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IIABSTRACTNOWADAYS,THEFUNCTIONSOFTHEELECTRONICEQUIPMENTSAREGROWINGMOREANDMOREPOWERFULTHETRADITIONALWAYOFIMAGESCOLLECTIONISONLYLIMITEDTOTAKINGPICTURESANDTHISCANNOTMEETMOREANDMOREPEOPLESREQUIREMENTSTHECMOSIMAGEDATACOLLECTIONSYSTEMBASEDONARMBECAUSEOFFEATURESOFREALTIME,PORTABILITY,ANDNETWORKTRANSMISSIONATTRACTSTHEUSERSPRAISEANDWELCOME,ANDBECOMEARECENTHOTTECHNOLOGY,GAININGMUCHMOREATTENTIONSOFPEOPLEWITHTHECHIPSPRICESOFARMISBECOMINGLOWERANDLOWERANDTHEFUNCTIONSOFARMISBECOMINGMOREANDMOREPOWERFULTHEADVANTAGESOFRATIOMAKETHEUSEOFARM9MICROPROCESSORASTHECORESYSTEMPLATFORMTOREALIZEIMAGEACQUISITIONSYSTEMDESIGNCOMETRUETHISARTICLEFROMTHEACTUALAPPLICATIONPERSPECTIVE,USETHE32BITARM9MICROPROCESSORS3C2440AASCPUTOCONTROLOTHERFUNCTIONMODULESANDDESIGNTHECMOSIMAGEDATACOLLECTIONSYSTEMBASEDONARMTHEMAINFUNCTIONMODULEISTHECPUMODULE,MEMORYMODULE,ETHERNETTRANSMISSIONMODULE,IMAGESENSORMODULEANDSOONREALIZEIMAGEACQUISITIONFUNCTIONANDCOMPARETHETRADITIONAL“IMAGEACQUISITIONCARDPCTERMINALCONTROLEQUIPMENT“MODELOFMACHINESYSTEMITHASADVANTAGESOFSMALLSIZE,LOWCOST,LOWPOWERCONSUMPTION,STRONGREALTIMEPROPERTY,FLEXIBLEDESIGN,ETCKEYWORDSCMOSIMAGECOLLECTIONS3C2440AETHERNETTRANSITION基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计III目录摘要IABSTRACTII1绪论12课题研究的背景及意义221课题研究的背景222课题研究的意义33系统总体设计方案431系统硬件方案设计432系统软件方案设计54系统硬件电路设计741最小系统设计7411处理器单元7412存储器系统设计10413电源电路设计1342图像采集模块设计14421图像传感器选择14422图像传感器电路设计1543液晶显示模块设计17431液晶模块选择17432液晶模块电路设计1744以太网传输模块设计18441传输模块选择18442传输模块电路设计185嵌入式程序设计2051图像采集程序设计20511图像传感器功能设置程序设计20512图像采集程序设计24513液晶显示程序设计2652网络传输程序设计29521网络接口层程序设计31522网络层程序设计33基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计IV523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11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22课题研究的背景及意义21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CCDCHARGECOUPLEDDEVICE,电荷耦合器件）图像传感器以及COMSCOMPLEMENTARYMETALOXIDESEMICONDUCTOR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来设置基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计3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。