目前，關(guān)于視覺系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為熱點，也有開發(fā)出的系統(tǒng)可供參考。但這些系統(tǒng)大多是基于PC機的，由于算法和硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而使其在小型嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。上述系統(tǒng)將圖像數(shù)據(jù)采集后，視覺處理算法是在PC機上實現(xiàn)的。隨著嵌入式微處理器技術(shù)的進步，32位 ARM處理器系統(tǒng)擁有很高的運算速度和很強的信號處理能力，可以作為視覺系統(tǒng)的處理器，代替PC機來實現(xiàn)簡單的視覺處理算法。下面介紹一種基于ARM和 CPLD的嵌入式視覺系統(tǒng)，希望能分享嵌入式視覺開發(fā)過程中的一些經(jīng)驗。

1 系統(tǒng)方案與原理

在嵌入式視覺的設(shè)計中，目前主流的有以下2種方案：

方案1圖像傳感器+微處理器(ARM或DSP)+SRAM

方案2圖像傳感器+CPLD/FPGA+微處理器+SRAM

方案1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低。在圖像采集時，圖像傳感器輸出的同步時序信號的識別需要借助ARM的中斷，而中斷處理時，微處理器需要完成程序跳轉(zhuǎn)、保存上下文等工作[1]，降低了圖像采集的速度，適合對采集速度要求不高、功耗低的場合。

方案2借助CPLD來識別圖像傳感器的同步時序信號，不必經(jīng)過微處理器的中斷，因而系統(tǒng)的采集速度提高，但CPLD的介入會使系統(tǒng)的功耗提高。

為了綜合以上2種方案的優(yōu)勢，在硬件上采用“ARM+CPLD+圖像傳感器+SRAM”。該方案充分利用了CPLD的可編程性，通過軟件編程來兼有方案1的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下方面：

① 功耗的高低可以控制。對于功耗有嚴(yán)格要求的場合，通過CPLD的可編程性將時序部分的接口與ARM的中斷端口相連，僅僅是組合邏輯的總線相連，可以降低 CPLD的功耗從而達到方案1的效果;對于采集速度要求高而功耗要求不高的情況，可以充分發(fā)揮CPLD的優(yōu)勢，利用組合與時序邏輯來實現(xiàn)圖像傳感器輸出同步信號的識別，并將圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中。

② 器件的選擇可以多樣。在硬件設(shè)計上，所有總線均與CPLD相連;在軟件設(shè)計上，不同的模塊單獨按功能封裝。這樣以CPLD為中心，系統(tǒng)的其他器件均可更換而無需對CPLD部分程序進行改動，有利于系統(tǒng)的功能升級。

作為本系統(tǒng)的一種應(yīng)用，開發(fā)了視覺跟蹤的程序，可以在目標(biāo)和背景顏色對比強烈的情況下對物體進行跟蹤。通過對CMOS攝像頭采集來的數(shù)據(jù)進行實時處理，根據(jù)物體的顏色計算出被追蹤物體的質(zhì)心坐標(biāo)。下面分別描述系統(tǒng)各部分的功能。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件組成及連接

系統(tǒng)的硬件主要有4部分：CMOS圖像傳感器OV6620、可編程器件CPLD、512 KB的SRAM和32位微處理器LPC2214。

OV6620是美國OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應(yīng)用在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中，本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的輸入都是通過OV6620采集進來的;可編程器件CPLD采用Altera公司的EPM7128S，用Verilog硬件編程語言在QuartusII下編寫程序;作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖，SRAM選用的是IS61LV5128，其隨機訪問的特性為圖像處理程序提供了便利;而 LPC2214在PLL(鎖相環(huán))的支持下最高可以運行在60 MHz的頻率下，為圖像的快速處理提供了硬件支持。

OV6620集成在一個板卡上，有獨立的17 MHz晶振。輸出3個圖像同步的時序信號：像素時鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時，還可以通過8位或16位的數(shù)據(jù)總線輸出RGB或YCrCb格式的圖像數(shù)據(jù)。

在硬件設(shè)計上，有2個問題需要解決：

① 圖像采集的嚴(yán)格時序同步;

② 雙CPU共享SRAM的總線仲裁。

解決第一個問題的關(guān)鍵在于如何實時、準(zhǔn)確地讀取OV6620的時序輸出信號，據(jù)此將圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中。這里采用的解決方案是用CPLD來實現(xiàn)時序信號的識別以及圖像數(shù)據(jù)的寫入。CPLD在硬件上可以識別信號的邊沿，速度更快，通過Verilog語言編寫Mealy狀態(tài)機來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的SRAM寫入，更加穩(wěn)定。

對于雙CPU共享SRAM，可以通過合理的連接方式來解決?？紤]到CPLD的可編程性，將OV6620的數(shù)據(jù)總線，LPC2214的地址、數(shù)據(jù)總線以及SRAM的總線都連接到CPLD上。通過編程來控制總線之間的連接，只要在軟件上保證總線的互斥性，即在同一時刻有且僅有一個控制器(CPLD或者LPC2214)來操作SRAM的總線，就可以有效地避免總線沖突。這樣，硬件上的仲裁就可以通過軟件來保證，該過程可以通過在CPLD中編寫多路數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)。

各器件之間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見，微處理器的總線接在CPLD上，在對功耗有嚴(yán)格要求的場合中，只需要在CPLD中，將OV6620的同步時序信號所對應(yīng)的引腳與LPC2214連接在CPLD上的中斷引腳相連，系統(tǒng)就可以轉(zhuǎn)換成方案1的形式。對CPLD而言，引腳相連的僅僅是組合邏輯，降低了功耗。方案1的具體工作過程可見參考文獻[1]。而對于采集速度要求較高的場合，CPLD部分的程序源代碼見本刊網(wǎng)站

圖2 OV6620輸出時序圖