机器人视频采集卡001VC302.doc

1.主要特性2.应用领域3.技术特点4.原理框图5.机械尺寸及引脚功能6.功能描述6.1 视频输入接口6.2 数据接口6.3 寄存器6.3.1 寄存器寻址6.3.2 寄存器描述6.4 中断信号6.5 操作描述6.5.1 初始化6.5.2 单次采集6.5.3 连续采集6.5.4 输出数据结构6.6 工作指示 LED6.7 总线时序7.应用指南7.1 应用概述VC302 嵌入式图像采集卡用户手册目 录7.2 基于 PC 机 ISA 总线接口卡的开发系统7.3 基于 89C52 单片机的评估板7.4 使用注意事项7.5 其它相关说明本文初稿时间2002 年 9 月 最后一次更新时间2002 年 10 月本文中所使用的数字未特别说明的均为 10 进制表示 数字前加 0x前缀的为 16 进制表示本文假定读者已具备视频相关的基本知识 否则建议读者先到我公司网站 技术专题探讨区查阅数字视频基本知识探讨其中讲述了模拟视频信号的结构数字视频流的结构BMP 文件格式彩色空间转换以及怎样把 YUV 格式的数字视频流保存为 BMP 格式的图形文件 武汉万德数码技术有限公司 第 1 页 共 14 页1.主要特性VC302 嵌入式图像采集卡用户手册提供电源电压为 5V 和 3.3V 的两种版本输入 PAL 制彩色复合视频信号或 50Hz 黑白视频信号数据接口为 8 位并行总线25ns 快速数据建立时间 含中断信号输出电源电压为 5V 或 3.3V 时 数据接口 I/O 电压均为 3.3V 并与 5V 系统兼容仅含 4 个寄存器操作简便支持 4 种输出图像格式320*240*8 位黑白320*240*16 位彩色640*240*16 位彩色640*480*8 位黑白内含 3M 位 FIFO 帧存储器每次采集并缓存 1 帧支持最高 25 帧/秒采集速度电路板尺寸 80*50mm采用表面贴装工艺提供了完整的静止和活动图像采集方案2.应用领域适用于各种嵌入式图像采集处理系统如远程监控安防远程抄表可视电话工业控制图像模式识别医疗仪器等领域3.技术特点VC302 是兼顾多种应用系统的需要而设计的具有良好的兼容性和图像质量VC302 支持最高 25 帧/秒的采集速度总线数据建立时间仅 25ns支持 3.3V 的电源和 I/O 电压这些特性适应由高速 DSP 处理器构成的实时采集处理系统的需要另一方面它又支持 5V 的电源电压并兼容 5V 的 I/O 电压数据接口可以直接与 5V 系统连接 FIFO 存储器的容量足以缓存整帧图像可以在采集完成后空闲下来再由主机慢慢读取数据这些特性又能够适应常用的 89C51 等低速处理器的需要VC302 采用 FIFO 式存储器在内部进行采集的同时主机外部微控制器 MCU就可以读取已采集的数据而不必等待一帧全部采集完成VC302 具备中断信号输出这些特性可以提高主机的处理效率VC302 具有 3 个片选信号在简单的应用系统中可以不必使用额外的地址译码电路而直接使用这3 个片选信号进行地址译码VC302 支持 4 种图像输出格式320*240*8 位黑白 格式和 320*240*16 位彩色 格式的数据量较小适用于使用黑白或彩色液晶显示器的手持设备同时也具有较好的清晰度可以满足大部分图像处理系统的要求640*240*16 位彩色 格式在水平方向有更高的分辨率适用于测量领域如拍摄锅炉上的彩色的柱状液位指示条等640*480*8 位黑白格式的像素数较多图像的清晰度比其它格式有一定提高当输入视频信号的分辨率较高时其图像的清晰度比其它格式有明显提高可应用于对分辨率要求较高的领域设定或切换上面的 4 种格式只需改变寄存器的设置而不必改变硬件跳线VC302 采用了表面贴装工艺其机械尺寸仅为名片的 4/5体积小巧 其电源电压低耗电电流小特别适用于电池供电的手持设备 武汉万德数码技术有限公司 第 2 页 共 14 页4.原理框图5.