22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43系统总体设计方案31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FPGADSP2USB摄像头ARM3图像传感器FPGAARM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31所示。S3C2440SDRAM以太网PC机NANDFLASHCMOS图像传感器液晶显示图31系统总体设计方案基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计51CPU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NANDFLASH和SDRAM两部分组成。其中NANDFLASH选用的是256M的K9F2G08U0B芯片，SDRAM选用的是两片64M的MT48LC16M16A275D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NANDFALSH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。32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。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计6基于裸机开发的软件设计方案的优势有专用性好，可以按照需求充分的发挥硬件性能，程序的利用效率高。运行程序的稳定性较强，对程序的修改检测相对容易，在好的网络环境之中能够得到更好的效果。缺点有代码可移植性不好，基于裸机的开发，代码都是硬件相关的，开发费时费力，成本高。由于本设计是在外部的环境相对的稳定的情况下进行的，对系统的界面没有较高的要求，为了提高系统的稳定性，以及效率，降低系统的功耗，降低开发的复杂性，选择了基于裸机的软件设计。2）网络传输协议的选择目前网络的数据传输有两种主要的传输协议TCP/IP协议和UDP协议，其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输，它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。但是在网络环境相对较好，对数据传输的速度要求相对相对较高的情况下，UDP具有TCP所望尘莫及的速度优势。虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销，无疑使速度受到严重的影响。而UDP由于排除了信息可靠传递机制，将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。由于本设计的应用场合主要是在网络环境相对较好的实验室，办公楼，销售中心等，而这些地方对图像传输的速度要求较高，基于这种考虑本设计在数据网络传输上决定应用UDP协议进行图像数据的传输。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计74系统硬件电路设计41最小系统设计411处理器单元1）处理器选择ARM既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名称。1991年ARM公司成立于英国剑桥，是一家专门从事基于RISC技术芯片设计开发的知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产。全球各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场4。ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，它支持ARM32位/THUMB16位双指令集，大量使用寄存器完成数据操作，指令执行速度更快，支持各种实时操作系统。ARM微处理器包括以下几个系列ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARML0E系列，XSCALE系列和STRONGARM系列等。其中，ARM9系列微处理器具有高性能和低功耗的优势，主要应用于仪器仪表、安全系统、无线设备、数码相机、高端打印机等领域。通过对系统的体积、集成度、功耗、性价比等因素的综合考虑，最终选取了SAMSUNG公司的ARM9处理器S3C2440作为本系统的CPU。S3C2440处理器为整个系统的处理控制的核心，负责整个系统协调以及运行，S3C2440的主要任务有负责与图像采集模块的通信以及采集图像、与显示系统通信将图像显示在液晶屏上，与以太网传输模块进行通信，使采集到的图像数据能够传给PC终端保存。2）处理器原理1存储控制单元S3C2440A具有强大的存储控制单元，为用户扩展外部存储器提供存储访问控制功能。S3C2440A重启后的存储空间映射如图图41所示5。