基于32位嵌入式系统SPCE3200数码相机的研究设计毕业论文.doc

第一章 绪 论1.1引 言数码相机，英文名“Digital Camera”，是一种利用光电传感器（CCD/CMOS SENSOR）把图像转换成电子数据的照片机1。数码相机，是现在通信、计算机产业、照相机产业高速发展的产物。随着电信、计算机的普及和家庭化，数码相机作为计算机的图像输入设备，不仅能采集静止图像，而且能采集视频图像和音频信号，便于计算机存储和处理，容易实现网络传输，其应用领域日益广泛。数码相机是以电子存储设备作为摄像记录载体，通过光学镜头在光圈和快门的控制下，实现在电子存储设备上的曝光，完成被摄影像的记录。数码相机是由镜头、CCD/CMOS光电传感器、ADC模数转换器、DSP数字信号处理器、内置存储器、LCD显示器、SD CARD可移动存储器以及相应的接口部分组成17。数码相机中只有镜头的作用与光学相机相同，它将光线会聚到感光器件上CCD/CMOS上。CCD/CMOS是半导体器件，它代替了光学相机中胶卷位置，它的功能是把光信号转变成电信号。这样，我们就得到了对应于拍摄景物的电子图像，但是它还不能马上被送去计算机处理，还需要按照计算机的要求进行从模拟信号到数字信号的转换，ADC器件用来执行这项工作。接下来DSP处理器对数字信号进行处理压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式。最后，图像文件被存储在内置存储器或可移动存储器中。然后通过LCD查看拍摄到的照片。本文应用凌阳公司开发生产的32位嵌入式系统SPCE3200为处理核心，进行数码相机的开发设计，并加入MP3或MP4播放器等当前流行的多媒体功能，使之具有更多娱乐性。利用凌阳公司生产的16位单片机加入了语音控制功能，使该数码相机更具有操作的灵活性。1.2智能声控数码相机的发展状况2现有传统相机市场为少数大厂家所占领，已经形成了很大的品牌效应，但很遗憾的是在此却很少看到中国自己的影子。而数码相机作为一个新型产品，市场前景十分诱人。因此成为国内厂家要和这些大的传统相机厂家分一杯羹的最后赌注。上到国家政策，下到一些小厂措施，都积极备战。当然那些大厂家也不甘示弱，也在做着努力。可以预见，对这块领土的争夺战将十分激烈。纵观商海浪潮神话永远有，但神话不是永久存在。市场有着太多不确定因素，充满着令神话覆灭的危机，但也不乏创造神话的机遇。面对这场充满看不见硝烟的中国数码相机保卫战，为企业服务的背后将有着更大更深远的历史意义想来让人激动和兴奋。 新款数码相机不断推出新的概念。一是它代表了一种全新的生活方式；二是数码相机本身就是一种区别于传统相机的新事物；三是数码相机有着其前瞻性、时尚性特点；四是它存在的基础就是最新的科技技术。 以此为出发点，我对传统相机和现有市场上的数码相机进行了调查研究。得出以下结论及相应设计取向： 121 总趋势 传统相机在光学上的技术优势，成像上的效果，数码相机在短时间还无法对其实现替代，特别是对于专业选手，更是不可能。因此数码相机在设计考虑时，目前应着重与非专业选手的需求。 122 造型上 传统相机造型是以机械美、科技美为主要诉求卖点，在这些方面已达到极至。美的很，也十分具有诱惑力。因此数码相机造型在现阶段设计上就应避开这些，在吸取其这方面优点的同时把重点放在时尚、前卫及人性化等方面，况且这些也是与时代特征科技以人为本、感性营销策略等相一致的。就像美国航空把诉求点放在高科技上，获得成功。而法国则把诉求点放在服务上，同样在世界上也不甘落后。也就是说任何一种“产品”要获得成功有一个明确的市场定位是必须的。 123 产品功能上 在产品功能设置上，传统相机以其高科技的完善支持，可谓功能全面，因此造成了其复杂复杂到令人望而生畏的境界。傻瓜相机的诞生就是一种弥补市场的措施，但现在有了更好的选择数码相机。这也就告诉我们，我们的数码相机设计应该是易操作和易使用的，能够抓住最大群体的非专业用户，其成功就不得了了。毕竟专业用户又有多少，况且他们似乎对数码相机还不屑一顾的。目前许多数码相机只具有照相相关功能，而缺少一些相关功能，比如说MP3，MP4播放器，还有声控1等功能。加入声控功能可以给用户增加了很多的方便，用户只需用声音控制数码相机，使用简单方便。124 技术上可以说，技术是今天我们这个社会最重要的基础之一了。目前市场上大部分数码相场对数码相机的核心器件都CCD传感器6，尽管像素很高，可达1000万以上，但是并没有太大的突破，如果想打破市场，只在提升数码相机其它的技术参数。比如说现在市场上绝大部分数码相机操作面板均采用传统的按钮模式，即然这样，我们为什么不用当前非常流行的触摸屏技术来取代按钮呢，这就一个技术上的突破，可以迅速占领市场。 总结以上种种，对数码相机设计的总体思路和大体方向是简洁、美观、亲和、时尚、前卫，同时是易操作的，易用和个性化的。 随着多媒体及电子技术的发展，早期的多媒体播放器无论是从功能还是速度成本等方面越发显得捉襟见肘，嵌入式实时操作系统的出现将开发人员从繁琐的任务调度中解放出来，从而使开发人员有更多的精力进行上层应用软件的开发。 