机械尺寸及引脚功能VC302 嵌入式图像采集卡用户手册VC302 的机械尺寸接口位置引脚排列如下图 武汉万德数码技术有限公司 第 3 页 共 14 页VC302 的接口引脚功能如下表视频输入接口VC302 嵌入式图像采集卡用户手册引脚号12总线数据接口引脚号12345678910111213141516171819206.功能描述6.1 视频输入接口名称VGNDVIN名称GNDVDDINTRDWRA0A1CE0CE1CE2D7D6D5D4D3D2D1D0状态信号地输入状态电源输入电源输入输出输入输入输入输入输入输入输入输入/输出/高阻输入/输出/高阻输入/输出/高阻输入/输出/高阻输入/输出/高阻输入/输出/高阻输入/输出/高阻输入/输出/高阻功能模拟视频信号地模拟视频信号输入功能电源地+5V/3.3V 电源中断信号输出读低电平有效写低电平有效地址总线地址总线片选 0低电平有效片选 1低电平有效片选 2数据总线数据总线数据总线数据总线数据总线数据总线数据总线数据总线视频输入接口的电特性如下表项目最小值输入阻抗典型值75最大值输入电容10PF15PF20PF信号幅值0.42 Vpp1Vpp1.68 Vpp从视频输入接口输入 PAL 制彩色复合视频信号 或 50Hz 黑白视频信号 在输入彩色复合视频信号时可以使用黑白采集模式从而得到黑白图像在输入黑白视频信号时也可以使用彩色采集模式但输出的图像仍然是黑白的为了减少从电源地上引入的共地干扰视频输入接口中的视频信号地应与电源地或机壳隔离即从视频输入插座 一般是莲花座或 BNC 插座 到视频输入接口之间使用一根单独的连线 最好是屏蔽线这根线中的视频信号地不要和电源的地线连到一起如果机壳与电源地是连在一起的那么视频输入插座应与机壳之间绝缘6.2 数据接口VC302 的数据接口是标准的 8 位并行总线对其的访问方法与读写静态随机存储器SRAM类似VC302 的内部电源电压为 3.3V 当输入电源电压为 5V 时 由内部的线性调整稳压器将其变换为 3.3VVC302 的数据接口 I/O 口电压为 3.3V但可以承受 5V 输入输入和输出电压与 5V TTL 或 CMOS 电平兼容 武汉万德数码技术有限公司 第 4 页 共 14 页数据总线接口直流特性如下表VC302 嵌入式图像采集卡用户手册项目电源电源电压5V 版本电源电压3.3V 版本电源电流电源纹波输入低电平电压高电平电压电容输出低电平电压低电平电流高电平电压高电平电流负载电容6.3 寄存器6.3.1 寄存器寻址信号真值表最小值4.5V3.1V-0.5V2V2.4V典型值5V3.3V230mA10PF8 mA4mA15PF最大值6V3.5V80mV0.8V5.25V0.4VCE2CE1CE0RDWRD7.D0 数据总线状态11110000其它00000011-0101-高阻输出输入高阻高阻寄存器寻址表RDWRA0A1寻址的寄存器属性1100-0011-0101其它0101CAP_CTL(采集控制寄存器)CAP_MODE(采集模式寄存器)CAP_YUV(像素数据寄存器)CAP_STU(采集状态寄存器)保留只写只写只读只读从上表可以看出地址信号 A0 与 A1 的值总是相同的 因此主机可以只用一根地址线同时驱动 A0 和A1 VC302 在设计上之所以没有把这两个地址线合并是为了与我公司生产的 VC301 型采集卡的接口保持兼容VC301 型采集卡可采集 640*480*16 位彩色图像内部具有较多的寄存器需要用两根地址线来寻址寄存器位定义如下表(表中的 -代表不确定值或任意值)名称位定义D7D6D5D4D3D2D1D0CAP_CTL采集控制寄存器-CAP_MODE采集模式寄存器-MODE1MODE0CAP_YUV像素数据寄存器YUV7YUV6YUV5YUV4YUV3YUV2YUV1YUV0CAP_STU采集状态寄存器-CAP_FINISH480CAP_FINISH240CAP_FINISH10 武汉万德数码技术有限公司 第 5 页 共 14 页6.3.2 寄存器描述VC302 嵌入式图像采集卡用户手册CAP_CTL(采集控制寄存器)主机对此寄存器写入任意值可以启动一次采集过程此寄存器是一个虚拟寄存器主机对此寄存器执行写操作时VC302 