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计8NOTUSINGNANDFLASHFORBOOTROMUSINGNANDFLASHFORBOOTROMOM1001,10OM1000BOOTINTERNALSRAM4KBSROM/SDRAMNGCS7SROM/SDRAMNGCS6SROMNGCS5SROMNGCS4SROMNGCS3SROMNGCS2SROMNGCS1SROMNGCS0SROM/SDRAMNGCS7SROM/SDRAMNGCS6SROMNGCS5SROMNGCS4SROMNGCS3SROMNGCS2SROMNGCS1BOOTINTERNALSRAM4KB0X0000_00000X0800_00000X1000_00000X1800_00000X2000_00000X2800_00000X3000_00000X3800_00000X4000_0000128MB128MB128MB128MB128MB128MB2MB/4MB/8MB/16MB/32MB/64MB/128MB2MB/4MB/8MB/16MB/32MB/64MB/128MB1GBHADDR290ACCESSIBLEFEGION图41S3C2440存储空间映射如上图所示，S3C2440A内部寻址空间为1GB，分为8个不同的固定区域，称为BANK，每个BANK大小为128MB。其中BANK0至BANK5供ROM、SRAM使用，BANK6、BANK7供ROM、SRAM和SDRAM使用。每个BANK对应一个NGCS片选信号，可通过使能NGCS信号以决定哪个BANK被访问。本系统的内存使用SDRAM，选择地址从0X30000000开始的128MB空间即BANK6作为内存的寻址空间，CPU的片选信号NGCS6与SDRAM的片选信号NCS相连接。BANK0作为引导BANKBOOTINGROMBANK，装载保存在ROM中的引导程序，BANK0的总线宽度由OM10管脚的逻辑电平确定，如表41所示。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计9表41BANK0数据总线宽度配置表OM1OPERATIONMODELOM0OPERATIONMODE0BOOTINGROMDATAWIDTH00NANDFLASHMODE0116BIT1032BIT11TESTMODE由于本系统的启动ROM选用了NANDFLASH，所以应当将OM10管脚逻辑设置为00。硬件实现的方法是将OM1和OM0两个管脚通过下拉电阻接地。为了支持NANDFLASH启动，S3C2440A在BANK0中配备了一块4KB大小的内部SRAM缓存，称作“STEPPINGSTONE”。在启动过程中装载NANDFLASH的前4KB引导代码，载完成后执行引导代码。引导代码将会把NANDFLASH中的内容拷贝到SDRAM里面。拷贝完成后主程序将会在SDRAM中执行。在重启过程中，NANDFLASH控制器通过读取四个管脚（NCON，GPG1513）的态获得NANDFLASH的信息。NANDFLASH存储器配置如表表42所示。表42NANDFLASH存储器配置表NCON（NANDFLASH选择）GPG13（页容量）GP1G4（地址周期）GPG15（总线带宽）0标准NAND0256字节03个08位1512字节14个1高级NAND01K字节04个116位12K字节15个本系统中NANDFLASH的页容量512字节，地址周期为4个，总线带宽8位，因此NCON、GPGL3、GPGL4、GPG15四个管脚逻辑设置分别为0、1、1、0。硬件实现的方法为，逻辑“0”用下拉电阻接地，逻辑“L“用上拉电阻接33V。2CAMIF单元S3C2440A的CAMIFCAMERAINTERFACE，摄像机接口单元由七部分组成图形多路选择器PATTERNMUX，捕获单元CAPTURINGUNIT，预览缩放器PREVIEWSCALER，编码缩放器CODECSCALER，预览DMAPREVIEWDMA，编码DMACODECDMA、SFRSPECIALFUNCTIONREGISTER，特殊功能寄存器。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计10CAMIF支持ITURBT601656数字视频标准的8位YCBCR视频格式。最大输出尺寸为40964096像素。图像传感器采集到的数据经过捕获单元处理分别送往两个图像缩放器预览缩放器和编码缩放器。预览缩放器用于产生比图像更小的RGB格式的图像，如PIPPICTUREINPICTURE；编码缩放器产生用于编码的图像，如YCBCR420或422，用于MPEG4，H263等格式的编码。两个图像缩放器各连接一路DMA通道P通道预览通道和C通道编码通道，两条通道分别连接到AHB总线上。由于DMA方式可以通过系统总线直接将数据送往内存，而不过分依赖CPU，因此大大节省了系统资源，提高了数据的读取速度。而且两路主DMA能够在运动环境下进行捕获图像的镜像和旋转，这些特性非常适合在移动手持设备中使用。通过设置CAMIF的内部寄存器能够使视频同步信号和像素时钟信号的极性翻转，也可以单独关闭预览通道和通道。CAMIF管脚与图像传感器的对应接口相连接，管脚的信号描述如表43所示。