1引言

隨著科學研究對圖像采集的要求日益提高，對號碼圖像采集系統(tǒng)的存儲量、速度都提出了越來越高的技術要求。為了實現(xiàn)號碼圖像的自動讀取, 以前采用CCD圖像傳感器加顯示器推出新型高集成視頻解碼/解交織和縮放系統(tǒng)方案 >視頻解碼芯片SA7113實現(xiàn)號碼圖像的采集，經過數據緩存器FIFO后存入外擴的隨機存儲器RAM中, 圖像的截取是通過可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)的[1][2]。雖然該種方法實現(xiàn)了圖像的截取，但硬件電路復雜，增加了設計成本。本文使用的信號處理器TMS320VC5416的片上程序存儲器ROM為16K，數據存儲器RAM為128K，而一幅640*480的灰度圖像就有300K左右，顯然處理器的存儲容量不夠。因此本文針對這種情況采用具有圖像截取功能的CMOS數字圖像傳感器OV7620，取代CCD模擬傳感器加視頻解碼芯片SA7113，簡化了硬件電路，解決了信號處理器TMS320VC5416的存儲容量有限的問題。

2系統(tǒng)采集方案的確定

號碼圖像采集的方法有一種是采用CCD圖像傳感器加視頻解碼芯片，從CCD攝像頭出來的視頻模擬信號需經過視頻解碼器轉換為視頻數字信號，再經過先進先出存儲器FIFO緩存，最后通過可編程邏輯器件CPLD進行圖像截取才能進入信號處理器(DSP)處理。由于DSP的控制能力比較差，本身的通用I/O口少，而對視頻解碼器的控制是通過內置的I2C總線來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)對視頻解碼器的控制，I2C總線是用單片機的P1口模擬完成對視頻解碼器的初始化，雖然這種方案實現(xiàn)了號碼采集，但硬件結構復雜。

TMS320VC5416最大允許訪問的數據存儲空間為128K,而一幅640*480的灰度圖像就需要大約300K的存儲空間，因此系統(tǒng)針對信號處理器的TMS320VC5416存儲容量有限的特點，選擇了內部集成模數轉換器A/D且具有圖像開窗功能的CMOS圖像傳感器OV7620。這種傳感器具有內部默認工作模式和I2C總線模式，為實現(xiàn)圖像截取功能，將TMS320VC5416的主機接口HPI改為通用I/O口，分別用HD2和HD3模擬I2C總線的數據線SDA和時鐘線SCL進行I2C總線的設置。通過設置OV7620內部各個寄存器實現(xiàn)開窗等

一系列功能，將感興趣的圖像截取出來，數據輸出只采集OV7620低8位(Y7-Y0)亮度數據，減少了TMS320VC5416的數據存儲量和處理量，節(jié)省了TMS320VC5416的存儲空間。

3 采集系統(tǒng)硬件設計

3.1號碼圖像采集系統(tǒng)的基本結構

如圖1所示，該號碼圖像采集系統(tǒng)是由CMOS圖像傳感器OV7620，信號處理器TMS320VC5416及數據隔離器74LVCH16245A三部分組成。

這里主要介紹圖像傳感器的確定和圖像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，系統(tǒng)采用CMOS數字圖像傳感器OV7620采集水表號碼，存入TMS320VC5416內部的RAM中，在OV7620與TMS320VC5416之間采用菲利普公司的74LVCH16245A作為數據隔離芯片。用TMS320VC5416的HD2和HD3分別模擬數據線SDA和時鐘SCL, 即在硬件電路上保證圖像傳感器工作在I2C總線格式，在軟件上系統(tǒng)將TMS320VC5416的HP0改為通用I/O口作為水表號碼采集的使能。當/1OE為低電平時，74LVCH16245A將數據通道打開，TMS320VC5416開始接收數據從而系統(tǒng)完成水表號碼的采集工作。

3.2圖像傳感器OV7620

由圖2所示，圖像傳感器OV7620內部集成了行列選擇電路、模數轉換電路、視頻時序產生電路等，并可與I2C總線接口。大大簡化了其外圍電路設計，外圍電路僅有石英晶體和一些電阻、電容等元器件組成。OV7620的開窗特征允許用戶根據實際需要設置有效圖像數據窗口的大小。其范圍從4×2到664×492，并且該窗口能夠被置于664×492邊界范圍內的任何位置,同時窗口大小的變化不會改變輸出數據速率和幀速，它僅僅是通過調整行頻參考信號的有效時間來實現(xiàn)的。在速度方面可通過設置寄存器11(時鐘速率控制)改變采集速度，降低采集速度可為識別處理水表號碼提供時間，這對于系統(tǒng)采集有效數據以及提高系統(tǒng)性能等方面都起到了很大幫助，因此系統(tǒng)選用了具有圖像截取功能的CMOS數字圖像傳感器OV7620。

3.3圖像采集硬件電路的實現(xiàn)

