基于ARM9的CMOS图像采集系统设计.doc

1、 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 - I - 摘 要 在当今，电子设备的功能不断强大，传统的图像采集的方式主要限制于拍照，而这也越来越不能满足人们要求，基于嵌入式的实时图像采集的方法因为其实时性，便携性，以及网络传输性受到广大用户的好评和欢迎，成为近年来的技术热点，不断受到人们的重视。今天的 ARM 系列芯片价格相低廉，功能强大，其性价比的绝对优势使在以 ARM9微处理器为核心的系统平台上实现图像采集系统的设计已经成为可能 本文从实际应用出发，采用 32 位 ARM9 微处理器 S3C2440A 作为 CPU 来控制其他功能模

2、块，设计了基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统，主要功能模块有 CPU 模块、存储模块、以太网传输模块、图像传感器模块等 ,实现了图像的采集功能以及对数据的网络传输进行了设计。与传统的“图像采集卡 -PC-终端控制设备”模式的机器视觉系统相比，具有体积小、成本低、功耗低、实时性强、设计灵活等优点。 关键词： CMOS；图像采集； S3C2440；以太网传输 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 - II - Abstract Nowadays, the functions of the Electronic equipments are growing more and mo

3、re powerful. The traditional way of images collection is only limited to taking pictures. And this cannot meet more and more peoples requirements. The CMOS Image Data Collection System Based on ARM because of features of real-time, portability, and network transmission attracts the users praise and

4、welcome, and become a recent hot technology, gaining much more attentions of people. With the chips prices of ARM is becoming lower and lower and the functions of ARM is becoming more and more powerful. The advantages of ratio make the use of ARM9 microprocessor as the core system platform to realiz

5、e image acquisition system design come true. This article from the actual application perspective, use the 32 bit ARM9 microprocessor S3C2440A as CPU to control other function modules and design The CMOS Image Data Collection System Based on ARM. The main function module is the CPU module, memory mo

6、dule, Ethernet transmission module, image sensor module and so on. Realize image acquisition function. And compare the traditional “image acquisition card-PC-terminal control equipment“ model of machine system; it has advantages of small size, low cost, low power consumption, strong real-time proper

7、ty, flexible design, etc. Key Words： CMOS; Image Collection; S3C2440A; Ethernet Transition; 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 - III - 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 2 课题研究的背景及意义 . 2 2.1 课题研究的背景 . 2 2.2 课题研究的意义 . 3 3 系统总体设计方案 . 4 3.1 系统硬件方案设计 . 4 3.2 系统软件方案设计 . 5 4 系统硬件电路设计 . 7 4.1 最小系统设计 . 7 4.1.1 处理器单元

8、. 7 4.1.2 存储器系统设计 . 10 4.1.3 电源电路设计 . 13 4.2 图像采集模块设计 . 14 4.2.1 图像传感器选择 . 14 4.2.2 图像传感器电路设计 . 15 4.3 液晶显示模块设计 . 17 4.3.1 液晶模块选择 . 17 4.3.2 液晶模块电路设计 . 17 4.4 以太网传输模块设计 . 18 4.4.1 传输模块选择 . 18 4.4.2 传输模块电路设计 . 18 5 嵌入式程序设计 . 20 5.1 图像采集程序设计 . 20 5.1.1 图像传感器功能设置程序设计 . 20 5.1.2 图像采集程序设计 . 24 5.1.3 液晶显示

9、程序设计 . 26 5.2 网络传输程序设计 . 29 5.2.1 网络接口层程序设计 . 31 5.2.2 网络 层程序设计 . 33 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 - IV - 5.2.3 传输层程序设计 . 36 总 结 . 38 参 考 文 献 . 40 附录 主函数及应用程序部分代码 . 41 致 谢 . 53 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 1 1 绪论 根据有关科研机构的调查，人类信息的在传递时主要靠的媒介是图像和语言。在人们所获得的信息中，视觉的信息占据了 60%，听觉的信息占据了 20%，其他的例如味觉，触觉加起来占据了 20%。因此，图

10、像是我们在传递信息的所用到的重要媒体和手段。 图像采集系统 是一种 对现实中图像进行采集的系统，采集的图像主要涉及到人们生活，学习等各个方面，不仅如此在农业，制造业，电子加工业都有着广泛的应用。系统实现的主要的功能是对图 像进行实时的采集，存储，显示以及传输。人们利用这种系统能够记录下现实中的图像，对图像进行存储便于以后的分析和使用，并且能够传输图像到网上使人们能够在网上分享大家采集来的图像，以及将图像传输给相关的机构进行分析和调研。 最近几十年的快速发展使嵌入式对图像的采集提供了强有力的技术支持， 32 位嵌入式 RISC 微处理器一直在嵌入式领域占据了领头羊的位置。据统计， ARM 系列的

