摘要：針對高性能CMOS圖像傳感器的工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，介紹利用高檔微控制器AT89LS8252，設(shè)計(jì)數(shù)字相機(jī)內(nèi)部FPGA邏輯配置與初始化的控制硬件電路和軟件編程。并應(yīng)用AT89LS8252的SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設(shè)接口擴(kuò)展了多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器、DataFlash存儲器、溫度傳感器和MCU的Flash串行模式編程，可以作為多SPI接口外設(shè)的典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；SPI串行外設(shè)接口；FPGA并行邏輯配置；微控制器
引言
隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的不斷完善，其性能不斷提高，目前很多機(jī)器視覺和數(shù)字圖像處理應(yīng)用中開始使用CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，CMOS圖像傳感器具有集成度高，功耗低，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出，控制時(shí)序簡單等特點(diǎn)。因此本文提出一種利用MCU實(shí)現(xiàn)CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中充分考慮到工業(yè)相機(jī)功能的擴(kuò)展和相機(jī)自身圖像預(yù)處理功能的二次開發(fā)，所以采用高性能的MCUAT89LS8252來實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)內(nèi)部FPGA(Field Programmable Gate Array)邏輯配置、在線邏輯下載、攝像機(jī)參數(shù)下載初始化、溫度讀出等控制功能。
CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)總體系統(tǒng)描述
CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)機(jī)，一般由：圖像傳感器、時(shí)序邏輯產(chǎn)生單元、圖像預(yù)處理單元、配置初始化控制單元、圖像數(shù)據(jù)輸出接口單元五部分組成。下面對各部分簡要介紹：
CMOS圖像傳感器的時(shí)序邏輯一般由FPGA產(chǎn)生，由3.3V或5V單電源對系統(tǒng)供電，也有一些高級CMOS圖像傳感器需要外加一組電壓較低的參考模擬電壓，在系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)時(shí)序下按像素時(shí)鐘速率將8bit或10bit的像素?cái)?shù)據(jù)分單通道和多通道連續(xù)輸出。
設(shè)計(jì)中應(yīng)用Xilinx公司的高性能的FPGAXC2VP4來完成驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生和圖像預(yù)處理功能。攝像機(jī)內(nèi)部對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，有利于上位機(jī)圖像處理算法的簡化，更能夠提高圖像處理的實(shí)時(shí)性。根據(jù)不同機(jī)器視覺應(yīng)用的需要，可以為攝像機(jī)提供多種不同圖像預(yù)處理方案，如灰度變換、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展、中值濾波等，用戶可以選擇相應(yīng)的配置文件下載到攝像機(jī)中，就能夠?qū)崿F(xiàn)需要的圖像預(yù)處理功能。高級用戶也可以根據(jù)自己應(yīng)用需求，自行開發(fā)攝像機(jī)內(nèi)部FPGA圖像預(yù)處理的算法，嵌入到FPGA配置邏輯文件中，按照設(shè)計(jì)中的配置方法下載到攝像機(jī)中，就可實(shí)現(xiàn)用戶自己開發(fā)的圖像預(yù)處理功能。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)圖像數(shù)據(jù)輸出接口也有很多種方式，可以采用CameraLink接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、1394接口等。
文中重點(diǎn)描述攝像機(jī)的邏輯配置和初始化控制單元的設(shè)計(jì)，以AT89LS8252為控制器完成對FPGA的并行配置功能，應(yīng)用MAX3232串口芯片和上位機(jī)通信，完成接收FPGA配置文件和初始化攝像機(jī)的參數(shù)，并將攝像機(jī)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。LT1665產(chǎn)生一組CMOS傳感器需要的8路模擬參考電壓。應(yīng)用DataFlashAT45DB041B保存FPGA上電配置文件。溫度傳感器MAX6630可獲得攝像機(jī)內(nèi)部的工作溫度數(shù)據(jù)，對于攝像機(jī)工作環(huán)境溫度過高的情況，可以向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警，并采用制冷措施。攝像機(jī)總體結(jié)構(gòu)，見圖1。
圖1 CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)總體框圖
