摘要：針對視頻采集系統(tǒng)需要對攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化、采樣、存儲的要求，設(shè)計基于高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC551O的視頻采集系統(tǒng)。模擬視頻信號通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為8位灰度值，16位微處理器MC9S12DG128B通過普通IO口，控制FIFO存儲器uPD42280寫入和讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，實現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的高精度采集。分析了主要芯片的工作原理及時序，描述了軟件控制圖像數(shù)據(jù)采集流程。并將采得數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，與實際圖像對比。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在單行掃描時問50μs內(nèi)能采集160個以上的有效像素點，成像質(zhì)量高，能滿足簡單圖像處理算法對數(shù)據(jù)的要求。
關(guān)鍵詞：A／D轉(zhuǎn)換器；FIFO存儲器；時序；視頻圖像數(shù)據(jù)

    國內(nèi)外的視頻圖像采集方法很多，基本分為兩大類：自動圖像采集和基于處理器的圖像采集。自動圖像采集多采用專門的視頻解碼芯片，如SAA7113，TVP5150等，自動完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，并輸出行、場信號以實現(xiàn)存儲器地址產(chǎn)生，一般以DSP為主處理器，除了對采集模式進(jìn)行初始化設(shè)置外，主處理器不參與采集過程。這種方法的優(yōu)點是采集不占用CPU的時間，實時性較好，適合于對圖像數(shù)據(jù)的精度要求較高和算法復(fù)雜的場合，如車道識別、車輛識別等方向的應(yīng)用。但是該方案對處理器的速度有很高的要求，成本較高，且電路復(fù)雜?；谔幚砥鞯膱D像采集則采用視頻同步信號分離芯片產(chǎn)生行、場中斷信號，用微處理器內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)圖像的采集。圖像的采集過程在CPU控制下完成，由CPU啟動A／D轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。該方案的特點是電路簡單，成本低，易于實現(xiàn)，能滿足簡單圖像采集系統(tǒng)的需要。但數(shù)據(jù)采集占用CPU時間，采集速度受微處理器A／D轉(zhuǎn)化時間限制。
    本文提出了基于獨立的高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5510的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計方案，能高速采集較高精度的視頻數(shù)據(jù)，可適用于智能車比賽、室內(nèi)導(dǎo)盲、車隊仿真平臺、移動機(jī)器人平臺等道路環(huán)境相對單一。圖像處理算法簡單的場合。

1 系統(tǒng)架構(gòu)
    本系統(tǒng)主要適用于符合PAL制式的模擬攝像頭輸出視頻信號的采集。一般的模擬攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。同時，視頻信號端輸出還隱含了場同步信號、行同步信號、奇偶場同步信號等信息，因此實際輸出的是復(fù)合視頻信號。
    本系統(tǒng)采用MC9S12DGl28B作為處理器，針對信號特點，主要設(shè)計思想如下：首先，通過專門的視頻同步信號分離芯片LM1881提取復(fù)合視頻信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖，并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電平直接輸給單片機(jī)的中斷口作為控制信號。同時采用高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5510對視頻信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，使視頻電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為代表圖像灰度的數(shù)字信號輸出。接著采用FIFO存儲器uPD42280作為視頻數(shù)據(jù)的緩存，在行中斷服務(wù)函數(shù)中對其進(jìn)行寫控制，將A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入其內(nèi)存中。最后，當(dāng)一場圖像結(jié)束時，在場中斷服務(wù)函數(shù)中通過單片機(jī)的8位IO口將視頻數(shù)據(jù)讀回。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，在單片機(jī)與FIFO存儲器之間加了一級74HC245，作為數(shù)據(jù)緩沖。為保證采集同步，LC5510 uPD42280和74HC245采用同一有源晶振作為轉(zhuǎn)換和讀寫的時鐘源。本系統(tǒng)框架如圖1所示。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    視頻采集系統(tǒng)一場圖像時間內(nèi)的采集數(shù)據(jù)量決定了成像質(zhì)量，也就是常說的分辨率或者叫像素。按照我國PAL制式的信號特點，每秒掃描25幀圖像，每一幀圖像又分奇偶兩場，那么，一場圖像的掃描時間就是20 ms。目前市場上的攝像頭，不管是CCD或是CMOS成像的，縱向分辨率基本都在400線的以上。因此推得單行視頻信號的持續(xù)時間小于20 ms／400=50μs左右。那么，如何在50μs內(nèi)對視頻信號進(jìn)行快速地A／D轉(zhuǎn)換，得到更多的灰度值數(shù)據(jù)，以提高橫向分辨率就成為視頻采集系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。
2．1 高速A／D轉(zhuǎn)換器
    TLC5510是美國TI公司生產(chǎn)CMOS，8位高阻抗并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)。它采用+5 V單電源工作，能提供的最大采樣率為20 MSPS。TLC-551O的滿輸入量程是2 V，TLC551OA的滿輸入量程是4 V。TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，所以大大減少了器件中比較器的數(shù)量，并在高速轉(zhuǎn)換的同時能夠保持較低的功耗。在推薦的工作條件下，TLC5510的功耗僅為130 mW。
    TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)含時鐘發(fā)生器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓分壓器、1套高4位采樣比較器、編碼器、鎖存器、2套低4位采樣比較器、編碼器和1個低4位鎖存器等電路。TLC5510的外部時鐘信號CLK通過其內(nèi)部的時鐘發(fā)生器可產(chǎn)生3路內(nèi)部時鐘，以驅(qū)動3組采樣比較器?；鶞?zhǔn)電壓分壓器則可用來為這3組比較器提供基準(zhǔn)電壓。輸出A／D信號的高4位由高4位編碼器直接提供，而低4位的采樣數(shù)據(jù)則由2個低4位的編碼器交替提供。  TLC551O的工作時序如圖2所示。時鐘信號CLK在每一個下降沿采集模擬輸入信號。第N次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過2．5個時鐘周期的延遲后送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。此時如果輸出使能端OE有效，則數(shù)據(jù)可送至8位數(shù)據(jù)總線上。