本方案基于 eCos 嵌入式实时操作系统平台，采用凌阳科技的 32位 RISC 处理器 SPCE3200，结合大容量存储单元 SD 卡及 TFT 液晶屏，实现 SD 卡文件浏览，MP3 音频文件、SP4 视频文件以及 JPEG 图片的播放及显示。并提出了一种在消费类电子中使用嵌入式操作系统进行设计的低成本解决方案。1.3论文主要研究的内容 本文主要围绕着数码相机音视频系统展开全面的讨论和研究。本文的绪论部分，主要对课题的研究背景、当前数码相机的发展及关键技术进行了简要的介绍。介绍了整个数码相机的整体架构及系统组成，主要包括硬件平台结构。 集中介绍了数码相机中相关软件程序及驱动软件设计。介绍了系统的调试过程及试验的数据结果进行分析。对现有的数码相机系统进行了功能测试和性能评估并对本文所研究的系统进行展望。 第二章 语音识别系统的基本原理2.1语音信号的产生模型语音信号的产生模型讨论语音识别系统实现前3，将语音信号的产生模型作为独立模块拿出。作为语音信号处理的基础之一，预加重、线性预测、信号处理等概念都依赖于语音信号产生模型。周期脉冲发生器声门脉冲模型G（Z）随机噪声发生器声管模型V（Z）辐射模型R（Z）基音频率AVAFx(n)图2.1语音信号产生线形模型语音按其激励形式的不同可以分为浊音和清音,信号是一种典型的时变信号，然而如果把观察时间缩短到十毫秒至几十毫秒，则可以得到一系列近似稳定的信号。人的发音器官可以用若千段前后连接的声管进行模拟，这就是所谓的声管模型，音控控制系统的研究简单地说声管模型是指人从喉到嘴边这一段发音腔是用一序列截面积不同的均匀声管来模拟，根据声管的声学模型，利用物理知识，可以计算出这段声管模型与信号处理理论中的全极点模型相类似。因此，可以应用信号处理中已有的算法对语音信号进行处理。语音信号x(n)可以看作是激励信号激励一个线性系统而产生的输出。其中，语音中的浊音部分是由一连串的有规律的周期信号(此周期与浊音的基音周期吻合)来激励不同形状的声管模型而产生。为了使浊音的激励信号具有声门脉冲的实际波形，还需要使激励序列通过一个声门脉冲模型滤波器G(Z)。这个线性系统由声门脉冲模型、声道模型、辐射模型级联而成。系数AV的作用是调节浊音信号的幅度。系统传输函数为: （2.1）激励信号是一个周期性的脉冲串: ，那么浊音信号就是两者的卷积结果，即: (2.2)而清音信号是由白噪声序列激励一个线性系统而产生。这个线性系统仅由声道模型和辐射模型级联而成。系数 AF的 作用是调节清音信号的幅度。系统传输函数为: (2.3)激励信号u(n)假定为白噪声序列，于是有: (2.4)语音信号是一种典型非平稳信号，特性是随时间变化的。但是在5ms-50ms这样的短时内，其频谱和某些物理特征量可以看作是不变的，这就是语音信号处理短时平稳统计特性的基础。我们将语音信号分割为一些短段(分析帧)，这些短段就好像来自一个固定特性的持续音片断，对该短段进行处理就相当于对固定特性的持续音进行处理。通常帧间有一些叠接，使得帧与帧之间平滑过渡，保持语音信号的连续性。对每一帧的处理结果是一个数或是一组数，经过处理以后产生一个新的依赖于时间的序列，用于描述语音信号。2.2 语音信号的数字化和预处理3 语音信号的数字化包括采样、预滤波。语音信号预处理是负责语音特征参数提取前的准备工作，一般包括预加重、加窗和分帧等。2.2.1 语音采样计算机分析人的语音，需将话简传来的语音信号转换成计算机所能处理的数字信号。在PC机上，只需外接一个话筒就可以实现模拟语音信号采集成数字信号进入到计算机。根据Nyquist采样定理，信号的采样频率只需大于信号带宽两倍以上()即可保证信号的采集不会丢失信息。语音信号的音频范围在20Hz到20kHz之间，其中绝大部分能量是集中在5.7kHz以内，一般语音信号的采样频率为10kHz或16kHz，这样作对语音信号的清晰度有损害，但只是少数辅音损失，语音信号本身有较大的冗余度，少数辅音清晰度下降并不影响语音的理解。例如ITU 数字电话G.711协议，采样频率为8kHz，只利用了3.4kHz以内的语音信号3。2.2.2预滤波预滤波的目的有两个:高通滤波器抑制50Hz 电源噪声千扰；低通滤波器滤除语音信号中频率分量超过采样频率一半的部分，防止采样信号混叠。如果频率干扰(50 或60HZ)不严重干扰或另有抗干扰措施，则不必用带通滤波器而只用低通滤波器即可。低通滤波器的截止频率由语音信号带宽决定，用以滤除高于1/2采样频率的信号成分或噪声，并且希望其带内波动和带外衰减特性尽可能好。A/D转换后采用低通滤波器作为平滑滤波器，对重构的语音波形的高次谐波起平滑作用，以去除高次谐波失真。对于这种低通滤波器的特性和A/D转换频率，也要求与采样时具有相同的关系。2.2.2预加重语音信号经过采样和量化过程后，一般需要对语音信号进行预加重。由于语音信号的平均功率受声门激励和口鼻辐射的影响，所以高频端大约在8OOHz以上按6dB/倍频程跌落(这就意味着频率每增加一倍语音信号功率将减少为1/4，或信号幅度减小为1/16)，为此要在预处理中进行预加重。