11、微处理器几乎已经深入到人们社会生活的各个领域。基于 ARM 核所研发的的微控制器等一系列芯片不但占据了高端微控制器的市场的相当大的份额，同时也利 用 ARM 微控制器的自身优势在逐渐向低端微控制器相关应用领域扩展， ARM 微控制器的优点在于其低功耗和高性价比，并且利用自身的优势向传统的 8 位 /16 位微控制器提出了巨大的挑战。目前已经有 85%的无线通信设备采用了 ARM 微处理器以及相关的技术，随着不断的发展 ARM 以其高的性价比的优势，在该领域的地位也正日益巩固。随着宽带技术的加强，采用 ARM技术的 ADSL 芯片正在逐步获得与同类产品的竞争优势。 此外， ARM 向着高速，高分

12、辨率等方向不断发展使其在语音以及视频处理方面也得到了优化，使其对 DSP 的传统优势作出了严峻的挑 战。 ARM 科技在当下通用的数字机顶盒、数字语音播放器和游戏机中得到普遍的推广。不仅如此在数码相机和打印机中有相当大的比例也都使用了 ARM 科技。手机中的 32 位 SIM 卡也使用了 ARM 技术。可以看到，ARM 处理器正在逐渐代替传统的 8/16 位微处理器。未来的 ARM 处理器，将占据相关领域的主要市场。 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 2 2 课题研究的背景及意义 2.1 课题研究的背景 从上个世纪 70 年代一直到现在我们所熟悉的单片机始终在 8 位机的档次上

13、徘徊，由 8 位的单片机作为主要处理器的设计模式始终引领着应用的潮流。当然在一段时期里16位单片机也曾掀起 过波浪但是不久也销声匿迹了。科技的发展使人们的需求也日益增长，人们对单片机功耗的高低，速度的快慢、存储能力的大小、通信能力的强弱、功能的多样性、开发设计的方便程度等不断提出更高、更加严格的要求 ,而随着 ARM 系列处理器的开发与设计，不仅弥补了 8/16 位处理器的不足而且还提供了 8/16 位处理器所没用的优势，并由此引领了新的应用的高潮的到来，不得不说 ARM 系列微处理器是近些年来发展十分快速的一种微处理器 1。 便携式电子消费品以及智能设备是 ARM 系列 32 位处理器的一个

14、非常重要的应用场所。 ARM 微处理器的出现以及 发展加快了嵌入式产品由原来的军事、工控领域向民用、消费领域的渗透。以 MP4、 MP5、机顶盒、掌上电脑等产品为代表，便携式电子消费产品已经正式走入了普通人民群众的生活和学习。不仅如此许多智能手机终端都是以 ARM9或更高端的 ARM 芯片为核心处理器而设计的，装入 uc/os、 linux、 WCE 等嵌入式操作系统然后再配以相关的应用程序，从而实现了优雅的图形界面和各种独特的智能功能。 在当今，电子设备的功能不断强大，传统的图像采集的方式主要限制于拍照，而这也越来越不能满足人们要求，基于嵌入式的实时图像采集的方法因为其实 时性，便携性，以及

15、网络传输性受到广大用户的好评和欢迎，成为近年来的技术热点，不断受到人们的重视。今天的 ARM 系列芯片价格相低廉，功能强大，其性价比的绝对优势使在以 ARM9微处理器为核心的系统平台上实现图像采集系统的设计已经成为可能。 图像采集系统的的前提是需要合理的选择一个性价比高的图像采集芯片。一个好的图像采集芯片会对图像采集系统后续的存储和传输提供便捷，特别是对图像后续的传输功能的实现有着不可比拟的优势。 当今主流的图像传感器主要可以分为两类： CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件 ） 图像传感器以及 COMS(Complementary Metal Oxide Semic

16、onductor 补充金属氧化物半导体 )图像传感器。 CCD 一般输出带制式的模拟信号，需要经过视频解码器得到数字信号才能传入微处理器中，而 CMOS 图像传感器直接输出数字信号，可以直接与微处理器进行连接 2。不同的 CMOS 图像传感器有不同的性能，主要表现在图像分辨率大小不同、帧速率不同、曝光方式不同等， CMOS 图像传感器可直接通过 I2C 来设置图像分辨率大小及曝光、增益等参数，而 CCD 图像传感器则需要对视频解码器进行设置来 控制图基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 3 像的曝光、增益等参数信息。相对于 CCD 图像传感器， CMOS 图像传感器具有低功耗、小体

17、积、高速数据传输和方便控制等优点，因此， CMOS 图像传感器更适用于嵌入式系统应用中。 2.2 课题研究的意义 众所周知，从上世纪四十年代开始数字计算机的在各个国家各个领域都得到了非常迅猛的发展，随之而来的图像采集系统技术也开始萌芽发展。到了 20 世纪五十年代中后期，传统的拍照类图像采集方式逐渐向更高级别的实时图像采集系统方面发展，随着嵌入式技术的不断发展采集的设备和仪器不断地趋于便携与智能，功能也不断地提高和加强。截至 目前，国内的图像采集系统技术已经得到了很大的发展，工业图像采集系统的功能不断加强，并且已经具有了一定的实时性和便携性，据统计具有便携性以及实时性图像采集功能的装置已经广泛