    TLC5510不僅具有高速的A／D轉(zhuǎn)換功能，還帶有內(nèi)部采樣和保持電路，從而大大簡化了外圍電路的設(shè)計。只需要使用內(nèi)部基準(zhǔn)電阻和VDDA構(gòu)成基準(zhǔn)分壓器即可實現(xiàn)2V的滿量程轉(zhuǎn)換范圍。因為正常的復(fù)合視頻信號最大電壓值不超過2V，所以在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，將TLC5510的REF-BS端短接至REFB端，REFTS端短接至REFT端，從而獲得2V基準(zhǔn)電壓。視屏信號從ANALOGIN引腳輸入，同時采用4MHz的有源晶振提供時鐘信號。通過計算可知，該芯片在單行視頻信號掃描時間內(nèi)可進(jìn)行200次的A／D轉(zhuǎn)換，對于簡單圖像算法而言，橫向分辨率已完全能夠滿足要求。如果提高TLC5510工作時鐘頻率，可以繼續(xù)提高橫向分辨率。若使TLC5510工作在極限情況下(20 MHz的采樣率)，橫向分辨率可達(dá)到約800個點，也就是30萬像素以上。上電以后，由于將TLC5510的OE引腳接到GND，芯片始終處于低有效狀態(tài)，所以A／D轉(zhuǎn)換將持續(xù)工作。8位數(shù)據(jù)輸出直接接到下一級FIFO存儲器的輸入，由處理器決定存儲器是否將A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入。
    具體的應(yīng)用電路如圖3所示。需要注意的是，因為TLC5510的AGND引腳和DGND引腳在內(nèi)部沒有連接，所以在外部需要連接。建議采用電感或磁珠連接，用以去除模擬地對數(shù)字信號的噪聲。同時，在VDDA與AGND，VDDD與DGND引腳之間，應(yīng)分別使用0．1 μF的電容去耦，建議使用陶瓷電容，并配以10 μF以上的鉭電容儲能。

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2．2 FIFO存儲器
    uPD42280是一種2 Mbit的雙口FIFO(先入先出)存儲器。在本系統(tǒng)中作為A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的緩存，容量大且性價比較高，能滿足一幀圖像數(shù)據(jù)約25萬個像素點存儲的要求。A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)按照一定的時鐘節(jié)拍順序?qū)懭牖蜃x出，它的讀寫時鐘速率最高可達(dá)33 MHz。uPD42280本身的數(shù)據(jù)是8 bit并行輸入輸出，通過控制它的WE引腳、WRST引腳、RE引腳和RRST引腳的電平高低，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和讀取。圖4為uPD42280的讀、寫周期時序。