其目的就是提升高频部分，使信号的频谱变得平坦，便于进行频谱分析或声道参数的分析。预加重可以在A/D变换前，在防混叠滤波之前进行，这样不仅能够进行预加重，而且可以压缩信号的动态范围，有效地提高信噪比。预加重也可以在A/D变换之后进行，用具有6dB/倍频程提升高频特性的预加重数字滤波器实现。预加重滤波器一般是一阶的，形式如下: （2.5）式中 ， u为预加重系数，其值接近于1，典型的取值在0.49一0.79之间。预加重后的信号在分析处理之后，需要进行去加重处理，即加上一个6dB/倍频程下降的频率特性来还原成原来的特性。2.3 语音信号的时域分析语音信号的时域分析就是分析和提取语音的时域参数。语音信号的时域参数主要有短时平均能量和短时平均幅度、短时平均过零率、短时自相关函数和短时平均幅度差函数等。2.4.1短时能量和幅度4短时能量的主要意义在于给出了区分清音段和浊音段的基础，清音比浊音的幅度要小得多，清音段的能量值明显小于浊音段，因此能量函数可用来大致定浊音语音和清音语音的变化时刻.对于高信噪比的条件下，可以用能量来区分有无语音。由于其对高信号电平非常敏感(幅度的平方)，需要加重x(n)中抽样到抽样的变化，解决的方法就是平均幅度函数。短时能量E为: (2.6)平均幅度函数M为: (2.7)其中:x(m)为一帧语音信号w(m )为汉明窗序列，N为窗长。2.4.2短时平均过零率4离散时间信号的情况下，如果相邻的抽样具有不同的代数符号就称为发生了过零，产生过零的速率是信号频率量的一个简单度量。例如:一个频率为FO的正弦信号以凡速率抽样，正弦波的一周内就有F0/FS凡个抽样，每一周内有两次过零，所以过零的长时间平均率为: Z=2F0/FS (2.8)因此 ，平均过零率z是一个估计正弦频率的适当方法，在语音信号中，语音产生模型表明，由于声门波引起了谱的高频跌落，所以浊音语音能量约集中在3kHz以下，然而对于清音语音，多数能量确实出现在较高的频率上。高频意味着高的过零率，低频意味着低的过零率，合理的归纳是:过零率高，语音信号是清音;过零率低，语音信号就是浊音;同时，无声段的过零率变化范围较大，一般情况下比浊音低一点。2.4 语音模型的建立与识别5采用模式匹配法进行语音识别时，分成两个阶段:训练阶段、识别阶段，在训练阶段形成标准模板库;在识别阶段，将待识语音的特征矢量依此与标准模板库中每一个模板矢量进行相似度计算，将相似度最高者作为识别结果输出。但识别时不能简单地将输入参数和相应的参考模板直接作比较。因为语音的发音受多种因素的影响，即使同一个词组、同一个人发音，在不同的时间，两次发音，语音序列的长度也不会相等。这样把语音段内所有帧的MFCC系数以时间顺序叠加起来所构成的矩阵的尺寸是不定的，这给语音的相似性判断带来了很大的难度。采用什么方法可以有效地解决这个问题将是本节的重点内容。2.4.1语音模板训练方法训练过程是指为了使语音识别系统达到某种最佳状态，不断地调整系统模板的参数，使系统的性能不断向这种最佳状态逼近的过程。这是一个复杂的过程，要求计算机有强大的计算能力，并有很强的理论指导，才能保证得到良好的训练结果。常用的模板训练方法有以下几种4。偶然性训练法，当待识别词表不太大且系统为特定人设计时，可以采用简单的多模板训练方法，即每个单词的每一遍读音形成一个模板。在识别时，待识别语音特征矢量序列用特定的匹配算法分别求得与每个模板的累计失真，比如不正确的音联、错误的发音等。这种方法形成的模板鲁棒性不好，故而这种方法被称为偶然性训练法。鲁棒性训练法，鲁棒性训练法是一种串行训练法，将每一个词重复说多遍，直到得到一个一致性较好的特征矢量序列。最终得到的模板是在一致性较好的特征矢量序列。在沿DTW的路径上求平均的结果。其训练过程可描述如下：对于某个特定的词，令X1=X11，X12， ，X 1T1，为第一遍的特征矢量序列，X2=X21，X22， ，X 2T2，为另一遍的特征矢量序列，通过DTw算法计算这个模板的失真得分d(X1，X2)，如果d(X1，X2)小于某个门限(比如)，便可认为这两遍特征矢量序列一致性较好，通过求式X1，X2的时间弯折平均而得到一个新的模板Y=Y1，Y2YTY ，便可以得到鲁棒性训练的模板。具体求法如下:令TY为 DTW算法的最优路径长度，则通过回溯方法，最终得到最优路径序列。则新模板Y可通过下式求得: （2.9）每个词的模板由鲁棒性训练得到的模板表示，往往还显得不够充分，但如果识别的任务是针对特定人时，通过这种方法得到的模板还是比较可靠的。聚类识别法是对于非特定人语音识别，要想获得较高的识别率，就需要对多组训练数据进行聚类，以获得可靠的模板参数。它针对的是有时序关系的谱特征序列，而不是维数固定的模式。常用的是K均值算法(MKM)。2.4.2语音识别模板训练和建立5语音识别是一模板匹配过程，无论采用什么模型和算法，都需要语音模板库的建立，也就是语音模型的训练。模板的好坏直接决定识别率的高低，特别是对子非特定人的语音识别系统，需要大量的原始语音数据来训练语音参考模型，一个优秀的语音数据库应该平衡反映不同性别、年龄、口音说话人声音。