表43CMIF信号描述名称I/O描述CAMRESETO软件控制图像传感器重启或断电CAMCLKOUTO提供给图像传感器的主时钟CAMHREFI水平同步，由图像传感器提供CAMVSYNCI帧同步，由图像传感器提供CAMPCLKI像素时钟，由图像传感器提供CAMDATA70I像素数据，由图像传感器提供412存储器系统设计1）存储器选择系统的存储空间按作用分为程序保存空间、程序运行空间。程序保存空间是二进制代码的存储空间，它要求在系统掉电之后数据不丢失，本系统选用了FLASH存储器；程序运行空间是二进制代码的执行空间，要求运行速度快，本系统选用的是SDRAM。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计111FLASH存储器FLASH存储器通常分为NORFLASH和NANDFLASH两种，具有非易失性，可反复擦写。NORFLASH通常容量较小，写入速度慢，但因其随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，通常应用于存储程序代码。NANDFLASH随机读取速度不及NORFLASH，但是存储单元尺寸小，生产过程相对简单，可以达到很大的存储容量和较低的成本，而且写入和擦除的速度也很快。由于本图像采集系统并不需要经常的读取FLASH中的数据，又考虑到成本和尺寸的要求，所以采用NANDFLASH作为程序和数据存储空间。这里选用三星公司的256M的K9F2G08U0B芯片6。2RAMRANDOMACCESSMEMORY，随机存取存储器RAM又分为SRAMSTATICRAM，静态RAM和DRAMDYNAMICRAM，动态RAM两种，掉电后数据会丢失，但是随机存取速度远远高于FLASH存储器。SRAM的访问速度非常快，它存储一位信息需要6个MOS管，集成度低，功耗大；DRAM的存取速度没有SRAM快，存储一位信息只需要一个晶体管，集成度高，但是需要周期性的刷新充电以保持信息不消失。由于DRAM更容易做出大容量的RAM，因此一般的嵌入式系统中，主存储器都是采用DRAM，而缓存多采用SRAM。SDRAMSYNCHRONOUSDYNAMICRAM，同步动态RAM是DRAM中的一种，与DRAM不同的是采用多BANK结构，在一个BANK进行预充电期间，另一个BANK可以马上被读取，这样大大提高了存取访问的速度。为了充分发挥32位CPU的数据处理能力，系统应采用32位的SDRAM存储器系统。因此本系统选用两片16位SDRAM并联构建32位存储器系统，这里选用两片MT48LC16M16A275D芯片，存储容量为64M，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂应用程序的运行要求7。2）存储器电路设计存储器模块主要NANDFLASH和SDRAM两部分组成。其中NANDFLASH选用的是256M的K9F2G08U0B芯片，SDRAM选用的是两片64M的MT48LC16M16A275D芯片。1NANDFLASH电路设计K9F2G08U0B存储容量为256M8位，8位I/O端口采用地址、数据和命令复用的方法，减少了管脚数，使接口电路非常简洁。该器件工作电压27V36V，其电路连接图如图42所示。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计12图42NANDFLASH电路连接图其中，I00F07连接至CPU的DATA70，R心准备忙、NFRE读使能、NFCE片选使能、CLE命令锁存使能、ALE地址锁存使能、NFWE写使能这6个管脚分别与CPU对应的管脚相连；NFWP为写保护，接高电平允许擦除和写入，接低电平禁止擦除和写入。2SDRAM电路设计MT48LC16M16A275D存储容量4MB16BIT4BANKS，因此两片MT48LC16M16A275D并联构建了32位的SDRAM存储器系统。一片MT48LC16M16A275D连接CPU数据总线的高16位DATA3116，另一片连接CPU数据总线低16位DATA150。MT48LC16M16A275D的地址总线AL20连接到CPU的地址总线ADDR142；BANK选择地址BA0、BAL连接到CPU的ADDR24、ADDR25系统时钟SCLK分别连接至CPU的SCLKO、SCLKL时钟线数据输入/输出掩码信号LUDQM分别连接至CPU基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计13写使能NWBE30NRAS行地址选通信号、NCAS列地址选通信号NWE允许写入信号分别连接至CPU对应管脚。具体连接如图图43所示。图43SDRAM电路连接示意图在本次设计的硬件电路中SDRAMMT48LC16M16A275D接到了BANK6，起始地址是OX30000000，结束地址是OX33FFFFFF大小为64M具有32位的接口的宽度。413电源电路设计本系统的电源模块可以分为总电源和各模块供电电源两部分1总电源是从外部稳压电源输入5V电源，对整个电路板进行供电。