FPGA并行邏輯配置的MCU實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)中應(yīng)用XilinxFPGAXC2VP4為時(shí)序邏輯控制單元和圖像預(yù)處理核心，因此每次FPGA上電開始工作前必須將配置文件加載到FPGA內(nèi)部的SRAM中，這個(gè)過程就是FPGA的邏輯配置(FPGAConfiguration)。為實(shí)際應(yīng)用和攝像機(jī)圖像處理功能二次開發(fā)需要著想，采用并行邏輯配置的方法，可以減少攝像機(jī)的配置時(shí)間。設(shè)計(jì)中使用高檔MCUAT89LS8252作為攝像機(jī)的控制器，實(shí)現(xiàn)RS232串口下載配置文件在電路邏輯配置ICR(In-CircuitReconfigurability)功能。為攝像機(jī)的使用者開發(fā)攝像機(jī)FPGA圖像預(yù)處理功能提供了方便的配置方法，從而不用使用FPGA專門的配置芯片和配置電纜，減少了攝像機(jī)的端口，提高了攝像機(jī)的性能。
AT89LS8252是低功耗、高性能CMOS8位微控制器，內(nèi)含8KB的Flash程序存儲器可用SPI串行接口總線進(jìn)行程序下載和2KB的EEPROM，256B的片內(nèi)RAM，32線可編程I/O，3個(gè)定時(shí)器，9個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量，可編程UART串口，具有低功耗節(jié)電方式，可低電壓供電、工作電源范圍2.7～6V，最高工作頻率為12MHz，可編程看門狗定時(shí)器WDT，雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1，具有斷電標(biāo)志位POF，SPI外圍器件擴(kuò)展串行口。設(shè)計(jì)中選用體積最小的44引腳TQFP貼片封裝AT89LS8252_12AI，工作電壓為3.3V，工作頻率為11.0592MHz。所有器件都使用3.3V單電源供電，采用3.3VCMOS數(shù)字電路邏輯電平。單片機(jī)的引腳定義和FPGA配置接口電路的實(shí)現(xiàn)見圖2。
圖2 MCU接口定義原理圖
XilinxFPGA有5種配置模式，本設(shè)計(jì)中使用的是被動(dòng)并行配置模式(Slave SelectMAP Mode)，這種模式的優(yōu)點(diǎn)是在相同的配置時(shí)鐘下比其它串行配置模式速度都要快。串行配置方式MCU需要8個(gè)機(jī)器周期配置一個(gè)字節(jié)，而并行模式只需要一個(gè)機(jī)器周期配置一個(gè)字節(jié)。被動(dòng)并行配置方式過程：首先系統(tǒng)檢測電源，HSWAP_EN信號把用戶定義I/O引腳上拉，INIT、DONE為低后配置存儲器清空。然后檢測PROG_B是否由低變高，若為高電平再一次清除存儲器。釋放INIT_B，采樣配置模式引腳設(shè)置，接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)并行邏輯配置。AT89LS8252可以把存儲在DataFlashAT45DB041B中的配置文件讀出按照上述配置時(shí)序來進(jìn)行配置。
表1 FPGA配置引腳功能說明
注：信號CS_B、RDWR_B、BUSY、INIT_B、D0-D7在配置結(jié)束后復(fù)用為A4-A7。
系統(tǒng)初始化和擴(kuò)展SPI外設(shè)器件設(shè)計(jì)
攝像機(jī)啟動(dòng)邏輯配置成功后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，也就是對攝像機(jī)的一些功能參數(shù)寄存器進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)攝像機(jī)工作過程和功能一般有如下一些需要初始化的功能參數(shù)：
*攝像機(jī)工作模式參數(shù)：有FreeRun模式、測試圖像輸出模式，外部觸發(fā)模式等。
*傳感器輸出幀頻參數(shù)：控制傳感器每秒鐘輸出圖像的幀數(shù)。
*傳感器積分時(shí)間參數(shù)：控制傳感器一幀圖像的曝光時(shí)間。
*輸出圖像AOI參數(shù)：對傳感器靶面中感興趣區(qū)域圖像的輸出，需要設(shè)定行和列兩個(gè)參數(shù)。
*圖像數(shù)據(jù)輸出位數(shù)參數(shù)：對于高精度的圖像傳感器，可以選擇8bit，10bit，12bit圖像輸出。
*DigitalShift功能參數(shù)：對傳感器像素Nbit的數(shù)值進(jìn)行左移或右移操作后輸出。
*Binning模式輸出參數(shù)：有水平Binning，垂直Binning，全幅Binning。Binning就是一種像素合并技術(shù)，把相鄰的兩或多個(gè)像素值合并成一個(gè)像素值，降低了圖像分辨率，但是能夠提高攝像機(jī)的感光靈敏度。參考電壓參數(shù)：包括增益電壓參數(shù)、偏置電壓參數(shù)、自校準(zhǔn)電壓參數(shù)。雖然CMOS圖像傳感器已經(jīng)把ADC器件集成到傳感器內(nèi)部，但是在攝像機(jī)不同的工作情況下，還需要改變這些參考電壓，使攝像機(jī)輸出用戶滿意的圖像。設(shè)計(jì)中使用的LT1665可以輸出8路0～3.3V模擬參考電壓。
圖3 SPI串口外設(shè)擴(kuò)展電路原理圖
這些初始化參數(shù)的寄存器，一部分是設(shè)置在FPGA中，另一部分是外設(shè)器件的工作寄存器。但是這些寄存器中的參數(shù)，在每次掉電后會自動(dòng)清空，因此設(shè)計(jì)中使用AT89LS8252的EEPROM來保存這些參數(shù)。參數(shù)由RS232串口接收按參數(shù)地址存入EEPROM，使用MCU的雙DPTR，DPTR1寫入，DPTR0讀出，使得對EEPROM的讀寫更加便捷。每次參數(shù)下載成功或上電后，由初始化程序把EEPROM的參數(shù)通過MCU和FPGA之間的數(shù)據(jù)總線和地址總線寫入?yún)?shù)寄存器，其它外設(shè)器件的參數(shù)寄存器由SPI總線寫入。