把总线上的 WR 信号反相产生内部的 CAP_START 脉冲CAP_START 脉冲会复位内部的 FIFO 存储器读地址指针写地址指针及其它与采集过程相关的电路,并启动一次采集过程CAP_MODE(采集模式寄存器)主机通过此寄存器来设定采集模式输出图像格式如下表采集模式MODE1MODE0输出图像格式012300110101320*240*8 位黑白320*240*16 位彩色640*240*16 位彩色640*480*8 位黑白CAP_YUV像素数据寄存器主机通过读此寄存器来获取图像数据CAP_STU采集状态寄存器主机通过查询这个寄存器来获知采集过程中的进度信息如下表位说 明CAP_FINISH10在 CAP_START 脉冲上升沿清 0第 10 行像素数据写入 FIFO 存储器后置 1CAP_FINISH240在 CAP_START 脉冲上升沿清 0第 240 行像素数据写入 FIFO 存储器后置 1CAP_FINISH480在 CAP_START 脉冲上升沿清 0第 480 行像素数据写入 FIFO 存储器后置 1对于模式 012 共采集 240 行因此 CAP_FINISH240=1 时表明采集完成而对于模式 3共采集 480 行 CAP_FINISH240=1 时表明已采集完一场 CAP_FINISH480=1 时 表明已采集完两场 采集完成6.4 中断信号中断信号 INT 是 CAP_STU 寄存器的 CAP_FINISH10 位反相后的输出通常可将 INT 连接到微控制器 MCU 的中断输入引脚 并将 MCU 的中断输入设定为下降沿触发方式这样当中断触发时说明已采集完成 10 行像素 MCU 可以开始读取像素数据6.5 操作描述VC302 在设计上充分考虑了易用性隐藏了繁杂的视频处理细节以降低二次开发的难度6.5.1 初始化VC302 对电源上电过程没有特别的要求在电源上电后内部有一个复位和初始化过程从电源上电到初始化完成的时间约为 700ms 在 VC02 初始化过程中 主机不应对其进行读写操作 初始化完成后 VC302进入空闲状态准备接收采集命令6.5.2 单次采集要实现一次采集过程主机应首先写 CAP_MODE 寄存器 以设定采集模式然后写 CAP_CTL 寄存器以启动采集随后主机应查询 CAP_STU 寄存器的 CAP_FINISH10 位或者等待 INT 引脚上的中断当CAP_FINISH10 位=1 或 INT 上出现下降沿时 说明 FIFO 存储器中已存放了 10 行像素数据 此后主机可以开始读取 CAP_YUV 寄存器来取得图像数据输入的模拟视频信号在 VC302 内部按照 CCIR601 标准解码解码后每场含 288 个有效行 每行含 720个有效像素对于 4 种采集模式VC302 内部的采集过程分别如下表所描述采集模式01输出图像分辨率320*240320*240采集过程采集 CAP_START 脉冲后的紧接着的下一个奇场 截取奇场中 288 行中的 240行对于每行中的 720 像素先按 1/2 抽样得到 360 个像素 然后截取中间的 320 个像素23640*240采集 CAP_START 脉冲后的紧接着的下一个奇场 截取奇场中 288 行中的 240行对于每行中的 720 像素截取中间的 640 个像素640*480采集 CAP_START 脉冲后的紧接着的下一个奇场以及紧接着这个奇场的下一个偶场截取每场的 288 行中的 240 行共 480 行对于每行中的 720像素截取中间的 640 个像素 武汉万德数码技术有限公司 第 6 页 共 14 页VC302 嵌入式图像采集卡用户手册下图示意了不同模式下单次采集的流程为了启动一次采集过程主机可以在任何时候写 CAP_MODE 和 CAP_CTL 寄存器如果一次采集过程尚未完成而主机又写了 CAP_CTL 寄存器则这次采集过程被立即中止并重新启动一次新的采集过程在一次采集过程完成之前除非主机准备启动新的采集过程否则不应再修改 CAP_MODE 寄存器的值如上图所示内部写 