关键词：cmos数字摄像机；spi串行外设接口；fpga并行逻辑配置；微控制器

引言

　随着cmos图像传感器技术的不断完善，其性能不断提高，目前很多机器视觉和数字图像处理应用中开始使用cmos图像传感器设计数字摄像机，cmos图像传感器具有集成度高，功耗低，数字图像数据输出，控制时序简单等特点。因此本文提出一种利用mcu实现cmos数字摄像机控制系统硬件电路设计方案。设计中充分考虑到工业相机功能的扩展和相机自身图像预处理功能的二次开发，所以采用高性能的mcuat89ls8252来实现摄像机内部fpga(field programmable gate array)逻辑配置、在线逻辑下载、摄像机参数下载初始化、温度读出等控制功能。

cmos数字摄像机总体系统描述

　cmos数字摄像机机，一般由：图像传感器、时序逻辑产生单元、图像预处理单元、配置初始化控制单元、图像数据输出接口单元五部分组成。下面对各部分简要介绍：

　cmos图像传感器的时序逻辑一般由fpga产生，由3.3v或5v单电源对系统供电，也有一些高级cmos图像传感器需要外加一组电压较低的参考模拟电压，在系统提供的驱动时序下按像素时钟速率将8bit或10bit的像素数据分单通道和多通道连续输出。

　设计中应用xilinx公司的高性能的fpgaxc2vp4来完成驱动时序发生和图像预处理功能。摄像机内部对图像数据进行预处理，有利于上位机图像处理算法的简化，更能够提高图像处理的实时性。根据不同机器视觉应用的需要，可以为摄像机提供多种不同图像预处理方案，如灰度变换、动态范围扩展、中值滤波等，用户可以选择相应的配置文件下载到摄像机中，就能够实现需要的图像预处理功能。高级用户也可以根据自己应用需求，自行开发摄像机内部fpga图像预处理的算法，嵌入到fpga配置逻辑文件中，按照设计中的配置方法下载到摄像机中，就可实现用户自己开发的图像预处理功能。数字摄像机图像数据输出接口也有很多种方式，可以采用cameralink接口、以太网接口、usb接口、1394接口等。

　文中重点描述摄像机的逻辑配置和初始化控制单元的设计，以at89ls8252为控制器完成对fpga的并行配置功能，应用max3232串口芯片和上位机通信，完成接收fpga配置文件和初始化摄像机的参数，并将摄像机内部温度数据发送给上位机。lt1665产生一组cmos传感器需要的8路模拟参考电压。应用dataflashat45db041b保存fpga上电配置文件。温度传感器max6630可获得摄像机内部的工作温度数据，对于摄像机工作环境温度过高的情况，可以向上位机发出报警，并采用制冷措施。摄像机总体结构，见图1。

图1 cmos数字摄像机总体框图

fpga并行逻辑配置的mcu实现

　设计中应用xilinxfpgaxc2vp4为时序逻辑控制单元和图像预处理核心，因此每次fpga上电开始工作前必须将配置文件加载到fpga内部的sram中，这个过程就是fpga的逻辑配置(fpgaconfiguration)。为实际应用和摄像机图像处理功能二次开发需要着想，采用并行逻辑配置的方法，可以减少摄像机的配置时间。设计中使用高档mcuat89ls8252作为摄像机的控制器，实现rs232串口下载配置文件在电路逻辑配置icr(in-circuitreconfigurability)功能。为摄像机的使用者开发摄像机fpga图像预处理功能提供了方便的配置方法，从而不用使用fpga专门的配置芯片和配置电缆，减少了摄像机的端口，提高了摄像机的性能。

　at89ls8252是低功耗、高性能cmos8位微控制器，内含8kb的flash程序存储器可用spi串行接口总线进行程序下载和2kb的eeprom，256b的片内ram，32线可编程i/o，3个定时器，9个中断源、6个中断矢量，可编程uart串口，具有低功耗节电方式，可低电压供电、工作电源范围2.7～6v，最高工作频率为12mhz，可编程看门狗定时器wdt，双数据指针dptr0和dptr1，具有断电标志位pof，spi外围器件扩展串行口。设计中选用体积最小的44引脚tqfp贴片封装at89ls8252_12ai，工作电压为3.3v，工作频率为11.0592mhz。所有器件都使用3.3v单电源供电，采用3.3vcmos数字电路逻辑电平。单片机的引脚定义和fpga配置接口电路的实现见图2。

图2 mcu接口定义原理图

　xilinxfpga有5种配置模式，本设计中