5V直流电源可以直接对连接在LCD、USBHOST等接口上的设备供电，也能够通过LDOLOWDROPOUTREGULATOR，低压降线性稳压器芯片转换成较低的电压对其他模块供电。本系统采用的LDO为LMLLL7系列产品，能够在800MA的负载电流下产生12V以上的的低压降，除了可以输出18V，25V，285V，33V和5V五个固定电压之外，还能使用具有校正电压功能的LMLLL7ADJ，输出从125V到138V的电压。LMLLL7具有限流和过热保护的功能，输出电压保证L的精度。2各模块供电电源主要用于对处理器和存储器，周边设备、图像传感器提供所需的工作电压。处理器和存储器采取单独供电的方式，以保证其稳定运行。SDRAM和FLASH存储器的工作电压是33V；处理器S3C2440A需要两种工作电压33V和13V。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计14JTAG、UART、复位电路等周边设备的工作电压为33V，图像传感器OV9650所需工作电压有三组33V、28V、18V。42图像采集模块设计421图像传感器选择目前图像采集常用的两种图像传感器为CCD与CMOS图像传感器。CCD图像传感器中每一行中的每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出。再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器以及A/D转换电路，用类似内存的方式将数据输出8之所以会造成这样的差异，原因在于CCD的特殊的工艺可以使得数据在传输的时候不会产生失真，因此各个像素的数据可以最后汇聚到边缘再进行发大处理；而CMOS工艺传感器中数据在传输较长的时间会产生噪声，正因为这个原因，我们必须对数据进行先放大，然后整合各个像素的数据进行输出。由于在数据传送的方法的不同使得CCD和CMOS传感器在一些效能与应用上也有诸多差异，这些差异包含了灵敏度、噪声、分辨率因为CMOS传感器的每个像素有四个晶体管和一个含有发达器与A/D转换电路的感光的二极管构成，使每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，在尺寸大小相同的情况下，CMOS传感器的分辨率以及灵敏度要低于CCD传感器。而且，CMOS传感器中每个发大器的结果很难保持一致，与只有一个放大器的CCD传感器相比，噪声就会增加许多，影响了的图像质量。成本CMOS传感器采用的是一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易的将攒干起、模数转换器、信号处理器、定时发生器等周边电路集成到芯片中，节省了外围芯片的成本；而CCD采用的是电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此CCD传感器的成品率较低。成本高于CMOS传感器。功耗CMOS传感器采用主动方式采集数据，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出；而CCD传感器在电路设计上较高的电压和更精密的电源线路，使得设计难度增加，而且较高驱动电压使其功耗远高于CMOS传感器。综上所述，虽然CCD传感器在灵敏度，分辨率，噪声控制等方面都由于CMOS传感器，但是CMOS传感器以其集成度高。体积小、功耗低、编程方便、易于控制、成本较低等优点，越来越得到市场的认可，而且正在向着低噪声和高灵敏度等方向发展，因此基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计15CMOS传感器是目前低像素图像采集系统的最佳方案。全球图像传感器生产厂商中，MICRON和OMNIVISION两家在市场上占前两位这两家厂商生产的130万CMOS像素图像传感器的型号分别为MT9M112和OV96509。其关键规格参数如表44所示。表44触摸屏内部结构示意图MT9M112OV9650图像阵列大小1280102413001028图像尺寸36毫米29毫米413毫米328毫米供电核心18V18VI/O接口25V28V17V31V模拟25V31V25V31V像素尺寸28微米28微米318微米328微米SXGA15FPS15FPS最大帧速率VGA30FP30FPS信噪比44DB40DB动态范围68DB62DB灵敏度1V/LUXSEC09V/LUXSEC功耗峰值160MW50MW由上表可以看出，OV9650的信噪比、动态范围和灵敏度稍逊于MT9M112，但是采集到图像的效果也不会有明显的差别。而OV9650的功耗远远低于MT9M112，所以芯片耗电较少，发热量较低。由于OMNIVISION公司生产的图像传感器在中国占据一半以上的市场份额，OV9650在国内的货源充足，价格较低，技术支持也相对较好。考虑到设备的性能和功耗以及批量生产时货源和成本等因素，本系统的CMOS图像传感器芯片选用了OV9650。