基于DSP的最小圖像采集處理系統設計

采用TI公司的TMS320C6713，通過地址譯碼和總線隔離，直接將數字圖像傳感器芯片OV7620接入；利用EDMA獨立傳送的特點，在不增加DSP軟件開銷和對總線占用的情況下，實現視頻圖像的實時采集和處理。經過驗證，系統具有實時性好、成本低、開發周期短的特點。通過總線隔離和數據鎖存實現了DSP與低速LCD顯示模塊的接口。針對具體的硬件電路給出了驅動例程。
關鍵詞 DSP嵌入式系統 圖像采集 圖像處理

引 言
??? 在以DSP為核心的視頻處理系統中，視頻采集的方法通常可以分為兩大類：自動的視頻采集和基于DSP的視頻采集。前者通常采用CPLD／FPGA控制視頻解碼芯片，通過FIFO或者雙口RAM向DSP傳送數據，特點是數據采集模塊獨立運行，占用DSP資源少，但實現相對復雜，成本偏高；后者通常由DSP控制視頻解碼芯片并同步各種時序，將視頻數據讀入。其特點是實現相對簡單，成本有所降低，但對視頻解碼芯片的控制較為復雜，占用DSP處理時間。
??? 如果通過適當的邏輯電路讓數字圖像傳感器芯片直接接入DSP，則可省去視頻控制解碼芯片、CPLD／FPGA、FIFO或雙口RAM，在不增加DSP軟件開銷的情況下，大大降低系統的復雜程度和成本，縮短開發周期。

1 硬件系統設計
1.1 系統總體結構
??? 系統結構框圖如圖1所示。DSP采用TI公司發布的C6000系列高速浮點型信號處理器TMS320C6713，其峰值處理速度達l350 MFLOPS(百萬次浮點每秒)。其外部存儲器接口EMIF(External Memory Interface)包括4個CE空間，其中CE0被配置為16位同步空間，接SDRAM；CEl為16位異步空間，接Flash；CE2為16位異步空間，經過地址譯碼和總線緩沖將數字圖像傳感器OV7620接入；CE3為8位異步空間，經過數據鎖存和總線隔離將LCD顯示模塊接入。

1．2 OV7620的配置和硬件連接
??? OV7620是OmniVision公司生產的CMOS彩色／黑白圖像傳感器，在本系統中被配置為16位逐行掃描QVGA方式，RGB原始數據輸出，分辨率為320×240，SCCB總線，內部默認的行曝光方式；同時使能HREF信號對PCLK進行門控，即只有當HREF有效時像素時鐘信號才被輸出到PCLK引腳上，否則該引腳保持無效。這樣EDMA可以始終處在使能狀態，從而簡化采集過程。
??? OV7620與DSP的硬件連接框圖如圖2所示。在對OV7620復位結束后，DSP通過GPIO模擬SCCB總線完成對OV7620內部功能寄存器的配置，之后數幀內圖像數據和同步信號將逐漸穩定。Y通道和U／V通道在分別經過74HC244總線緩沖器之后接入EMIF低16位數據總線。CE2與地址線EA20、EA21經過譯碼產生2片74HC244的選通信號，此時OV7620的讀地址為
0xA0000000。

1．3 EDMA數據采集
??? 在16位逐行掃描方式中，圖像的每行RGB原始數據均被OV7620先后輸出兩次，因此，只須讀取其偶數次HREF信號對應的數據即可獲得整個圖像信息。這樣可以減少圖像采集所占用的存儲空間和總線資源。OV7620同步和控制信號與GPIO的對應關系如表1所列。

??? 本系統采用EDMA的第12個通道(EDMAl2)進行圖像數據采集。該通道被配置為16位一維傳輸方式，中斷禁止，PCLK的上升沿觸發EDMAl2搬移一個16位數據存入到SDRAM中，每次EDMA任務搬移一個HREF(320個16位)的圖像數據。幀同步信號VSYNC上升沿觸發DSP中斷，對EDMA通道進行初始化，使能水平參考信號HREF中斷并關閉EDMA通道(放棄第1個HREF、的數據)，開始一幀的數據傳輸。HREF下降沿觸發DSP產生中斷，標志OV7620一次HREF數據輸出的結束。如果接下來一次HREF數據需要被讀入，則中斷服務程序會對EDMAl2參數進行修正，使能EDMA12通道，開始下一行數據的傳輸；否則，就禁止EDMAl2，放棄下一次HREF數據。每接收1幀圖像數據共產生240次HREF中斷和120次EDMA數據傳輸。以下是OV7620數據采集的部分源代碼：

