關(guān)鍵詞：cmos數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；spi串行外設(shè)接口；fpga并行邏輯配置；微控制器

引言

　隨著cmos圖像傳感器技術(shù)的不斷完善，其性能不斷提高，目前很多機(jī)器視覺和數(shù)字圖像處理應(yīng)用中開始使用cmos圖像傳感器設(shè)計數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，cmos圖像傳感器具有集成度高，功耗低，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出，控制時序簡單等特點。因此本文提出一種利用mcu實現(xiàn)cmos數(shù)字?jǐn)z像機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計方案。設(shè)計中充分考慮到工業(yè)相機(jī)功能的擴(kuò)展和相機(jī)自身圖像預(yù)處理功能的二次開發(fā)，所以采用高性能的mcuat89ls8252來實現(xiàn)攝像機(jī)內(nèi)部fpga(field programmable gate array)邏輯配置、在線邏輯下載、攝像機(jī)參數(shù)下載初始化、溫度讀出等控制功能。

cmos數(shù)字?jǐn)z像機(jī)總體系統(tǒng)描述

　cmos數(shù)字?jǐn)z像機(jī)機(jī)，一般由：圖像傳感器、時序邏輯產(chǎn)生單元、圖像預(yù)處理單元、配置初始化控制單元、圖像數(shù)據(jù)輸出接口單元五部分組成。下面對各部分簡要介紹：

　cmos圖像傳感器的時序邏輯一般由fpga產(chǎn)生，由3.3v或5v單電源對系統(tǒng)供電，也有一些高級cmos圖像傳感器需要外加一組電壓較低的參考模擬電壓，在系統(tǒng)提供的驅(qū)動時序下按像素時鐘速率將8bit或10bit的像素數(shù)據(jù)分單通道和多通道連續(xù)輸出。

　設(shè)計中應(yīng)用xilinx公司的高性能的fpgaxc2vp4來完成驅(qū)動時序發(fā)生和圖像預(yù)處理功能。攝像機(jī)內(nèi)部對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，有利于上位機(jī)圖像處理算法的簡化，更能夠提高圖像處理的實時性。根據(jù)不同機(jī)器視覺應(yīng)用的需要，可以為攝像機(jī)提供多種不同圖像預(yù)處理方案，如灰度變換、動態(tài)范圍擴(kuò)展、中值濾波等，用戶可以選擇相應(yīng)的配置文件下載到攝像機(jī)中，就能夠?qū)崿F(xiàn)需要的圖像預(yù)處理功能。高級用戶也可以根據(jù)自己應(yīng)用需求，自行開發(fā)攝像機(jī)內(nèi)部fpga圖像預(yù)處理的算法，嵌入到fpga配置邏輯文件中，按照設(shè)計中的配置方法下載到攝像機(jī)中，就可實現(xiàn)用戶自己開發(fā)的圖像預(yù)處理功能。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)圖像數(shù)據(jù)輸出接口也有很多種方式，可以采用cameralink接口、以太網(wǎng)接口、usb接口、1394接口等。

　文中重點描述攝像機(jī)的邏輯配置和初始化控制單元的設(shè)計，以at89ls8252為控制器完成對fpga的并行配置功能，應(yīng)用max3232串口芯片和上位機(jī)通信，完成接收fpga配置文件和初始化攝像機(jī)的參數(shù)，并將攝像機(jī)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。lt1665產(chǎn)生一組cmos傳感器需要的8路模擬參考電壓。應(yīng)用dataflashat45db041b保存fpga上電配置文件。溫度傳感器max6630可獲得攝像機(jī)內(nèi)部的工作溫度數(shù)據(jù)，對于攝像機(jī)工作環(huán)境溫度過高的情況，可以向上位機(jī)發(fā)出報警，并采用制冷措施。攝像機(jī)總體結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 cmos數(shù)字?jǐn)z像機(jī)總體框圖

fpga并行邏輯配置的mcu實現(xiàn)

　設(shè)計中應(yīng)用xilinxfpgaxc2vp4為時序邏輯控制單元和圖像預(yù)處理核心，因此每次fpga上電開始工作前必須將配置文件加載到fpga內(nèi)部的sram中，這個過程就是fpga的邏輯配置(fpgaconfiguration)。為實際應(yīng)用和攝像機(jī)圖像處理功能二次開發(fā)需要著想，采用并行邏輯配置的方法，可以減少攝像機(jī)的配置時間。設(shè)計中使用高檔mcuat89ls8252作為攝像機(jī)的控制器，實現(xiàn)rs232串口下載配置文件在電路邏輯配置icr(in-circuitreconfigurability)功能。為攝像機(jī)的使用者開發(fā)攝像機(jī)fpga圖像預(yù)處理功能提供了方便的配置方法，從而不用使用fpga專門的配置芯片和配置電纜，減少了攝像機(jī)的端口，提高了攝像機(jī)的性能。

　at89ls8252是低功耗、高性能cmos8位微控制器，內(nèi)含8kb的flash程序存儲器可用spi串行接口總線進(jìn)行程序下載和2kb的eeprom，256b的片內(nèi)ram，32線可編程i/o，3個定時器，9個中斷源、6個中斷矢量，可編程uart串口，具有低功耗節(jié)電方式，可低電壓供電、工作電源范圍2.7～6v，最高工作頻率為12mhz，可編程看門狗定時器wdt，雙數(shù)據(jù)指針dptr0和dptr1，具有斷電標(biāo)志位pof，spi外圍器件擴(kuò)展串行口。設(shè)計中選用體積最小的44引腳tqfp貼片封裝at89ls8252_12ai，工作電壓為3.3v，工作頻率為11.0592mhz。所有器件都使用3.3v單電源供電，采用3.3vcmos數(shù)字電路邏輯電平。單片機(jī)的引腳定義和fpga配置接口電路的實現(xiàn)見圖2。

圖2 mcu接口定義原理圖

　xilinxfpga有5種配置模式，本設(shè)計中