车载低端图像数据采集压缩存储及传输系统的实现

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概述

        在某些需要无人控制自动监视的场合，采用常规的图像监视系统具有一些不可避免的弊端，例如：设备体积于庞大、采购费用高、需要足够的电源供应、无法重复录制等等。尤其在不需要连续图像采集的场合，常常无法采用常规的图像监视系统。根据长途汽车对上车人员进行记录的应用要求，开发了一套基于EZ-USB的低端图像数据采集存储及传输系统。

        本系统采用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV7620作为采集芯片，Zoran公司的ZR36060作为数据压缩芯片，Cypress的带USB接口的单片机AN2131QC作为总控制芯片和USB数据传输芯片。由于长途汽车的乘客上下车是非连续的过程，对图像数据的保存要求就相对较低，因而采用Hynix的NAND闪存芯片HY27UA082G1M对图像数据进行保存。这样不但减小功耗，还可以实现重复存储，系统还包括用于图像数据缓存的FIFO。

        该图像数据采集系统具有集成度高、传输速度快的优点，能够弥补常规图像监视系统的缺点，可望在低端的视频图像领域(如便携式图像系统)填补空白。

        CMOS彩色图像传感器OV7620将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能，能够消除噪声、灯光闪烁等光电干扰，输出清晰、稳定的彩色图像。OV7620的功能特点包括：单芯片1/3寸镜头，最大664×492像素分辨；I2C控制，标准SCCB接口；开窗功能，局部图像输出；输出RGB/RawRGB/YCbCr视频信号；自动曝光控制/自动白平衡/自动增益控制/自动亮度控制；图像质量控制，包括颜色饱和度、锐度、伽马校正等。

        如图1是OV7620的内部框图，视频图像采集以后，通过模数转换电路和控制处理后转换为数字视频信号输出，视频的控制时序由时序产生电路来生成，对外输出的数字信号为图像数据Y[7:0]和UV[7:0]。定时信号包括图像时钟PCLK、奇偶场信号FODD、行同步CHSYN、有效像素HREF、场同步VSYNC。由于它采用I2C的标准SCCB控制，可以采用单片机模拟SCCB总线，对图像帧频、曝光时间、增益控制、伽马校正等进行控制，还可以预设图像的分辨率、采集区域等。
         JPEG编解码芯片ZR36060是专为视频采集与编辑应用而设计的，可以方便地实现对视频信号的实时压缩和解压缩，其内部框图如图2所示。在进行压缩时，ZR36060接受YUV4:2:2数字视频信号，将其编码为JPEG码流输出；在解压缩时，ZR36060接受JPEG码流，将其解码为YUV4:2:2数字视频信号输出。　

        ZR36060具有以下特点：视频压缩和扩展功能，对像素块和CCIR视频信号可实现高达25～30帧/秒的压缩；灵活的数据接口，支持三种YUV视频接口模式，即8位主模式、16位从模式和8位从模式；提供同步主模式和同步从模式两种视频同步方式，前者是芯片内部产生所有的定时信号，后者则是芯片自己同步于一个外部的视频源；3种不同的比特率控制模式用于静止和运动视频的压缩；可以和多种常用视频解码器实现无缝连接。

        由于视频图像文件的数据量非常大，一副没有经过压缩的8级灰度黑白视频图像的大小为664×492＝327KB。如果不对图像进行压缩，其占用Flash存储器的空间将非常大。因而利用ZR36060的特点以及可以很方便地进行设置的特点，在本视频采集设备上采用了该芯片。

        AN2131QC是Cypress公司开发的USB1.1协议的单片机，可以非常方便地开发USB外设。AN2131QC具有51单片机的所有特点，而且速度更快，可以使用51单片机的通用指令集。采用EZ－USB芯片的系统设计无需考虑端点数量、缓冲区尺寸和传输速度的限制。每个芯片内嵌一个EZ—USB核，能处理绝大多数USB事务，大大简化了程序代码，加速了开发进程。
         如图3所示，整个图像数据系统由采集、压缩、存储、传输几个部分组成。OV7620的设定是通过基于图像的数码相机串行总线SCCB，在AN2131单片机中不能直接产生控制信号，所以必须利用AN2131QC的两个引脚进行模拟，图4所示是其读写传输的时序。为了节省空间，将OV7620的输出方式设定为16位视频总线，但只取其中[Y7：0]的灰度图像数据、采集视频的同步和图像时钟送往ZR36060。
         图像压缩ZR36060使用视频同步从、8位代码主和8位视频总线模式，即由单片机通过8位数据总线[DATA7:0]对其内部寄存器进行工作方式设定(初始化)，视频时钟和同步由OV7620产生，ZR36060采样同步信号与之同步，接受[Y7：0]的视频灰度信号进行压缩，压缩后的JPEG图像由[CODE7:0]输出直接送入FIFO中缓存。

        NAND式FLASH有可能存在坏块，这就要考虑物理地址和虚拟地址的对应问题，所以建立了一个对应关系表，并存在FLASH的头几个块中，该表不断更新，随坏块的增加而变化，同时还记录了数据的保存位置。这样在初始化时，可以直接读取图像数据分配情况。为了记录FIFO的数据，采用类DMA的存储方法。单片机先从[D7：0]口输入命令和计算的地址的串行信号，然后发出命令使能FIFO的RE输出并计数，当到达一页的数量512个字时，重新上述输入过程。
         对采集和压缩芯片初始化以后，就进入对图像数据压缩的控制阶段，并确保图像数据保存在完好的FLASH数据块中，延时时间到达时，将FLASH的图像数据最旧的那个块擦除，以确保下次保存时使用。图像采集部分程序框图如图5所示。
系统功能介绍

        将本系统安装在长途客车的上客处，当有人员经过时，图像和采集过程启动，并延时3s后停止采集，同时将采集的数据压缩后送入FLASH中保存。经过设定，图像的分辨率为640×480，刷新率为15帧/秒，压缩后每帧图像为15KB左右的MJPG的图像数据。每次采集的图像为15K×3×15＝675KB，这样两块256M×8Bit的FLASH可以记录700～800人次的图像数据，可以满足本车载图像采集系统的需要。