析，使其滿足要求。VGA時序圖如圖5所示。其中PCLK為像素時鐘，頻率與主頻一致，即27MHz，上升沿時數據輸出有效；VSYNC為場信號；

HREF為水平參考信號，當像素在窗口有效時為高電平，否則為低電平；HSYNC為行信號；D［7：0］為8位數據輸出。

圖5 VGA時序圖

AL422B寫操作時序圖如圖6所示［4］，WCK 為AL422B的寫入時鐘，周期最大為1000ns，最小為20ns（對應主頻50MHz）；其上升沿時數據寫入，隨著該時鐘輸入其內部，寫指針自動增加。可見，AL422B的速度滿足設計要求。具體操作時，由單片機的I／O口控制AL422B的寫使能／WE，使其為低電平，使能寫功能，數據端DI7～0在WCK上升沿時將數據寫入。寫完一副圖像后，由單片機的I／O口控制寫復位／WRST，使其為低電平，使能復位，數據寫入地址指針將回到0地址位。

圖6 AL422B寫操作時序圖

AL422B讀操作時序圖如圖7所示。RCK為AL422B的讀出時鐘，周期最大為1000ns，最小為20ns，當／RE和／OE有效時，在其上升沿數據有效，隨著該時鐘輸入，其內部的讀指針自動增加。當單片機的主頻為25MHz時，還不能直接給OV7670的系統時鐘XCLK提供時鐘，我們采用外部晶振提供27MHz的同頻信號給OV7670。

圖7 AL422B讀操作時序圖

圖像采集電路原理圖如圖8所示。OV7670的像素時鐘PCLK直接和AL422B的數據讀入時鐘WCK相連，具體操作時，由單片機的I／O口控制AL422B的讀使能／RE和輸出數據使能／OE，使它們為低電平；使能數據讀出功能，數據端DO7～0在RCK上升沿時將數據輸出給單片機。讀完一副圖像后，由單片機的I／O口控制寫復位／RRST，使其為低電平，使能復位，數據讀出地址指針將回到0地址位。

3.2 程序設計

圖8 圖像采集電路原理圖

程序設計流程如圖9所示。當單片機檢測到場信號更新后，開始監測行信號到達，之后使能／WE，開始順序讀取圖像。讀完一幀圖像后關閉／WE，單片機使能／RE，開始讀取首行圖像中的640個像素。本文采取邊讀邊處理的方式，較好地解決了一幀圖像多達3MB的問題。點光源標桿發出的紅外光線在圖像上呈現出若干個光暈區域，找到光暈中心就可以找到點光源的圖像坐標，為此在讀取的同時將各像素點與閾值進行比較，小于閾值的為疑似點光源并記錄對應坐標；當讀取完一行像素時，得到的將是一組疑似點光源坐標的像素位置，將其進行統計求平均，得出點光源在該行的坐標，最多12個字節（正面標桿6個，某側標桿6個），遠遠小于整行640個字節。

圖9 程序設計流程圖

當讀取完一幀像素時，得到最多12×480個字節，單片機64KB的容量完全可以存儲，最后將行求平均，得出最終的點光源坐標。經驗證，所需總時間在2.15幀圖像內完成。

結 語

文中討論了基于FIFO芯片和單片機實現的點光源圖像采集系統，描述了單目點光源測距原理、圖像采集系統硬件和軟件設計方法，著重介紹了FIFO芯片在圖像采集中的橋梁作用。通過系統樣機檢驗，能夠滿足要求，達到了預期效果。

［1］邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［2］Freescale Semiconductor.MC9S12DG128Device User Guide［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.freescale.com.cn.

［3］OmniVision Technologies.OV7670／OV7171CMOS VGA 圖像傳感器［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.ovt.com／technologies／.

［4］Aver Logic.AL422DataSheet［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.averlogic.com／.