直接将词汇表中所有词条提取的特征参数说一遍并存入模板，这种偶然性训练法形成的模板鲁棒性并不太好，对特定人识别时(A和D之间匹配)，结果出入很大。为了提高系统的识别率，可采用鲁棒训练方法，实际是沿DTW的路径上求平均的过程:对于某个特定词，重复说多遍，令X1=X11，X12， ，X 1T1，为第一遍特征矢量序列，X2=X21，X22， ，X 2T2，为另一遍的特征矢量序列，通过DTW算法计算这个模型的失真得分d(X1，X2)，若得分小于某个门限比如，便可认为这两遍的一致性较好，通过求戈凡的时间弯折就可得到一个新的鲁棒训练模板Y=Y1，Y2YTY ，依此类推，直到得到一个一致性较好的特征矢量序列。 第三章 智能声控数码相机的硬件系统设计研究3.1系统总体设计3.1.1系统设计方案选用凌阳32位嵌入式微处理器SPCE32006，因其具有丰富的硬件资源及多媒体特性，内嵌16位DAC；具有USB等标准硬件控制器接口；具有SD卡控制器、TFT型LCD控制器及TV控制器接口；同时还具有MPEG4编解码器、CMOS接口单元等资源；SPCE3200处理器多媒体性能强大，片上的资源更丰富。在更高的性能上，工作频率却更低。带来了更低系统功耗，更适合电池供电。使本系统大部分的功能由硬件完成，并且SPCE3200A各个基础功能模块的底层代码基本开发完成。使软件开发的工作量很大的降低。视频的A/D转换部分采用SAA7113与数字摄像头复用完成7。语音控制部分主要用凌阳SPCE061A板来实现语音采集。SPCE3200具备本设计所要求的基本硬件部分，并给出底层开发代码。使系统在功能上和稳定性能上都优于其他方案，模拟视频信号转数字信号采用SAA7113,该芯片的控制方式与输出视频格式基本相同，可以与数字摄像头复用同一端口。SPCE3200自带底层代码可提高软件设计的效率。该系统的组成框图如图3.1所示。凌阳SPCE3200TFT LCD触摸屏SD CARDCMOS摄像头耳机/扬声器MIC凌阳61语音控制模块图3.1数码相机系统组成框图3.1.2系统设计分析因本系统采用SPCE3200，利用其内嵌16位DAC，SD卡控制器或USB硬件控制器以及MPEG4编解码器完成对音频和视频文件的播放，通过I2C,TFT型 LCD以及OV7720数字摄像头完成数码相机的拍照部分。本设计主要用于完成MP3播放，MP4播放，AV端子输出，数字拍照，图片浏览，触摸屏控制功能等在SPCE3200小系统板上有相应的功能模块，开发相对简单7。根据对简易数码相机的设计，整个系统主要由凌阳SPCE3200平台、图像采集、图像/视频显示、音频输出、电源管理、SD驱动模块组成。系统可实现摄像头拍照、闪光灯补光、自动或手动浏览照片、播放MP3音乐、播放SP4格式视频、与SD卡通信等功能，通过触摸屏和键盘完成对数码相机的控制和操作。数码相机软件部分按照模块化程序设计，主函数通过调用子函数实现系统功能，主要完成TFT屏、MPEG4解码器、TV编码器、DAC、UFAT文件系统的初始化及SD卡挂载、中断使能等工作。等待接收命令并做处理。具体主程序工作流程如图3.2所示。开始系统初始化调用相应功能函数YN外部事件或控制信息图3.2主程序工作流程图3.2核心系统板设计在整个数码相机的设计中，核心系统板是一个非常重要的部件，它掌控着整个系统的资源和任务的调配。在本文中，我们选用台湾凌阳公司开发生产的SPCE3200精简开发板（以下简称开发板）。它是凌阳科技大学计划推出的一款全功能 32 位嵌入式学开发习系统，此系统采用凌阳自主设计的 S+core7 内核9，并且集成了 MPEG4 的硬件编解码、CMOS 传感器、TV 解码接口、TFT、SPIUARTI2CSPI 标准串口、USB、SD卡等多种外设接口，扩展方便，适用于 PDA，便携媒体播放器，监控器，机器人等设备的开发。此开发板操作方便、易学易用、功能强大，是32 位嵌入式开发的理想平台9。3.2.1核心系统板资源配置开发板基于 S+Core7架构 32 位处理器 SPCE3200，预留多个外围模块接口，操作方便，功能强大。开发板包括以下资源模块：电源模块，DC9V开关电源输入，DC1.8V/3.3V/5V多电压输出；核心模块，SPCE3200核心处理器、128Mbit SDRAM存储器、64Mbit NorFlash存储器、128Mbit NandFlash 存储器；多媒体模块，双通道立体声语音输出、标准 TV信号输出（MINI TV接口，包含:Video_OUT、Audio_L和 Audio_R）、TFT LCD（3.5 寸，320*240，65536 色）、CMOS 摄像头传感器接口、IIS 音频接口；人机交互模块：游戏手柄接口、触摸屏接口、4 个独立按键、4 个独立 LED ；通信模块， SPI接口、SIO接口、IIC 接口、UART 接口、USB1.1 接口（Host/Device）、以太网接口、GPRS接口；扩展存储，SD卡接口；其它模块，SJTAG接口、GPS接口。