422图像传感器电路设计OV9650与处理器的借口包括三部分SCCB（SERIALCAMERACONTROLBUS，串行摄像机控制总线）借口、数据输出借口和控制接口。1SCCB接口10型号参数基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计16在使用OV9650芯片采集图像数据以前，需要先初始化其内部寄存器。设置参数通过SCCB总线传输。SCCB总线有两根连线数据线SIOD和时钟线SIOC，相当于功能简化了的IIC总线。具有SCCB总线的器件只能作为从设备，与主设备的IIC总线相连，由主设备对其进行读写操作。2数据输出接口OV9650内嵌了一个10位AD转换器，因此共有10个数据输出接口D0D9。输出图像数据的格式既可以是10位原始RGB，也可以是经过内部DSP转换的8位RGB或YCBCR。由于S3C2440A的CAMIF单元支持8位YCBCR格式，因此需要将OV9650的数据接口D92与CAMIF的数据接口CAMDATA70相连接,本设计的图像采集的数据是8位YCBCR格式。3控制接口OV9650的XVCLKI接口用于接收CPU输出的24MHZ工作时钟。OV9650内部产生三个时钟信号输入到CPU中，用于对图像采集进行控制帧同步信号VSYNC、行同步信号HREF、像素时钟信号PCLK。每一个VSYNC脉冲表示开始采集一帧图像数据，HREF的高电平表示采集一行图像数据，图像传感器以从左到右的顺序在每个PCLK脉冲过程中依次采集一个字节的数据，直到一帧图像数据全部采集完成。OV9650的省电模式PWDN管脚置为高电平时，能够关闭芯片所有内部时钟使之进入省电模式。在芯片正常工作时，PWDN要保持低电平。0V9650的还原设置RESET管脚设为高电平时，可以将芯片内部寄存器设置清除并恢复为默认值。在芯片正常工作时，RESET要保持低电平。本设计图像传感器模块的电路设计采用的方式是扩展板的方式，这样我们不仅可以根据需求更换不同型号图像传感器的扩展板而且还可以灵活的对图像传感器的外围电路。驱动软件和应用程序进行调试，扩展板中的OV9650的管脚通过20针的CAMERA接口与主板核心处理器的CAMIF的各接口相连电路原理如图44所示。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计17图44图像传感器电路43液晶显示模块设计431液晶模块选择下位机是通过液晶屏显示图像采集的信息的。S3C2440A内部集成了LCD控制器，因此可以很方便地去控制STN和TFT屏。STN亮度较暗，画面的质量较差，颜色不够丰富，播放动画时有拖尾现象，但耗电量小，价格便宜。TFT屏亮度高，画面质量高，颜色丰富，播放动画时清晰，但耗电量大，价格高11。432液晶模块电路设计本设计中采用的是TFT液晶屏,型号为NL2432HC32。LCD控制器把系统内存视频缓冲区内的图像数据传送给外部的LCD驱动器，从而在LCD屏上显示相应的图像。LCD接口电路硬件框图如图45所示。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计18图45LCD接口电路图本设计中，LCD的DATA023与S3C2440A微处理器的VD023相连，为LCD像素数据输出端口。LCD的VCLK、VFRAME、VLINE、VM和LCD_PWR分别于S3C2440A的GPC0、GPC3、GPC2、GPC4和PGC7相连。44以太网传输模块设计441传输模块选择以太网接口允许嵌入式系统连接到一个LAN中，并且可通过使用网关经由INTERNET连接到一个外部的世界。该接口由一个具有处理以太网帧所必需的全部逻辑的以太网引擎集成电路IC组成。因此在本设计中我们使用了DM9000嵌入式以太网控制器。442传输模块电路设计DM9000与核心控制器的电路连接入图46所示。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计19图46以太网接口连接电路图其中数据端口是用DM9000的SD015位和S3C2440的DATA015相连，IOR，IOE分别与LNOE，LNWE相连，其中X125M和X2_25M用于接入25M的外接电路，片选段AEN低电平有效，连接到了S3C2440的BANK2区。基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计205嵌入式程序设计51图像采集程序设计511图像传感器功能设置程序设计图像传感器功能程序设计有以下几个步骤初始化图像传感器设置摄像头的时钟设置摄像头的端口测试OV9650其具体的实现方法如下1）初始化图像传感器，其具体实现函数如下VOIDCAMRESETVOIDRCIGCTRL|1INCLUDE/INCLUDE“DM9000H“INCLUDE“ARPH“INCLUDE“DATAPKTSH“/STATICUNSIGNEDCHARCONTIMERUNSIGNEDCHARMY_IP410,201,1,15UNSIGNEDCHARGATEWAYIP410,201,1,254UNSIGNEDCHARSUBIPMARK4255,0,0,0UNSIGNEDCHARSOURCEMAC68,90,90,90,90,90/SOURCEMAC/MAC地址UNSIGNEDCHARREMOTESERVERIP410,201,1,14UNSIGNEDSHORTREMOTESERVERPORT254UNSIGNEDCHARWORKMODECLIENTHOSTUNSIGNEDSHORTMYSERVERPORT254UNSIGNEDCHARARP_REP_MAC60XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFFUNSIGNEDCHARCONTIMERUNSIGNEDCHARTCPRECFLAGUNSIGNEDSHORTTCPRECLENGTHUNSIGNEDCHARUDPRECSOURCEIP4UNSIGNEDCHARUDPRECDESTIP4UNSIGNEDSHORTUDPRELENGTH/STRUCTSOCKET_TYPE基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计42UNSIGNEDSHORTMY_PORT/本机端口UNSIGNEDSHORTDEST_PORT/对方端口UNSIGNEDCHARDEST_IP4/对方IPUNSIGNEDCHARMY_IP4UNSIGNEDINTIRS/初始化顺序号UNSIGNEDINTISS/我的初始化序列号UNSIGNEDINTRCV_NEXT/对方的顺序号UNSIGNEDINTSEND_NEXT/我的已经发送顺序号UNSIGNEDINTSENT_UNACK/我的还没有确认顺序号UNSIGNEDINTRECPASSSEQUNSIGNEDINTRECPASSACKUNSIGNEDINTSENPASSSEQUNSIGNEDINTSENPASSACKUNSIGNEDINTRECFUTUREACKUNSIGNEDINTSENFUTURESEQ/UNSIGNEDLONGDEST_ACK_NUMBERUNSIGNEDSHORTRCV_WINDOW/对方的WINDOW大小UNSIGNEDSHORTSND_WINDOW/我的WINDOW大小UNSIGNEDSHORTDEST_MAX_SEG_SIZE/对方接受的最大的数据包大小MTUUNSIGNEDSHORTMY_MAX_SEG_SIZE/我能接受的最大的数据包大小UNSIGNEDINTMY_WL1/SEQUNSIGNEDINTMY_WL2/ACKUNSIGNEDCHARSTATE/连接状态UNSIGNEDCHAROPENUNSIGNEDCHARRESENDSTATEUNSIGNEDCHARRESENDTIMEUNSIGNEDSHORTRESENDLENGTHUNSIGNEDCHARSTASEM/BIT7表示该连接是LISTEN开始的，即服务器的。BIT1是表示该连接等待APPSEMCON信号量。BIT0是表示正等待APPSEMSEND信号量/STRUCTTCP_DATARESEND_DATA基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计43UNSIGNEDCHARTCPDHEADUINT812UNSIGNEDCHARTCPHEADUINT8MAX_TCP_DATA20UNSIGNEDCHARTCPDATAQMAX_TCP_DATAUNSIGNEDSHORTTCPDATAQWRPTRUNSIGNEDSHORTTCPDATAQRDPTRSTRUCTSOCKET_TYPETCPSTATUSMAX_TCP_LINKS/TCPSTATUS0STATETCP_STATE_LISTENSTRUCT_PKSTSTRUCT_PKSTSTPTRUNSIGNEDINTLENGTHUNSIGNEDCHARDAPTRSTRUCTA_TUNSIGNEDCHARTTLUNSIGNEDCHARIP_NUM4UNSIGNEDCHARMAC_NUM6STRUCTA_TARP_TERMMAX_ARP_TERMTYPEDEFSTRUCTUNSIGNEDCHARDESTMACID6/目的网卡地址/UNSIGNEDCHARSOURCEMACID6/源网卡地址/UNSIGNEDSHORTNEXTPROTOCAL/下一层协议/IPETHERNETTYPEDEFSTRUCTUNSIGNEDCHARIP4IP_NUMBERTYPEDEFSTRUCTUNSIGNEDCHARMY_IP4UNSIGNEDCHARMY_GATEWAY4基于ARM9的CMOS图像采集系统的设计44UNSIGNEDCHARMY_IP_MARK4UNSIGNEDCHARMY_MAC6UNSIGNEDCHARMY_GATEWAY_MAC6UNSIGNEDCHARGATEWAY_IP_TTLSTRUCTA_TARP_TERMMAX_ARP_TERMNETPNETPNETPORTMAX_NET_PORTSTRUCTLASTSENDDATAUNSIGNEDCHARBUFFERMAX_TCP_DATAUNSIGN