2图像采集装置的系统总体设计
2.1系统总体设计
整个图像采集装置由数字摄像头、图像采集系统、图像处理系统三个模块组成，其结构如图2.1所示。
数字摄像头 （OV6620传感器） 数据总线等 图像采集系统 （单片机） 串行通信 PC机 图2.1 图像采集装置系统框图
数字摄像头负责将图像转化为数字图像信息，通过并行总线将数字信号送往单片机，单片机通过RS232串行通信接口将所采集到的图像信息送到上位PC机上，在PC机上完成对图像的处理。
2.2 系统的软硬件设计
系统硬件设计主要包括单片机最小系统的设计、供电电路的设计、数字摄像头接口电路的设计、RS232串行通信接口电路的设计。
软件设计中涉及到下位单片机的RS232串行通信子程序和图像采集子程序、上位PC机的图像处理程序。
后面章节将详细讲述相关部分的设计。
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3图像采集系统硬件设计
3.1数字摄像头概论
图像数据能够进入计算机的只有数字形式，然而自然界中的图像是其他形式的信息，如何转化图像信息开始被人们所思考。随着科技的发展，技术的提高，一种名为摄像头的图像摄取装置发展起来。
摄像头的工作原理：首先景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面，然后转为电信号，经过处理转换后变成的数字图像信号在处理芯片中进一步加工处理，再通过外围接口传输到电脑中处理，最终通过显示器可以观察到图像。
摄像头可以分为两类，若图像数据是在摄像头和采集卡两部分完成数字化的，此摄像头就是模拟摄像头；然而若是在摄像头内部完成数字化的则是数字摄像头。数字摄像头不仅可以减少图像的噪音，而且与模拟摄像头相比，它更显著的提高了摄像头的信噪比、增加了摄像头的动态范围以及最大化图像灰度范围。目前，摄像头的研究围绕数字摄像头展开。
数字摄像头的芯片主要分为CCD和CMOS两种。CCD（Charge Coupled Device），又称为电荷耦合器件，以百万像素为单位。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。此类摄像头与胶卷的原理相似，即光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但又有不同，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力，因此所有图形数据都会不停留地送入一个A/D转换器，一个信号处理器以及一个存储设备如内存芯片或内存卡等。CCD有各式各样的尺寸和形状，其中，最大的有2×2平方英寸。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，又叫做互补金属氧化物半导体。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一，在今后的发展应用中有着举足轻重的地位。
数字摄像头中的图像传感器是其主要元器件，依据CCD与CMOS芯片构成的两种在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的传感器，即：
（1）在内部结构（传感器本身的结构）上，CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本；CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如
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同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，可以通过简单的X－Y寻址技术读取信号。
（2）在外部结构（传感器在产品上的应用结构）上，CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，运行速度较慢，而CMOS光电传感器在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，运行速度比CCD电荷耦合器快很多。除此之外，CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数字相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。
从上述两种数字摄像头的对比中可以得出，COMS数字摄像头满足设计的三条原则，安全可靠、集成度高、高性能、低噪音、成本低廉、经济实惠等。综上，本设计采用CMOS数字摄像头。
本设计中采用的数字摄像头主要由OV6620图像传感器构成，具体如图3.1所示。
图3.1 数字摄像头OV6620
OV6620摄像头模块采用OV6620彩色数字CMOS图像传感器，其图像是PAL制，一帧图像为352×288像素，数据格式为YCrCb4:2:2 GRB42:2和raw GRB 。OV6620的优点：供电电压低，简化电路；内部集成A/D和视频分离模块，简化电路，并且使得采集程序简单，采集质量高；视频信号转换在内部进行，减轻单片机负担。内部的I2C可编程用来调整摄像头的参数 (如最大灰度、对比度、曝光率控制等)，其本质是SCCB协议的寄存器写入。本设计采用默认模式，OV6620摄像头模块和MC9S12DGS12单片机的引脚连接图如图3.2所示。其中，Y0-Y7为灰度信号输出引脚，由于本系统只需识别道路中黑线。故只需提取数据格式为YCrCb4:2:2中的亮度信号Y。灰度信号Y0-Y7则可送MC9S12DG128单片机的B口。
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图3.2 OV6620图像传感器图像采集引脚连接
1. OV6620特征
OV6620图像传感器具有诸多特征，下面逐一说明：
· 101376像素（352x288）,1/4棱镜，CIF/QCIF格式
· 逐行扫描读出
· 数据格式：YCrCb 4:2:2, GRB 4:2:2 ,RGB Raw Data(RGB原始数据) · 8/16 bit 视频数据：CCIR601、CCIR656、ZV 端口 · 宽动态范围，抗模糊，零拖尾效应 · 电子曝光、增益、白平衡控制
· 图像增强：亮度、对比度、伽玛、饱和度、锐度、窗口等 · 内部/外部同步 · 帧曝光/行曝光选项 · 5V 工作电压，低电源消耗 · < 80 mW 工作功率 · < 10 uA 节电模式 · 伽玛校正(0.45/0.55/1.00) · SCCB 可编程（400kb/s）
· 色彩饱和度、亮度、对比度、白平衡、曝光时间、增益 2. OV6620功能
OV6620传感器包括一个356×292分辨率的图像阵列，一个模拟信号处理器，双8位模/数转换器，模拟视频复用器，数字数据格式器和视频端口，SCCB 接口和
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寄存器，数字控制包括时钟模块、曝光和黑白平衡。
OV6620 传感器是1/4-inch CMOS成像设备。该传感器含有约101376像素。其设计是基于逐行转换的场积累读出机制和同步像素读出机制的电子快门。传感器的色彩过滤器包括一个按行交替方式的原色RG / GB阵列。 3. 摄像头与单片机的连接
I2C总线控制 时钟信号 CMOS摄像头 OV6620 8位数据总线 片选信号 同步信号
图3.3 摄像头与单片机连接框图
OV6620与单片机MC9S12DG128芯片连接如图3.3所示，8为数据总线Y[7：0]连接到MC9S12DG128芯片的PB[7：0]，PCLK作为摄像头的时钟脉冲连接到MC9S12DG128芯片的ECLK，VSYNC作为场有效信号，连接到MC9S12DG128的PT2，HSYNC作为行有效信号，连接到MC9S12DG128的PT1，PT1、PT2是ECT(增强型捕捉定时器)模块中的引脚。利用增强型捕捉定时器模块的输入捕捉功能，每个通道可以拥有单独的中断向量，各通道分别设置成不同的触发极性，以满足HREF (行中断信号)，要通过下降沿捕捉及VSYN (场中断信号)，要通过上升沿捕捉的要求。摄像头的使能信号可以由MC9S12DG128单片机内部控制器来管理。MC9S12DG128单片机通过I2C总线来完成对摄像头内部控制器的管理。
通过VTO模拟图像输出引脚可以外接监视器来查看采集图像的质量。
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