    在寫控制周期，WE若處于低有效狀態(tài)(WRST此時為高電平)，數(shù)據(jù)在下一周期上升沿到來前寫入存儲器地址中；WE若處于高禁能狀態(tài)。寫入暫停，寫地址指針保持。在WE處于低有效狀態(tài)時。若WRST處于低電平，則寫地址指針將從當(dāng)前地址回到地址0，WRST回復(fù)高電平后，數(shù)據(jù)也將從地址0開始寫入。在讀控制周期，RE若處于低有效狀態(tài)(RRST此時為高電平)，數(shù)據(jù)在下一周期上升沿到時被讀??；RE若處于高禁能狀態(tài)，讀取暫停，讀地址指針保持。在RE處于低有效狀態(tài)時，若RRST處于低電平，則讀地址指針將從當(dāng)前地址回到地址0，RRST回復(fù)高電平后，數(shù)據(jù)也將從地址0開始讀取。
    在本系統(tǒng)中，uPD42280的讀寫時鐘與TLC5510的工作時鐘使用同一信號源(4 MHz)，既保證了FIFO的寫操作與A／D轉(zhuǎn)換操作的同步，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏接或混接現(xiàn)象，又可以使數(shù)據(jù)讀取時，讀取速率僅由處理器IO口的讀取時間決定。通過處理器IO口控制讀、寫使能信號，讀、寫地址復(fù)位信號，可完成一幀圖像數(shù)據(jù)的讀寫和更新。在處理器的總線頻率為32 MHz時，單行視屏信號掃描時間內(nèi)(約50 us)，IO口最終可讀入約190個有效像素的灰度值。去除行消隱區(qū)和圖像中心對正需要省略的點，本系統(tǒng)每行視頻信號可采集到的有效像素點為160個。
    需要注意的是，uPD42280本身外圍電路很簡單，只需要在電源與地之間加1個去耦電容即可。但是由于FIFO存儲器有別于RAM，是不能進(jìn)行內(nèi)部尋址操作的，只能是簡單的地址復(fù)位。所以在軟件控制時一定要注意邏輯，嚴(yán)格按照讀寫時序去控制4個引腳，才能保證一場圖像的完整寫入和讀取。
    本系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于將高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5510與FIFO存儲器uPD42280聯(lián)合使用，實現(xiàn)視頻信號的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲。這樣做使得整個前端的轉(zhuǎn)換和存儲完全由幾個IO口控制，對單片機(jī)本身的性能要求低、資源要求少，僅僅用到了單片機(jī)的兩路中斷和多路普通IO口。這樣的設(shè)計使得本系統(tǒng)移植性很強(qiáng)，可用于多種單片機(jī)或DSP。并且這兩款核心器件都是8 bit并行數(shù)據(jù)輸入輸出，速度很快，可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸。

3 軟件流程
    軟件部分主要包括初始化、寫操作、讀操作和圖像處理。首先將處理器的IO口，中斷口初始化，PORTB8位作為數(shù)據(jù)入口，輸入使能；PORTK0～PORTK3作為存儲器的讀寫使能和地址控制線，輸出使能，PORTJ0、PORTJ1分別響應(yīng)行、場中斷，上升沿觸發(fā)。[!--empirenews.page--]
    主函數(shù)是一個無限循環(huán)，不斷檢測圖像是否采集完成，如果采集完成則進(jìn)行圖像處理，然后作出相應(yīng)的控制輸出。場中斷服務(wù)函數(shù)的主要功能是將行計數(shù)器清零，寫地址回零，為新一幀圖像作準(zhǔn)備。行中斷服務(wù)函數(shù)主要功能是行計數(shù)器自加，用以判斷圖像當(dāng)前的行數(shù)。判斷采集是否開始，控制寫入使能，判斷采集是否結(jié)束，控制寫入禁能，控制讀取地址回零，讀取使能，將數(shù)據(jù)經(jīng)過一級緩沖，通過8位數(shù)據(jù)總線讀入單片機(jī)的二維數(shù)組中，并通知主函數(shù)圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了。具體流程如圖5所示。

4 實驗數(shù)據(jù)
    實驗環(huán)境是白底黑線的模型跑道，一場圖像數(shù)據(jù)的實際采集像素點為160個x20行，圖像處理的算法主要是邊緣檢測和一次線性插值，目的是得到跑道的中心線軌跡。圖6所示為單行A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，其中灰度值高的對應(yīng)白板，灰度值低的對應(yīng)黑線，橫坐標(biāo)為每個采樣點在實際圖像中的X軸的比例坐標(biāo)，量綱是1。

    圖7所示為該系統(tǒng)對不同道路類型的識別情況，上邊是攝像頭拍攝的實際圖像，下邊是圖像數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣檢測和線性插值處理之后得到的中心線軌跡。橫坐標(biāo)為每行中心線在實際圖像中的X軸的比例坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為每行中心線在實際圖像中的Y軸的比例坐標(biāo)，量綱為1。該橫、縱坐標(biāo)可以通過對圖像的實際測量標(biāo)定得到現(xiàn)實世界的二維坐標(biāo)。再將對應(yīng)值存入單片機(jī)一個靜態(tài)的二維數(shù)組中，控制需要時通過查表提取使用；也可以根據(jù)三維坐標(biāo)變化計算得出。

    可以看出，在跑道中心線軌跡與實際圖像符合得較好。曲線的軌跡能很好地反映跑道特征，從而較為容易地判斷跑道類型，為下一步控制策略提供了可靠的信息依據(jù)。

5 結(jié)論
    本文提出基于高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5510和FIFO存儲器uPD42102的視頻采集系統(tǒng)，為普通單片機(jī)實現(xiàn)視頻信號的高速、高精度采集提供了一種新思路。該系統(tǒng)電路簡單穩(wěn)定，移植性較強(qiáng)，對徽處理器要求低，可適用于絕大多數(shù)CCD或CMOS攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號采集。實驗證明，該系統(tǒng)可以為圖像處理提供可靠的前端硬件平臺。