3.2.2 SPCE3200处理器的特性指标9开发板基于 S+Core架构32位处理器SPCE3200，该处理器最大的特色是具有较强的多媒体处理能力，其芯片详细特性如下：工作电压：I/O端口的 VDD为 3.0V 3.6V，CPU内核的 VDD 为 1.62V 1.98V；CPU工作频率：27 162 MHz；SDDRAM 最大容量可达 16M 字节、具有 32 位/16 位的 SDRAM 数据总线；支持隔行扫描/逐行扫描的 NTSC/PAL 视频输出，为 NTSC 制/PAL 制系统提供 27 MHz 晶振；图像分辨率：VGA模式为(640 x 480像素)、QVGA模式为(320 x 240 像素)，支持 65536色(RGB565格式)；可编程选择颜色模式：4/16/64/256/32768/65536；硬件方式的MPEG-4/JPEG编解码，MPEG-4 帧率(frame rate)，QVGA模式下 30 帧/秒；4 通道 APB DMA数据传输方式：APB 设备到 DRAM或 DRAM 到 APB 设备；硬件的DRAM DMA数据传输方式：由硬件执行的 DRAM-to-DRAM 的数据传输；双通道 16 位高速 DAC，确保立体声音质输出；内置 3 个可编程锁相环(PLL)电路，为系统提供各路时钟；具备实时时钟(RTC)；共6个16位CCP定时/计数器(具可编程自动重载功能)；提供 40 个中断源：分别为定时器、时基、外部输入以及键唤醒等，支持键唤醒功能；9 通道12位ADC，其中一路为 MIC专用 ADC；USB 功能：支持 USB1.1主机或 USB1.1 外设；UART 功能：具有通用异步接收机和发送；提供串行外围设备接口(SPI)：具主/从模式；内置 Watchdog 功能；提供 LCD接口：具 TFT 方式/CSTN方式；具备 Sunplus CMOS 影像传感器，可连接 Sunplus CMOS 传感器设备；支持 CCIR-601/656 CMOS影像传感器/TVE 控制接口；支持 SD卡和 NAND型 FLASH，用于海量数据存储。3.2.3 系统本核心模块核心模块包括 CPU最小系统，JTAG接口，Config 配置单元。 CPU 最小系统：包括核心处理器 SPCE3200（U4），128M bit 的 SRAM 存储器（U5，U6），64M bit的 Nor Flash 存储器（U7），128M bit的 Nand Flash 存储器（U8）如图3.3所示。 图3.3 SPCE3200精简开发板核心系统板直接采用了凌阳公司推出的精简开发板，以节省了硬件开发周期。3.3人机交互单元设计人机交互单元关系到数码相机与用户之间的信息传递，传统的人机交互单元是将输入信息和输出信息分开来作，也就是把操作按键和LCD显示分开来进行，这样一来就会占用数码相机的整体空间，输入的信息量也有限，这里我们采用TFT、 LCD触摸屏，这样就使输入信息与输出信息统一起来9。即节省了空间又增加了输入信息的信息量。触摸屏作为输入设备，所需的储存空间不大，移动部分少，便于封装，在使用时比键盘和鼠标更为直观。根据所用的介质以及工作原理，触摸屏可分为：电阻式、电容式、红外线式、声表面波式。本设计采用四线电阻式触摸屏，分为由触摸检测部件和触摸屏控制器两部分。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置；触摸屏控制器从触摸点检测装置上接收触摸信息，将它转换成触点坐标后送给CPU，如图3.4所示。 图3.4触摸屏ADC连接电路电阻式触摸屏在强化玻璃表面分别涂上两层OTI透明氧化金属导电层，如图3.4所示。两层OTI之间以细小的透明隔离点隔开。手指接触屏幕时，两层OTI导电层出现一个接触点，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，送触摸屏控制器，同时主芯检测电压及电流，计算出触摸的位置，反应速度1020ms。四路AD通道直接处理触摸屏输出的电压转化为数字信号，然后得到触点的位置10。图3.5 OTI透明氧化金属导电层构造TFT LCD是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display的缩写，即薄膜晶体管液晶显示器。在驱动方式上，TFT LCD与无源TN-LCD、STN-LCD 的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个像素上都设有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，大大提高了图像质量（尺寸、色彩），控制起来也比较容易。 TFT LCD主要由偏振片、滤色器基板、液晶、TFT基板、偏振片、背光源组成。一个TFT单元的结构如图 3.6所示，通过改变R、G、B信号线上的电压，可以控制LCD的透光，使每一个像素呈现不同的颜色。图3.6 TFT LCD单元结构按照时序，控制整屏的所有像素点就可以控制LCD显示。