因?yàn)镕PGA信號CS_B、RDWR_B、BUSY、INIT_B、D0-D7在邏輯配置結(jié)束后可作為普通用戶定義I/O，所以在配置結(jié)束后這些引腳被定義為MCU和FPGA初始化的數(shù)據(jù)總線(P0口)和地址總線(P2口)。
SPI(SerialPeripheralInterface)是MOTOROLA公司推出的一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU與各個(gè)廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備直接接口，以串口方式交換信息。SPI使用4條線：串行時(shí)鐘SCK，主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO(簡稱SO)，主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI(簡稱SI)和低電平有效的從機(jī)選擇線CS。MCU與外設(shè)器件的SCK、MOSI、MISO、都是同各端相連。擴(kuò)展多個(gè)外設(shè)器件時(shí)，SPI無法通過數(shù)據(jù)線譯碼選擇，故SPI接口的外設(shè)器件都有片選端CS，MCU通過不同的I/O口線來分時(shí)選通相應(yīng)外設(shè)器件。設(shè)計(jì)中SS為DataFlash器件的片選信號，TCS為溫度傳感器的片選信號，VCS為多路DA器件的片選信號。圖3為SPI外設(shè)器件擴(kuò)展電路原理圖。
SPI串行擴(kuò)展系統(tǒng)中MCU作為主器件，啟動(dòng)一次傳送時(shí)產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘由SCK送出，作為同步時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出，對于不同的外設(shè)器件，SCK的上升沿還是下降沿進(jìn)行輸入輸出操作是不同的，有四種操作模式。4種SPI操作模式和LSB在先輸出或MSB在先輸出、主從模式、SPI時(shí)鐘速度選擇都可以在MCU的SPI控制寄存器(SPCR)中設(shè)置，其中CPHA、CPOL是設(shè)置時(shí)鐘SCK相位和極性，決定SPI的操作模式。設(shè)計(jì)中使用了三種操作模式，DataFlash器件工作在模式3、溫度傳感器工作在模式1、多路DA器件工作在模式0。
軟件設(shè)計(jì)
完成系統(tǒng)邏輯配置和初始化的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：MCU的匯編語言編程和PC上位機(jī)的VC編程。
MCU程序設(shè)計(jì)
AT89LS8252按照圖4的主程序流程圖來完成邏輯配置和攝像機(jī)的參數(shù)初始化。下面詳細(xì)闡述一下FPGA配置文件下載到DataFlash的程序設(shè)計(jì)。因?yàn)锳T45DB041B的存儲空間為4，325，376bit，完全能夠存儲3，006，496bit的配置文件。
圖4 MCU主程序流程圖
AT45DB041B內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)是將整個(gè)存儲空間分為2048個(gè)page，每個(gè)page為264Byte，經(jīng)由兩個(gè)264Byte的buffer來實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)寫入。過程是先進(jìn)行寫buffer1操作，然后發(fā)由buffer1寫page命令，在buffer1寫page的同時(shí)進(jìn)行buffer2操作，當(dāng)buffer2寫完后再發(fā)由buffer2寫page命令，再一次進(jìn)行buffer1的寫操作，如此反復(fù)操作實(shí)現(xiàn)了AT45DB041B的連續(xù)快速寫入。讀出時(shí)可以用連續(xù)陣列讀命令就可以完成配置文件數(shù)據(jù)連續(xù)讀出。
上位機(jī)編程
上位機(jī)客戶端程序通過VisualC++軟件編寫，完成配置文件按page容量264字節(jié)的分割串口傳送，初始化參數(shù)串口傳送，按串口通信協(xié)議發(fā)送接收控制命令字，配置文件初始化參數(shù)的回讀校驗(yàn)，用戶窗口界面等功能。
結(jié)束語
設(shè)計(jì)中充分利用AT89LS8252的SPI接口、EEPROM、雙DPTR、可編程UART串口等資源，是該高檔MCU的設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用。創(chuàng)新應(yīng)用高檔MCU AT89LS8252 對FPGA并行配置的方法，CMOS攝像機(jī)參數(shù)初始化的方法，多SPI外設(shè)器件擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，為高性能CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的研究和FPGA圖像處理核心的二次開發(fā)建立了功能全面的控制系統(tǒng)，并且為其它數(shù)字?jǐn)z像機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)提供了成功范例。
