基于USB2.O的CMOS圖像采集系統的設計

O 引言
CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、集成度高，便于采用高速的并行讀取體系等優點，因而在圖像傳感、天文觀測、星敏感器等領域得到廣泛應用。目前圖像采集主要基于PCI總線或其他傳統接串并口圖像采集系統進行數據傳輸，它們存在著功耗高，安裝復雜，價格昂貴等缺點。在實現對高分辨率圖像傳感器無丟失的數據傳輸過程中，USB2．O接口以其即插即用、擴展性強、傳輸速度高達480Mbps等優點，能夠滿足快速傳送大批量數據要求。
因此，高分辨率的CMOS圖像傳感器和高速USB總線技術為圖像傳感技術的改進應用提供了必要的條件。解決了以往低分辨率圖像傳感器像源失真，穩定性能差等缺點。本系統利用130萬像素CMOS圖像傳感器實現了圖像高速傳輸采集，其傳輸速度達到23．6MBps，能廣泛地應用在工廠礦山等惡劣環境中。

1 系統硬件設計
圖像采集系統部分主要由光學鏡頭、CMOS圖像傳感器，USB控制器以及驅動電路(E2PROM等)組成。圖1為硬件系統的總體框圖。

1．1 CMOS圖像傳感器一0V9620
系統選用美國Ominivision公司開發的高性能CMOS圖像傳感器0V9620作為圖像傳感芯片。0V9620集成了CMOS光感應核，時序控制電路，A／D轉換器及SCCB(serialCamera Contro1 Bus)接口等。具有SXGA(分辨率1280×1024)和VGA(分辨率640×480)兩種模式，并可以提供15fps的SXGA或30fps的VGA動態圖像。帶有目標黑級校準、可編程／自動曝光、增益控制及白平衡控制功能。
0V9620具有可編程控制10bit數字視頻信號并行輸出功能，同時提供像素時鐘PCL K、行同步信號HREF及幀同步信號VSYNC，為后續USB對視頻數據的接收與傳輸提供同步控制信號。其時序圖如圖2所示。其數據輸出格式為Bayer RAW，即利用Bayer濾光陣列把輸入光信號分解成RGB三原色，每個像素僅保留一種顏色，RGB保留比例為2： 4： 2。

1．2 USB控制芯片一CY7C68013
系統USB主控制芯片選用的是CypreSS公司的EZ―USBFX2芯片CY7C68013，該芯片集成了增強型805lMCU、串行接口引擎SIE、片上RAM、4K的FIF0存儲器、通用可編程接口GPIF及數據／地址總線，減少了多個芯片接口部分需要時序配合的麻煩，并節省電路板空間。CY7C68013的如下特性保證了其高速(480Mb／s)傳輸特性。
(1)芯片內有480Mb／s的收發器(PLL和智能SIE)，很好的執行了USB2．0協議，并將MCU解放出來，加快傳輸速率。
(2)具有“量子FIFO”的處理框架，并具有2、3、4倍增緩沖端點FIF0，解決了高速模式下帶寬問題，較好適應USB2．0數據高速傳輸速率。
(3)內嵌增強型8051內核可運行在48MHz的時鐘頻率下，每條指令只需4個時鐘周期，速度遠高于普通805 l單片機。
1．3 圖像采集電路及實現
圖像采集系統原理圖如圖3所示，系統以0V9620和EZ―USB FX2為核心， 在整個采集電路中，0V9620的作用是通過感光陣列將來自透鏡的光學圖像轉換為一一對應的數字信號DO~D9，同時為USB傳輸提供了可靠的同步時序控制脈沖；EZ―USB FX2的作用是高速傳輸數字信號到PC機，同時為0V9620提供5V電源。利用片上MCU模擬I2C總線對0V9620的分辨率、對比度、亮度和曝光時間等參數進行設置。
當采集設備連接到上位機上后，USB功能設備以高速的模式進行設備的識別并枚舉。下載固件，使EZ―USBFX2工作于同步S1ave FIFO模式，同步讀寫。
設計中將USB固件程序下載到EEPROM 24LC64中，上電后主芯片首先檢測I2C總線上的E2PROM，判斷如首字節是OxC2，則把固件程序從E2PROM中自動下載到自身的RAM中并執行，實現重枚舉。從而提高系統的便攜性能。