内置于 SPCE3200的 TFT LCD接口能够支持对多种输入格式的 TFT 型 LCD显示屏的控制，譬如DataEnable（DE）、Hsync/Vsync、16 位并行 RGB、8 位delta RGB 以及 CCIR601/656 等输入。LCD显示屏支持的分辨率为 320（水平像素） 240（垂直像素），并支持NTSC/PAL 显示格式。由于同步信号的位置及宽度都是可配置的，故可以满足各种规格的 TFT LCD屏的要求。 TFT LCD液晶模组采用TOPSUN公司的 3.5 寸数字式真彩色TS35ND5B模块作为显示设备，附带一款 4线电阻式触摸屏。支持RGB565 的数据格式，模组接口简单，应用方便。该模组的实物图如图 3.7所示：图3.7 TFT LCD液晶模组实物图TFT液晶模组和SPCE3200精简开发板的接口电路如图 3.6所示：图3.8 TFT与精简开发板的接口电路3.4图像采集单元设计数码相机，最特别的地方别便是没有胶卷8。而用可以重复使用的传感器作为取景端。所以一个品质完美的数码相机必然要配置高质量的取景传感器。而传统的数码相机无非也就是使用CCD，(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，和CMOS,(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金属氧化物半导体”。 CCD和CMOS的技术对比，从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下几个方面的不同：3.4.1 信息读取方式CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。3.4.2 速度CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。从以上两点的不同，我采用了CMOS摄像头。它的工作原理如图3.9所示。景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经A/D转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中处理并通过接口总线输出。CMOS传感器接口CSI与COMS传感器连接，并在内部COMS控制器的控制下接收COMS传感器发出的时钟和数据，并将影像数据传送到DRAM中。从而使TV、LCD或JPEG模块均可访问到该影像数据并且可以直接输出此数据进行显示，或将其与其他数据混合而产生显示数据。时钟信号光电二极管图像处理芯片数据输出镜头行同步信号场同步输出脉冲YUV/RGB原始数据图3.9 CMOS摄像头工作原理数码相机外设中有挂载在高性能AHB总线上的SCI I/F摄像头接口，支持CCIR-601/656 CMOS图像传感器。摄像头可以与SPCE3200平台可以直接连接在一起8。在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出10。本文采用凌阳科技推出的一款用于图像和视频采集的摄像头模组CSI摄像头。摄像头电路原理图如图3.10所示。图3.10 摄像头模组电路原理图3.4.3 CSI摄像头简介CSI 摄像头是凌阳科技推出的一款用于图像和视频采集的摄像头模组，它采用 30 万像素CMOS 传感芯片 OV7720为核心，可以采集并输出最大 VGA分辨率的图像或视频，可以直接与我们前面介绍的SPCE3200系列实验和开发设备相连接。该模组具有以下特性：在低光下具有高灵敏度；标准的串行接口控制总线 SCCB 接口。输出数据格式支持：Raw RGB、RGB（GRB 4:2:2，RGB565/555/444）和 YCbCr（4:2:2）；输出图像分辨率支持：VGA、QVGA 以及到 CIF（40x30）的任意大小；支持画中画模式、自动增益控制、自动曝光控制、自动白平衡控制、自动空白填充、自动背光补偿等；图像质量方面支持色彩饱和度、色调、边缘增强、抗白花等；内部数字图像处理可以实现消除噪点、瑕疵改正、镜头阴影修正、边缘增强水平自动控制、消噪水平自适应；具有帧同步能力。3.4.4 CSI主要参数CSI 模组的参数如下：1）、工作电压： VCC：3.0V3.3V；2）、图像阵列： 640480（VGA）；3）、功耗： 120mW（60fps VGA YUV）；4）、待机模式：20uA；5）、工作温度： -20+70 ；6）、输出格式： YUV/YcBcr 4:2:2 、RGB565/555/444 、GRB4:2:2 ；7）、镜头大小： 1/4 英寸；8）、最大图像转换速率：60fps（VGA）；9）、扫描模式：逐行扫描；10）、微校正：0.45 ；11）、像素大小：6.0um6.0um ；12）、混合模式噪音：小于 0.03%V_PEAK-TO-PEAK ；13）、图像区域： 3984um2952um；3.4.5 与核心系统板的联接CSI 模组带有一个 20 针的接口，该接口可以直接和 SPCE3200 系列或 SPCE1600 系列的实验设备的CSI 接口相连，该模组和 CSI 接口连接使用参考下面的步骤，如图3.11。