FIFO 的时间开始于在奇场的 2.5ms 处 紧接着再经过 0.6ms 写完第 10 行CAP_FINISH10 置 1 在一场中内部写 FIFO 过程共写入 240 行的总时间是 15.3ms内部写 FIFO 完成后 2.2ms 奇场结束对于模式 3还要在偶场中重复一次这样的过程为了得到正确的数据主机必须在 CAP_FINISH10 置 1 后才能读取 CAP_YUV 寄存器实际上就是读取FIFO主机可以在 CAP_FINISH10 置 1 后的任何时候比如 CAP_FINISH240 置 1 后 或 CAP_FINISH480 置1 后或其它任何时候读取 FIFOFIFO 存储器中缓存了整帧图像数据除非被主机读走否则 FIFO 中的数据就一直存在因此对于主机读 FIFO 过程的时间长短没有限制在读取数据的过程中必须避免 FIFO 被 读空如果主机在 CAP_FINISH10 置 1 后立即开始读取 FIFO数据这时 VC302 内部写 FIFO 的过程也同时在进行如果主机读 FIFO 的速度比内部写 FIFO 的速度快那么就可能出现 FIFO 被读空 以模式 1 为例 图像总数据量为 320*240*2=153600 字节内部写 FIFO 时间约 15.3ms因此写 FIFO 的平均速度为15.3ms/153600 字节=99ns/字节主机应保证在内部写 FIFO期间读 FIFO 的平均速度小于 99ns/字节 比如对于高速 DSP可以插入总线等待周期为避免对高速主机的总线速度的限制可以采取一些间接的办法比如在内部写 FIFO 完成CAP_FINISH240 置 1后再开始读取或者在内部写 FIFO 开始 CAP_FINISH10 置 1后延迟一段适当的时间再开始读取对于其它采集模式读者可做类似计算如果主机的速度较慢比如 24M 主频的 89C51 两次读的间隔至少为 1000nsFIFO 不可能被读空所以可以不必考虑这个问题 武汉万德数码技术有限公司 第 7 页 共 14 页6.5.3 连续采集VC302 嵌入式图像采集卡用户手册VC302 的连续采集实际上是由连续的单次采集组成的对于模式 0 1 2 当达到最高采集速度 25 帧/秒时 每个采集循环的周期为 40ms 在 CAP_FINISH10置 1 后主机可以开始读取数据在 CAP_FINISH10 置 1 后约经过 37.5ms 下一个需采集的奇场来临主机必须在这个奇场来临前启动新的采集过程否则将错过这一场对于模式 3当达到最高采集速度 25 帧/秒时 从内部写 FIFO 完成到下一次采集开始之间的间隔时间仅 2.2ms一般来说主机难以在这么短的时间内读取和处理完数据因此模式 3 实用的最大采集速度是12.5 帧/秒此时每个采集循环的周期为 80ms在 CAP_FINISH10 置 1 后约经过 77.5ms下一个需采集的奇场来临主机同样必须在这个奇场来临前启动新的采集过程下图示意了不同模式下连续采集的流程6.5.4 输出数据结构对于模式 0 和模式 3 采集的图像是黑白图像 仅含一个亮度分量 Y 描述每个像素只需要 1 个字节对于模式 0总的数据量是320*240=76800 字节主机读 FIFO 时首先读得的是图像的第 1 行的第 1 个像素最上边的一行的最左边的像素然后读得的是第 1 行的第 2 个像素如此类推图像数据按照从左到右从上到下的顺序依次输出对于模式 3总的数据量是640*480=307200 字节由于采用两场拼合的方式首先读得的是图像中的奇数行的数据然后是偶数行即首先输出第 135439 行的数据紧接着是第 246480 行的数据每行 640 个字节由于模式 3 实际上连续采集了 2 场所以如果只读取 640*240=153600 字节数据那么得到的就是一帧像素分辨率为 640*240 的黑白图象对于模式 1 和模式 2 采集的图像是彩色图像除亮度分量 Y 外还有色度分量 UV图像格式遵循 YUV422 标准 U 或 V 分量的水平采样率是 Y 分量的 1/2 描述每个像素平均需要 2 个字节 