基于影像傳感器MT9M111的視頻采集系統

cmos是圖像采集系統普遍存在圖像質量問題，如果沒有對圖像進行專門的處理，則圖像質量難以保障。

近些年來，隨著soc技術的快速發展，在圖像采集和處理領域，出現了soc影像傳感器，它集成cmos傳感器和圖形處理器功能，可以得到令人非常滿意的圖像質量。本文設計的視頻采集系統采用了soc成像芯片mt9m111和usb2.0接口芯片cy7c68013。

系統結構

本系統的原理框圖如圖1所示，當圖像傳感器開始工作后，先將采集到的數據通過fpga控制邏輯存儲到sram1中，一幀圖像的采集/存儲過程結束后sram1進入寫結束狀態，此時切換sram，sram2繼續存儲采集到的數據，同時，sram1處于可讀狀態，由fpga里的控制邏輯控制，將sram1中的數據傳輸到usb芯片，然后傳輸到主機，本系統采用雙sram結構和乒乓機制，兩片存儲器交替工作，使圖象的采集和傳輸并行進行，雙幀存結構不僅提高了系統的速度，而且，由于在fpga里實現各種圖像處理的算法大都需要比較大的存儲空間，所以兩個大容量sram在實現算法時可以充當外部緩存。

mt9m111

本系統采用美光公司推出的集成cmos傳感器和圖形處理器的soc產品mt9m111。mt9m111是低功耗、低成本漸進掃描cmos圖像傳感器；130萬像素分辨率（1280h×1024v）；1/3英寸光學格式；全分辨率15fps的功耗為170mw，vga分辨率30fps的功耗為90mw，mt9m111采用低漏電dram工藝，配備了美光的digitalclraity專利技術，即使在最差的光照條件下也能提供清晰明亮的彩色圖像。mt9m111具有該低的暗電流，并降低了色度/亮度干擾和瞬間噪聲。mt9m111的嵌入可編程圖像流處理器提供的功能包括色彩恢復和修補、自動曝光、白平衡、鏡頭陰影修正、增加清晰度、可編程灰度修正、黑暗電平失調修正、閃爍避免、連續調整濾波尺寸、平滑的數字變焦、快速自動曝光模式和不工作時缺陷修正等。而且，還配備了兩線串行接口，usb芯片可以通這兩線串口對其進行配置。

is61wv20488

與圖像處理有關的sram參數主要是sram的讀寫速度和容量。在容量方面，本系統采集圖像的最大分辨率為1280×1024，數據寬度為8位，2m×8bit的sram可以滿足存放一幀圖像數據的要求，sram的讀寫速度一般為12ns、15ns、20ns或者更慢，由于sram的讀寫速度直接影響整個圖像處理系統的時鐘，所以scam的讀寫速度越快越好。本系統用issi公司的is61wv20488，芯片容量為2m×8bit。

cy7c68013

圖像數據傳輸部分采用cypress公司推出的專門用于usb2.0的接口芯片cy7c68013。該芯片包括帶815kb片上ram的增強性8051處理器（與標準8051系列兼容，速度提高3－5倍），4kb fifo存儲器和通用可編程接口i2c總線、串行接口引擎（sie）以及usb2.0收發器。

系統軟/硬件設計

系統軟/硬件設計由3部分構成：圖像采集/存儲模塊、圖像傳輸模塊和usb驅動/主機應用程序模塊。

圖像采集/存儲模塊

該模塊主要由fpga的控制邏輯將成像芯片mt9m111采集到的圖像數據實時地傳送到sram中，在系統中采用雙幀存結構，每個由一片is61wv20488 sram構成，能夠存放一幀1280×1024分辨率的圖像數據。由于采用了乒乓機制，兩片存儲器之間交替工作，從而使圖像的采集和傳輸并行進行，為確保在任何時刻只有一片sram可以讀取采集到的圖像數據，設置了一個讀互斥鎖，同樣，只有一個sram可接收采集到的圖像數據，因此，又設置了一個寫互斥鎖，需要注意的是，由于圖像傳感器的圖像數據輸出速度要比usb2.0傳輸速度慢，所以，當讀完sram2的數據以后，需要等待另一片sram1完成寫圖像數據后，才可以向sram2寫入下一幀圖像數據，而sram1無需等待便可以直接進行讀取圖像數據的工作，如此循環往復，實現了并行工作，有效地提高了系統的工作效率。

圖2為系統控制電路的原理框圖，fpga內部各個模塊均采用verilog hdl編寫。

圖像傳輸模塊

采集完一幀圖像后，要經過usb時鐘信號控制模塊將外部ram中的圖像數據讀入到主機，在本圖像采集系統中，使用cy7c68013的slave fifo異步工作方式，把fifo配置成和ep2端口相連、每個數據包1024字節，4緩沖的方式，塊傳輸模式，這樣的設置可以滿足系統要求，同時也有效地利用了內部的4kb fifo來傳輸采集到的圖像數據，系統控制使用了falgb信號引腳，用來報告“fifo滿”的狀態，默認為低電平有效。本文采用的是自動輸入方式，當fifo中的數據滿一定量時，ez－usb－fx2就直接通過fifo把數據傳送到usb收發器，而不經過cpu的干預，這樣就提高了傳輸速度，本系統當fifo滿1kb時開始自動發送。

usb驅動和主機應用程序模塊

usb設備驅動程序的開發是usb系統開發的難點，尤其是在本系統傳輸數據量大且速度要求高的情況下，就要編寫出高效的usb設備驅動程序，才能保證高分辨率圖像的實時傳輸，本系統采用ddk來開發wdm驅動程序。實際上，usb客戶驅動程序中包含大量的例程，對開發驅動程序有很大的幫助。

主機應用程序的主要功能是通過usb接口讀取圖像數據并實時顯示動態圖像，為提高主機應用程序的效率，可以使用雙線程。

結語

本系統采用具有130萬像素的影像傳感器mt9m111，保證了圖像質量，采用usb2.0接口芯片cy7c68013保證了圖像的實時傳輸，且設計靈活，為實現各種圖像處理算法提供了軟/硬件支持。