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。分析了主要芯片繞行電感器的工作原理及時序，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，差模電感器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)中通過單片機的8位I一體電感O口將視頻數(shù)據(jù)讀回。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，在單片機與FIFO存儲器之間加了一級74HC245，作為數(shù)據(jù)大功率電感貼片電感器緩沖。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。
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，縱向分辨電感器的型號率基本都在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。
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