1.4 LCD模塊的驅動
??? 采用液晶顯示模塊可以使圖像處理結果實時顯示出來，方便調試和演示，成本也較低。本系統選用北京寧和電子科技發展有限公司開發的NHC_34彩色液晶顯示控制模塊。該模塊支持256色彩色顯示，每個像素點用1個字節表示，分辨率為320×234；支持標準Intel 8位異步總線時序，有2頁顯示緩存，可任意設定顯示頁和操作頁。
??? LCD模塊讀寫周期最短為350ns，而DSP外部總線接口時鐘頻率一般在100 MHz以上，即小于10ns。通過配置EMIF CE3空間控制寄存器CECTL3(地址為Ox01800014)，可以將CE3空間的讀寫周期延長，與LCD模塊無縫連接。但這樣液晶模塊的讀寫操作會過長地占用系統總線，降低對其他存儲空間(尤其是對SDRAM)的訪問效率，進而影響系統的整體速度。
??? 本系統采用了數據鎖存和總線緩沖的方法，通過377鎖存器模擬低速總線控制信號時序，利用244數據緩沖器對低速總線數據進行隔離。圖3給出了DSP與LCD模塊硬件連接圖。系統有2片74HC377(簡稱為“377”)，一片用來鎖存模擬LCD模塊的讀寫控制信號(控制377)，另一片用來鎖存寫入數據(數據377)，由異步寫使能控制線AWE作為377的觸發沿輸入；CE3和EA20、EA21經過譯碼產生2個377的使能信號，DSP寫數據377的地址為0xB0000000，寫控制377的地址為0xB0040000。數據377的輸出經一片總線緩沖器HC244(寫出244，HC244簡稱為“244”)連接到LCD模塊總線上，該244輸出使能信號來自控制377。另有一片HC244(讀入244)用來將LCD模塊總線接到DSP低8位總線上，其輸出使能信號同樣由CE3和EA20、EA21經過譯碼產生，地址為0xB0080000，是DSP對LCD模塊的讀地址。

??? DSP根據LCD模塊總線時序，通過定時器延時中斷來間隔地寫入數據到控制377，以模擬相應低速總線的控制信號，并適時從讀入244讀取數據(讀周期)，或者寫入數據到數據377(寫周期)，就可以完成對LCD模塊的讀／寫操作。LCD寫周期驅動例程如下(該程序通過延時來控制時間間隔)：

2 軟件系統設計
??? 軟件系統流程如圖4所示。DSP在復位完成之后首先進行系統的初始化，配置鎖相環、EMIF和GPIO，并硬件復位OV7620，通過GPIO模擬SCCB總線配置其內部功能寄存器，之后對LCD模塊清屏。當EDMA沒有被使能時，OV7620的同步信號仍能被EDMA事件寄存器捕獲并保持，所以把EDMA的初始化放在OV7620和LCD模塊的初始化之后，并在使能之前清事件標志。在中斷被使能之后，OV7620的幀同步信號會觸發系統中斷，開始進行數據的循環采集，并在每幀數據采集完成之后置位相應標志，通知主程序進行處理。主程序在接到通知后對OV7620的原始數據進行插值和平滑，生成待處理的RGB24位色圖像數據。圖像處理和運算的結果被送到LCD模塊進行動態顯示，LCD的顯示任務主要由中斷服務程序完成，而此時主程序已開始等待和處理下一幀圖像。

3 結論
??? 本系統通過總線隔離和地址譯碼，只使用簡單的邏輯芯片將OV7620接入DSP，并充分發揮EDMA獨立傳送的特點，僅占用DSP少量的軟件開銷和總線資源。就完成圖像數據的采集。與采用視頻接口芯片、外圍FIFO和CPLD／FPGA等方案相比，很大程度上降低了系統成本，縮短了開發周期，而對系統總線的占用卻并沒有增加。利用數據鎖存和總線緩沖實現了對LCD模塊異步低速總線的接人；利用EDMA進行總線模擬，進一步降低DSP對LCD模塊讀／寫的參與，減少系統中斷次數，優化系統性能，能夠將圖像處理的結果實時和直觀地顯示出來。

??? 與其他DSP嵌入式系統相比，本系統具有處理速度快、接口簡單、成本低、能實時顯示的特點，適用于視覺導航、視頻實時處理等要求高速處理圖像的場合，以及有實時演示要求的場合。