图3.11 CSI摄像头与SPCE3200核心板联接示意图表3-1 CSI摄像头接口模组定义Pin No功能Pin No功能13.3V电源输入11复位212场同步信号输入3掉电模式选择输入13数据输出端口7：04GND145水平同步信号输出156垂直同步信号输出167串行总线数据端口178串行总线时钟端口189像素时钟输出1910系统时钟输入203.5 SD卡存储设计数码相机需要将摄像头成像之后的数字信号保存起来，这种保存装置我使用当前较为流行的SD卡，SD卡存储容量大，读取速度快，是当前主流的数码相机存储设备。安全数字（SD，Secure Digital）存储器卡实际是一种闪存（Flash）卡，专门为满足安全使用、大容量、高性能以及作为时尚音视频电子产品内部需要的存储配件而设计的。SD 存储卡的通讯通过一种新式 9 针串行接口实现，可工作在一个低电压范围内。SD卡使用的 9 针接口除去电源和地，包括以下信号线： 3.5.1 CLK从主机到 SD卡的时钟信号，用于实现同步串行通信和数据传输。3.5.2 CMD双向的命令/响应信号线。主机通过此线向 SD卡串行发送命令或通过此线串行接收 SD卡的响应.3.5.3 DAT0 DAT34 位双向数据总线。主机通过该总线向 SD卡写入数据或从 SD卡读取数据 ，SD 卡内部的存储区域是以扇区为单位管理的。在对存储区域的数据进行擦除、写和读操作时，必须以扇区为单位进行。通常 SD卡的每个扇区为 512 字节。 主机并不能直接读写 SD卡内部的数据，而是依靠命令控制 SD卡进行操作。所以，主机与 SD卡之间的通信分为命令比特流和数据比特流两种形式，使用起始位和结束位来标识一个完整的比特流.3.5.4 命令由主机通过 CMD线发送给 SD卡，用以告知 SD卡启动什么样的操作。3.5.5 响应在接到主机的命令后由 SD卡回送给主机的应答信息。SD卡在接到主机的命令后大多数情况下会返回应答信息给主机。响应数据也是通过 CMD线传输的。3.5.6 数据向 SD卡写入或从 SD卡读出的用户数据，通过 4 位宽度的数据总线传输在主机和 SD卡之间传输。主机与 SD卡之间最基本的通信是命令/响应传输。这种通信方式可以直接在主机与 SD卡之间传递信息。具体操作过程如图3.12所示。图3.12 命令/响应传输示意图而有些命令将会带有数据的传输，比如读/写扇区命令等。这些数据在SD卡接到命令之后开始通过 4 位宽度的数据总线传输。图 3.13所示的是主机读取SD卡内部的扇区数据的操作，图 3.14所示的是主机向SD卡写入扇区数据的操作。可以看到，在基本的命令/响应传输的基础上，配合 4 位宽度的数据总线附加进行数据流的传输。图3.13读扇区操作图3.14写扇区操作SPCE3200 内部的 SD 卡控制器可以通过编程控制完成以上所有四种基本通信功能，如图3.15所示。并能够提供通过DMA访问的高速传输性能，从而获得产品的最佳性价比。它具有如下特性：1）、完全兼容 SD存储卡的规格；2）、能够直接接收 SD命令，提高了兼容性；3）、可编程选择 SD总线的时钟速度；4）、提供在缓存区满状态下 SD总线的时钟控制；5）、提供中断配置； 6）、支持 DMA读/写操作；7）、支持 1 位 / 4位 SD工作模式；8）、支持对 SD I/O卡的中断检测。图3.15 SD卡控制器的结构SPCE3200 的SD卡接口与SPI和NAND型FLASH接口复用，使用时需要设置相关寄存器以便使其工作在SD接口模式。SD卡接口的引脚描述如表3-2所示。表3-2 SD卡接口引脚对应表引脚名称引脚号引脚属性引脚功能SD_CLK126OSD接口的CLK输出引脚SD_CMD125I/OSD接口的CMD引脚SD_D0117I/OSD接口的数据线的Bit0SD_D1116I/OSD接口的数据线的Bit1SD_D2115I/OSD接口的数据线的Bit2SD_D3112I/OSD接口的数据线的Bit33.6 电源网络设计电源网络的设计关系到整个数码相机工作的稳定性，更是使用者所关心的相机参数之一。数码相机的电源输入多为单节锂电池或两节镍氢电池，或2 至 3 节碱性(AA)电池11。单节锂电池的电压范围2.5V4.2V，两节镍氢电池的电压范围为1.8V 3.0V。输出包括为系统逻辑供电的3.3V，为CPU核供电1.8V或2.5V，以及其它各组输出电压。如果数码相机同时支持锂电池和镍氢电池，则输入电压范围为1.8V 4.2V，而输出2.5V和3.3V刚好介于输入1.8V4.2V之间。当输入端的电池电压高于3.3V时，需要以降压方式产生3.3V；当输入电池电压低于3.3V时，需要以升压方式产生3.3V。2.5V输出须采用相同架构14。 数码相机中所使用的电源如图3.16所示。图3.16数码相机中所要求的电源种类大部份的电源设计采取先升压、后降压的方案。