对于模式 1总的数据量为320*240*2=153600 字节主机首先读得第一行的数据每行共 320 像素640 字节在一行中数据输出的顺序为U0Y0V0Y1U1Y2V1Y3UnY2nVnY2n+1U159Y318V159Y319如此类推对于模式 2总的数据量为640*240*2=307200 字节主机首先读得第一行的数据 每行共 640 像素 1280 字节 在一行中数据输出的顺序与模式 1 不同 为 Y0 U0 Y1 V0Y2 U1 Y3V16.6 工作指示 LEDY2nUnY2n+1VnY638U319Y639V319如此类推工作指示 LED 指示了 VC302 的工作状态 当 VC302 空闲时LED 点亮当 VC302 内部写 FIFO 时LED熄灭以指示正在进行图像采集如果 LED 以约 1 秒的间隔循环点亮和熄灭则表明检测到内部硬件错误请与经销商或我公司联系维修事宜 武汉万德数码技术有限公司 第 8 页 共 14 页6.7 总线时序时序说明如下表名称VC302 嵌入式图像采集卡用户手册说 明最小值典型值最大值单位t1地址有效到写脉冲下降沿或读脉冲下降沿的时间t2写脉冲上升沿或读脉冲上升沿到地址无效的时间t3读脉冲宽度t4读周期数据建立时间t5读周期数据保持时间t6写脉冲宽度t7写周期数据建立时间t8写周期数据保持时间t9连续 2 次读 FIFOCAP_YUV 寄存器时读脉冲之间的间隔55301273801025nsnsnsnsnsnsnsnsns对于总线时序需要特别注意的是两次连续的读 FIFO就是读 CAP_YUV 寄存器之间的间隔应大于 80ns对于低速单片机比如 51 系列96 系列和中速单片机比如 AVR 系列由于主机速度慢可以不必考虑时序问题但对于高速的 DSP 处理器 比如常用的 TMS320C5402则必须仔细计算总线之间的时序配合必要的时候要插入总线等待周期另外当主机与 VC302 之间的连接线较长时还要考虑信号在线路上的延迟 武汉万德数码技术有限公司 第 9 页 共 14 页7.应用指南7.1 应用概述VC302 嵌入式图像采集卡用户手册对于图像处理系统目前主要还依赖于 PC 机 在 PC 机上可以安装基于 PCI 总线的图像采集卡 视频捕捉卡使用微软公司提供的 VFWVideo For Windows 开发包来开发各种应用系统但是对于一些简单的应用比如只需要采集和传输少量图像PC 机就显得过于臃肿操作也比较繁杂这实际上限制了类似的应用工业现场控制常采用 PC104 系统但是却鲜见与 PC104 配套的图像采集卡 纵便有价格也较昂贵随着技术的发展对图像处理系统的需求正日益旺盛比如图像模式识别图像存储图像遥视图像测量等这些应用通常只是一个手持设备或者一个小型的机顶盒要求其可靠性高操作简便通电即可使用这样的应用更适合采用单片机或 DSP 来构建当然同时需要能与单片机或 DSP接口的图像采集卡而 VC302 就是针对这样的应用而量身订做的由于视频数据的数据率高数据量大既涉及硬件又涉及软件其处理无疑是复杂的为了帮助用户在 VC302 的基础上尽快地开发出自己的产品 我公司同时提供基于 PC 机 ISA 总线接口卡的开发系统以及基于 89C52 单片机的评估板并提供所有单片机及 PC 机相关程序的源代码 以帮助用户快速地进行二次开发7.2 基于 PC 机 ISA 总线接口卡的开发系统我公司提供的 VC30X 接口卡是一片 ISA 总线卡外观如图所示其内部包含了地址译码总线缓冲等电路该卡占用 PC 机的 0x300 至 0x30F 的 I/O 地址空间 将该卡与 VC302 连接后VC302 的寄存器被映射到 PC 机 I/O 口 0x300 和 0x303对应关系如下表读写 PC 机 I/O 口读 0x300写 0x300读 0x303写 0x303读写 VC302 寄存器读 CAP_YUV写 CAP_CTL读 CAP_STU写 CAP_MODE在 PC 机上可以使用 C VC VB 等语言编写程序通过该卡对 VC302 进行操作 我公司也同时提供了 