在圖像傳感器OV7620和TMS320VC5416之間需加一個數據隔離信號，通知信號處理器TMS320VC5416接收圖像。本文用的是菲利普公司的帶方向控制的數據接收、發(fā)送器74HC16245A，它的作用是數據隔離。

由于TMS320VC5416工作在160MHz時對同步信號進行判斷大約需要7個時鐘周期(45ns左右)，而OV7620的輸入時鐘為27MHz，所以需要對OV7620的輸入時鐘進行二分頻來產生象素時鐘(13.5MHz 74ns)，設置時鐘速率控制寄存器(Clock rate control)為0x80實現(xiàn)二分頻,實現(xiàn)DSP與傳感器之間同步工作。

系統(tǒng)上電后，TMS320VC5416通過I2C總線對CMOS圖像傳感器OV7620的工作寄存器進行初始化設置，包括開窗大小、位置，場頻，掃描方式等。OV7620即開始按要求采集并輸出圖像信號，包括行同步信號HREF、場同步信號VSYNC、像素時鐘信號PCLK和圖像信號，隨后CMOS圖像傳感器OV7620在使能信號的控制下將采集到的圖像存入TMS320VC5416中，完成圖像的采集。

圖像采集的關鍵是圖像采集起始點的精確控制，本系統(tǒng)是在I2C總線模式下設置OV7620的內部寄存器實現(xiàn)各個同步信號極性的控制，VSYNC的上升沿表示一幀新圖像的到來，HREF是水平同步信號，其上升沿表示一列圖像數據的開始，PCLK是輸出數據同步信號。HREF為高電平即可開始有效地數據采集，而PCLK下降沿的到來則表明數據的產生，PCLK每出現(xiàn)一個下降沿，系統(tǒng)便傳輸一位數據。HREF為高電平期間，系統(tǒng)共傳輸640位數據。即在一幀圖像中，即VSYNC為低電平期間，HREF會出現(xiàn)480次高電平。而下一個VSYNC信號上升沿的到來則表明分辨率640×480的圖像采集過程的結束。

4號碼采集系統(tǒng)中軟件設計

4.1通用I/O控制器和通用I/O狀態(tài)寄存器配置

TMS320VC5416主機接口(HPI)用于在主從模式下，實現(xiàn)DSP與外部器件通信，它具有一個增強型HPI接口，該接口用8-bit數據總線(HD0-HD7)與主機交換信息[3]。通過設置通用I/O控制寄存器(GPIOCR)和通用I/O狀態(tài)寄存器(GPIOSR)相應位，可以將HD0- HD7轉換成通用I/O，再通過軟件編程，實現(xiàn)與I2C總線的接口。相關的控制器如圖3所示。

在本系統(tǒng)是將TMS320VC5416的HPIENA直接接地，這時HD7~HD0作為通用I/O口 使用，HD7 ~ HD0的輸入輸出狀態(tài)由GPIOCR的相應位(DIR7~DIR0)控制，當DIRx為0時，HDx作為輸入腳，當DIRx為1時，DIRx作為輸出腳，GPIOSR中的I07 ~ I00作為對應的(HD7~HD0)輸入輸出數據位。

4.2 I2C總線簡介

集成電路芯片間總線I2C [4](Inter – Integrated Circuit)是Philips公司提出的一種允許在簡單的二線總線上工作的串行接口和軟件協(xié)議，主要用于傳感器與控制器件間的數據通信。

I2C總線上只有時鐘SCL為高電平時的數據才有效，而且SDA上高/低電平的轉換只能在SCL為低電平時完成;最后以Stop終止傳輸，釋放總線。

4.3 軟件編程實現(xiàn)HPI與I2C總線接口

首先設置寄存器，將相應的HPI接口改為通用的I/O口，然后通過軟件編程實現(xiàn)I2C總線協(xié)議[5]，在此僅以I2C總線啟動為例簡單介紹說明如何實現(xiàn)的：(其中HD2為SDA,HD3為SCL)

4.4實驗結果

為了測試系統(tǒng)的實際效果，本文采用普通的白熾燈為光源，CMOS圖像傳感器OV7620開窗為200×40情況下采集了水表號碼圖像，由圖5可以看出所采集到的圖像達到了設計要求，為后續(xù)圖像的識別處理奠定了基礎。

5 結論

系統(tǒng)選用具有圖像開窗功能的CMOS數字圖像傳感器OV7620采集水表號碼圖像， OV7620內部集成了模數轉換器A/D和視頻時序產生電路，不但簡化了硬件電路結構，降低了系統(tǒng)的成本，而且從640×480圖像中截取200×40的有效圖像，大大降低了圖像的存儲量和處理量，解決了信號處理器TMS320VC5416的存儲空間不足的問題。

創(chuàng)新點：1.采用OV7620采集號碼圖像，簡化了硬件電路 。

2.將TMS320VC5416的HPI接口改為通用I/O口，實現(xiàn)與I2C總線接口。

3.利用OV7620開窗功能實現(xiàn)圖像的截取，解決TMS320VC5416存儲空間不足的問題。