这种计必须有两个PWM 控制器，一个为升压 PWM控制器、一个为降压 PWM控制器。SEPIC 转换架构与Buck & Boost 转换架构可解决此问题。 SEPIC转换器仅需一个PWM控制器和一个变压器（或两个独立电感），就可产生指定的电压输出。Buck & Boost 转换器也仅需要一个 PWM控制器和一个电感、两个MOSFET产生指定的电压输出。相对之下，SEPIC转换器的成本更低，而Buck & Boost 转换器占用的电路板空间较小。这两种电路结构普遍用于电池供电的便携式电子产品15。本节将对这两种线路架构进行分析。 理论分析：图3.17所示为SEPIC转换器架构，假设电容器（CP）、（COUT）已被充电。当功率开关（Q1）导通时，来自输入电压（VIN）的能量会储存在电感（L1）；同时电容器（CP）的储能会存储在电感（L2）；当二极管（D1）阳极电位小于输出电压（VO）时，二极管（D1）被反向偏置，由输出电容器（COUT）的存储电荷为负载提供输出电流。当功率开关（Q1）在截止状态时，电流会继续流过电感（L1）、（L2），不过此时电感会改变磁场；所以，其电压极性会反转过来，如此使二极管（D1）为正向偏压。并且使储存在电感器的能量为负载供电。 综上所述，在功率开关（Q1）导通时能量会储存在电感（L1）、（L2），而电感（L1）之电压为输入电压（VIN），电感（L2）电压与电容（CP）电压相反。功率开关（Q1）在截止状态时，会将电感（L1）的能量与输入电压（VIN）重迭，同时电感（L2）的能量会输出至负载上。此时加在电感（L1）的电压为（VCP+VOUT-VIN）；而加在电感（L2）的电压为（VL1+VIN-VCP），参照电感（L1）的电压表达式，则电感（L2）的电压亦为（VOUT）。图3.17 SEPIC转换器构架图3.18所示为 Buck & Boost 转换器架构。当功率开关（Q1）在导通状态，而功率开关（Q2）在截止状态时，此时功率开关（Q3）也会因为（Q1）的导通而促使（Q3）也呈现导通状态，则由输入电压（VIN）所得之能量会储存在电感（L）上；此时由于在二极管（D1）阳极之电位会小于输出电压（VO），所以，二极管（D1）被反向偏压。此时会由输出电容器（COUT）为负载提供电流。当功率开关（Q1）在截止状态、开关（Q2）在导通状态时，功率开关（Q3）也会因为（Q2）的导通而促使（Q3）呈现截止状态，电流会继续流过电感（L），不过此时电感会改变磁场；其电压极性将发生反转，使二极管（D1）为正向偏置。并且使得储存在电感器的能量产生输出电流至负载。 综上所述，功率开关（Q1）、（Q3）导通状态、（Q2）截止状态时，能量会储存在电感（L）上，而电感（L）上之电压则为输入电压（VIN）；至于功率开关（Q1）、（Q3）截止，（Q2）导通时，电感（L）储能输出至负载10。 图3.18 Buck & Boost 转换器架构根据以上两上构架分析，现采用如下应用电路,如图3.19所示。输入电压范围2.5V5V，预置3.3V 输出，此应用可参考SEPIC电路设计。图3.19为MAX669的SEPIC应用电路，输入电压2.5V7V，输出电压为3.3V，输出电流最大值为400mA。图3.19 MAX669的SEPIC应用电路由MAX669构成的SEPIC转换器仅仅需要一个PWM控制器和一个变压器（两个独立电感）即可产生指定电压。 Buck & Boost 的转换器线路架构仅需要一个PWM控制器和一个电感、两个 MOSFET，产生指定电压16。相比之下，SEPIC转换器成本较低，而 Buck & Boost转换器占用的电路板空间较小。第四章 智能数码相机的软件设计4.1系统总体软件流程完成要求的关键在于SPCE3200嵌入式开发系统程序的编写。本系统软件设计是在 eCos 操作系统下基于 SPCE3200 实验平台实现的。在 eCos 操作系统实现 SD文件的读写、JPEG以及 MPEG4 编解码等。 eCos 是一种嵌入式可配置实时操作系统，适合于深度嵌入式应用，主要应用对象包括消费电子、电讯、车载设备、手持设备以及其他一些低成本和便携式应用8。eCos 是一种开放源代码软件，无任何版权费用。eCos 具有很强的可配置能力，而且它的的代码量很小，通常为几十到几百 KB。它的最小配置形式是它的硬件抽象层 HAL 所提供的引导程序 RedBoot，可以支持很大范围内许多不同的处理器和平台10。它的最大配置形式是一个完整的实时操作系统，所提供的服务和支持能与大多数商用实时操作系统相媲美。eCos 为开发人员提供了一个能涵盖大范围内各种不同嵌入式产品的公共软件基础结构，使得嵌入式软件开发人员可以集中精力去开发更好的嵌入式产品，而不是停留在对实时操作系统的开发、维护和配置上。 4.1.1 eCos的功能和特性 eCos 是一种适合于深度嵌入式应用可配置实时操作系统，它能满足嵌入式 Linux 难以满足的对嵌入式空间的需求，Linux 目前内核最小约为 500KB，占 1.5M 内存，而 eCos 只占几十到几百 KB。而 eCos 使用了多任务抢占机制，具有最小的