VC302嵌入式图像采集卡测试程序 ISA 接口卡版该程序可操纵 VC302 来设定采集模式 采集图像传输图像数据显示图像和保存图像文件另外当硬件发生错误时可以给出少量的提示信息程序界面及采集的图像效果如图所示注意该程序应在 WIN98 操作系统下安装使用在安装该卡前请首先关闭计算机的电源将该卡插入空闲的 ISA 插槽 然后连接电缆和 VC302最后打开 PC 机电源该程序在采集图像时会将图像以 BMP 格式保存在应用程序所在的目录下 使用 VC30X 接口卡时请注意其占用的 I/O 地址是否与其它插卡相冲突如果相冲突请修改其它插卡的 I/O 地址或将其它插卡暂时拔掉该卡的所有输出 I/O 引脚都已与 ISA 总线隔离 外部的误操作一般不会对 PC 机造成损坏但应特别注意不要使电源短路另外不要带电拔插 武汉万德数码技术有限公司 第 10 页 共 14 页7.3 基于 89C52 单片机的评估板VC302 嵌入式图像采集卡用户手册我公司提供的基于 89C52 单片机的评估板实物图及接口引脚如图所示该评估板的电路原理图请见下一页评估板包含一个总线接口直接连接到 VC302包含一个电源接口输入+5V/400mA 电源包含一个RS232 通信接口连接到 PC 机的串口 1注意 必须使用串口 1而不能使用其它串口与配套提供的PC 机程序通信 评估板通电后处于空闲状态 当接收到 PC 机程序通过串口发来的采集命令后 就操作 VC302开始采集图像并将得到的图像通过串口传回给 PC机评 估 板 主 频=22.1184MHz串口速度为115200bps采集并传输一帧 320*240 像素的彩色图像约需 15 秒时间详细的程序说明请参见单片机源代码由电路原理图可知因为电路简单所以没有使用地址译码和地址锁存电 路当 单 片 机 地 址 线A15=1 时VC302 的 CE2 片选有效 单片机的地址线 A14 A13 分别被连接到 VC302 的地址线 A1 A0 因此单片机的 I/O 空间与 VC302的寄存器映射关系如下表 武汉万德数码技术有限公司 第 11 页 共 14 页单片机 I/O 口读 0x8000写 0x8000读 0XE000写 0XE000VC302 嵌入式图像采集卡用户手册VC302 寄存器读 CAP_YUV写 CAP_CTL读 CAP_STU写 CAP_MODE我公司提供的 VC302 嵌入式图像采集卡测试程序串口版 的程序界面及采集的图像效果如图所示注意该程序应在 WIN98 操作系统下安装使用 武汉万德数码技术有限公司 第 12 页 共 14 页 VC302 嵌入式图像采集卡用户手册 武汉万德数码技术有限公司 h ttp: / ww w. wo nd u r.c om 第 13 页 共 1 4 页7.4 使用注意事项VC302 嵌入式图像采集卡用户手册VC302 的引脚都有静电保护但还是应该尽量避免触摸引脚更不要带电拔插以减少损坏的可能由于驱动能力的限制 同时在高速应用时为了减少信号在线路上的延迟 应尽量缩短连接主机与 VC302的电缆线的长度电源噪声和纹波对图象质量有一定影响应尽量使用稳压电源对 VC302 供电通电前请仔细地检查电源极性及电压如果电源极性接反或电压过高将导致不可恢复的损坏个别型号的影碟机或电视机的开关电源内部的信号地与交流电源间连接有消振电容采用这些设备的视频输出作 VC302 的信号源时容易引入交流干扰可能会在采集的图像上出现一条水平波纹要解决这个问题可串接视频隔离放大器或换用标准的摄像机作信号源7.5 其它VC302 嵌入式图像采集卡有 3.3V 电源电压和 5V 电源电压两种版本如果订货时不特别申明则提供的是 5V 版本我公司长期生产和供应 VC302 嵌入式图像采集卡提供耐心细致的技术支持和完备的售后服务请广大用户放心选用武 汉 万 德 数 码 技 术 有 限 公 司电 话( 0 2 7 ) 8 8 0 3 8 8 8 9传 真( 0 2 7 ) 8 8 0 2 0 2 8 9网址电子邮件sale 武汉万德数码技术有限公司 第 14 页 共 14 页