18、普及了市场，市场占有率大约达到了 80%。目前，图像采集系统类产品的市场已具有一定的规模，但随着社会以及科技的发展，人民生活水平的提高，更得益于嵌入式技术的快速发展，智能设备的不断更新及销量的大幅上升，因此功能更加全面的图像采集系统，其销售潜力还有巨大的空间。同时由于各大技术厂商之间的竞争越来激烈，因此图像采集系统的技术越来越受重视。 完整的 数字图像处理系统大体上包括了对图像信息的采集、存储、传送、处理、输出、显示等几个方面。而作为实现图像处理系统的基础，图像数据采集在整个图像书记处理系统中都具有重要的意义。本文设计的图像采集系统的核心处理器采用的是三星ARM9 处理器 S3C2440A，本

19、文详细的讲述了该系统的各个方面的设计包括硬件的设计以及图像传感器的选择与驱动实现的方法和步骤。本文的思路和理念对嵌入式图像采集、处理系统的设计有一定的实际意义和参考价值。 此外，在本设计的基础上我们合理的配上一些应用软件，便可以较快的在摄像采集，监视控制，安全防 卫，识别鉴定等各个领域得到相应的应用，具有广泛的应用前景。基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 4 3 系统总体设计方案 3.1 系统硬件方案设计 本文设计的方案是致力于实现图像的采集显示以及利用网络对图像数据进行传输，目前基于嵌入式的图像采集系统的方案主要有以下几种： 1)图像传感器 +FPGA+DSP 2)USB 摄像

20、头 +ARM 3)图像传感器 +FPGA+ARM(无 Camera 接口 ) 4)图像传感器 +ARM(有 Camera 接口 ) 方案 l的图像处理速度快，但是由于缺乏扩展接口和功能单一，无法完 成较复杂的应用。方案 2 比较容易实现，但是整个系统体积比较大，稳定性和移动性 都较差；方案 3 的应用比较普遍，但是使用 FPGA 器件进行时序控制和数据读取，增加了实现的复杂程度，也降低了平台的集成度。方案 4 的集成度最高，通过 ARM 直接控制图像传感器增加了系统的可靠性和稳定性，同时提供丰富的扩展接口和外围设备，可以满足更高级的应用。因此具有 Camera 接口的 ARM9 处理器以其较高

21、的性价比，较低的功耗，较高的数据处理速度和丰富的扩展接口成为图像采集系统 CPU 的首选 3。 根据以上的分析设计系统由五个模块组成：处理器 模块，存储模块，图像传感器模块，液晶显示模块，以太网传输模块。系统总体设计方案如图 3.1 所示。 S 3 C 2 4 4 0S D R A M以 太 网 P C 机N A N D F L A S HC M O S 图 像 传 感 器液 晶 显示图 3.1 系统总体设计方案 基于 ARM9 的 CMOS 图像采集系统的设计 5 (1) CPU模块由 S3C2440A微处理器组成。控制系统负责整个系统的运行控制，包括发送相关的命令字给采集系统、接收传回的图

22、像数据以及把图像数据传给液晶屏显示和以太网传输系统。另外，还包括对意外异常的处理、采样参数的设定、以太网参数的设定、液晶显示器相关参数的设定、存储模块参数的设定等。 (2)存储器模块主要 NAND FLASH 和 SDRAM 两部分组成。其中 NAND FLASH 选用的是256M 的 K9F2G08U0B 芯片， SDRAM 选用的是两片 64M 的 MT48LC16M16A2-75D 芯片。由于考虑到本设计的图像采集系统不需要将 FLASH 的数据经常的读取，以及成本和尺寸的要求，所以采用的是 NAND FALSH 作为程序和数据的存储空间，为了能够充分的使用 32 位CPU处理器的数据的

23、处理能力系统采用两个 SDRAM级联成 32位存储系统作为程序的运行空间。 (3)图像传感器 模块主要由 CMOS图像传感芯片 OV9650组成。图像传感器模块主 要是负责对图像信息的采集，为后面的图像显示与传输提供提供原始的数据。有图像传感器采集的图像数据经过核心处理器的处理 ，然后在液晶屏上进行显示，在存储器单元中进行存储 ，并将其能够通过以太网向 PC机上进行传输。 (4)以太网模块是以太网传输芯片 DM9000以及外围电路组成以太网传输模块实现的主要功能是将采集到的图像通过以太网向上位机也就是 PC机终端进行传输，以便进行后续处理和研究工作。 3.2 系统软件方案设计 1）软件设计平台的选择 目前基于 ARM 平台的软件一般可以分为两种：一种是基于嵌入式系统的软件设计 ；一种是基于裸机开发的软件设计。选择哪一种平台的软件设计主要是基于设计实际情况的需要。 基于嵌入系统的软件方案设计的优势有： 对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 缺点有： 系统运行的效率相对较低，稳定性较差，设计的方案较为复杂导致遇到程序的修改相对的复杂。 通用性不好，代码可移植性也受限，门槛较高。