基于影像传感器MT9M111的视频采集系统

　　CMOS图像采集系统普遍存在图像质量问题，如果没有对图像进行专门的处理，则图像质量难以保障。
　　近些年来，随着SoC技术的快速发展，在图像采集和处理领域，出现了SoC影像传感器，它集成CMOS传感器和图形处理器功能，可以得到令人非常满意的图像质量。本文设计的视频采集系统采用了SoC成像芯片MT9M111和USB2.0接口芯片CY7C68013。

系统结构
本系统的原理框图如图1所示。当图像传感器开始工作后，先将采集到的数据通过FPGA控制逻辑存储到SRAM1中，一帧图像的采集/存储过程结束后，SRAM1进入写结束状态。此时切换SRAM，SRAM2继续存储采集到的数据，同时，SRAM1处于可读状态，由FPGA里的控制逻辑控制，将SRAM1中的数据传输到USB芯片，然后传输到主机。本系统采用双SRAM结构和乒乓机制，两片存储器交替工作，使图像的采集和传输并行进行。双帧存结构不仅提高了系统的速度，而且，由于在FPGA里实现各种图像处理的算法大都需要比较大的存储空间，所以两个大容量SRAM在实现算法时可以充当外部缓存。

MT9M111
本系统采用美光公司推出的集成CMOS传感器和图形处理器的SoC产品MT9M111。MT9M111是低功耗、低成本渐进扫描CMOS图像传感器；130万像素分辨率(1280H×1024V)；1/3英寸光学格式；全分辨率15fps的功耗为170mW，VGA分辨率30fps的功耗为90mW。MT9M111采用低漏电DRAM工艺，配备了美光的DigitalClarity专利技术，即使在最差的光照条件下也能提供清晰明亮的彩色图像。MT9M111具有较低的暗电流，并降低了色度/亮度干扰和瞬间噪声。MT9M111的嵌入可编程图像流处理器提供的功能包括色彩恢复和修补、自动曝光、白平衡、镜头阴影修正、增加清晰度、可编程灰度修正、黑暗电平失调修正、闪烁避免、连续调整滤光尺寸、平滑的数字变焦、快速自动曝光模式和不工作时缺陷修正等。而且，还配备了两线串行接口，USB芯片可以通过这两线串口对其进行配置。

IS61WV20488
与图像处理有关的SRAM参数主要是SRAM 的读写速度和容量。在容量方面，本系统采集图像的最大分辨率为1280×1024，数据宽度为8位，2M×8bit的SRAM可以满足存放一帧图像数据的要求。SRAM的读写速度一般为12ns、15ns、20ns或者更慢，由于SRAM的读写速度直接影响整个图像处理系统的时钟，所以，SRAM的读写速度越快越好。本系统选用了ISSI公司的IS61WV20488，芯片容量为2M×8bit。

CY7C68013
图像数据传输部分采用Cypress公司推出的专门用于USB2.0的接口芯片CY7C68013。该芯片包括带815kB 片上RAM 的增强型8051 处理器(与标准8051 系列兼容,速度提高3~5倍)、4kB FIFO 存储器和通用可编程接口I2C 总线、串行接口引擎( S IE ) 以及USB2.0 收发器。

图1 基于SoC影像传感器的视频采集系统

系统软/硬件设计
系统软/硬件设计由3部分构成：图像采集/存储模块、图像传输模块和USB驱动/主机应用程序模块。

图像采集/存储模块
该模块主要由FPGA的控制逻辑将成像芯片MT9M111采集到的图像数据实时地传送到SRAM中。在系统中采用双帧存结构，每个由一片IS61WV20488 SRAM构成，能够存放一帧1280×1024分辨率的图像数据。由于采用了乒乓机制，两片存储器之间交替工作，从而使图像的采集和传输并行进行。为确保在任何时刻只有一片SRAM可以读取采集到的图像数据，设置了一个读互斥锁，同样，只有一个SRAM可接收采集到的图像数据，因此，又设置了一个写互斥锁。需要注意的是，由于图像传感器的图像数据输出速度要比USB2.0传输速度慢，所以，当读完SRAM2的数据以后，需要等待另一片SRAM1完成写图像数据后，才可以向SRAM2写入下一帧图像数据，而SRAM1无需等待便可以直接进行读取图像数据的工作，如此循环往复，实现了并行工作，有效地提高了系统的工作效率。
图2为系统控制电路的原理框图，FPGA内部各个模块均采用Verilog HDL编写。

图2 FPGA控制电路框图

　　　　
图像传输模块
采集完一帧图像后，要经过USB时钟信号控制模块将外部RAM中的图像数据读入到主机。在本图像采集系统中，使用CY7C68013的Slave FIFO异步工作方式，把FIFO配置成和EP2端口相连、每个数据包1024字节、4缓冲的方式，块传输模式。这样的设置可以满足系统要求，同时也有效地利用了内部的4kB FIFO来传输采集到的图像数据，系统控制使用了FALGB信号引脚，用来报告“FIFO满”的状态，默认为低电平有效。本文采用的是自动输入方式，当FIFO中的数据满一定量时，EZ-USB-FX2就直接通过FIFO把数据传送到USB收发器，而不经过CPU的干预，这样就提高了传输速度，本系统当FIFO满1kB时开始自动发送。

USB驱动和主机应用程序模块
USB设备驱动程序的开发是USB系统开发的难点，尤其是在本系统传输数据量大且速度要求高的情况下，就要编写出高效的USB设备驱动程序，才能保证高分辨率图像的实时传输。本系统采用DDK来开发WDM驱动程序。实际上，USB 客户驱动程序中包含大量的例程，对开发驱动程序有很大的帮助。
主机应用程序的主要功能是通过USB接口读取图像数据并实时显示动态图像.为提高主机应用程序的效率，可以使用双线程。

结语
本系统采用具有130万像素的影像传感器MT9M111，保证了图像质量，采用USB2.0接口芯片CY7C68013保证了图像的实时传输，且设计灵活，为实现各种图像处理算法提供了软/硬件支持。