1 简介

本文将通过DM642的视频口从两片CMOS图像传感器采集图像数据的解决方案来说明DM642与CMOS的接口。

2 DM642与CMOS图像传感器接口硬件设计

2.1 DM642视频接口简介

DM642具备三个专用的视频接口：Video Port0，Video Port1，Video Port2（下文中分别简称VPORT0,VPORT1,VPORT2）。其中，VPORT0和VPORT1作为视频采集接口，VPORT2作为视频显示接口。在本文中，我们将两片CMOS图像传感器分别接口在VPORT0和VPORT1上。下面主要介绍一下DM642视频采集接口的主要特性：

1． 采集时钟最高支持80MHz

2． 单个视频口支持双通道从数字摄像头和模拟摄像头（通过视频解码器数字化）以8/10bit的方式同时采集。数字视频输入格式以8bit或10bit分辨率的YCbCr 4:2:2格式，符合BT.656推荐标准。

3． 支持单通道采集Y/C 16/20bit的YCbCr 4:2:2数据，其中Y和Cb/Cr是独立的。支持SMPTE 260M，SMPTE 274M，SMPTE 296M，ITU-BT.1120以及更早的CCIR601标准。

4． 硬件支持YCbCr 4:2:2到YCbCr 4:2:0的转换和8bit YCbCr 4:2:2的1/2缩放。

5． 支持从AD转换器双通道直接采集10bit或单通道直接采集20bit的RAW格式图像数据。

DM642的视频接口内部集成了一个FIFO用来存储输入和输出的数据，通过DMA传输实现视频内部FIFO和外部或内存储器的数据搬移。通过内部寄存器的设置，可以实现当FIFO达到设置值满状态（对于采集）或者低于设置值空状态（对于显示）触发产生一个DMA事件。根据采集方式的不同，内部FIFO可以有不同的配置方式，本文中将要用到的是第5种采集方式：RAW格式图像采集，其内部FIFO的配置方式如图1所示：

图1 RAW方式图像采集内部FIFO配置

为了实现MT9T001采集图像数据，DM642的视频接口必须被配置成RAW采集方式。与通常的BT.656方式采集不同，当VPORT工作在RAW采集方式下，DM642不会进行数据选择和数据判断，而BT.656方式需要判断SAV/EAV同步码。RAW采集方式主要用于从ADC获取原始的图像数据。DM642视频口支持8/10/16/20BIT的RAW采集方式。在一些医疗影像的应用中，可能会用到诸如16、20BIT的高分辨率的A/D转换器。在本文中，我们将使用8/10 BIT RAW的采集方式从CMOS图像传感器中采集数据。

在RAW采集方式下，当CAPEN信号被使能时，VPORT开始采样VPxD数据线上数据。采样数据的大小可以通过VCxSTOP1的VCXSTOP和VCYSTOP比特位进行设置。通过VCXSTOP和VCYSTOP的组合，DM642允许单帧最多采样 个采样数据。当采样数据达到VCXSTOP和VCYSTOP所设置的值的时候，采样完成。此后，CAPEN信号必须保持至少2个时钟周期的无效状态。

帧同步处理对于RAW方式图像采集是一个很关键的因素。由于RAW方式采集的数据不包含任何类似于BT.656数据流那样的帧启停标识码(SAV/EAV CODE)也不提供外部的水平和垂直同步信号，帧同步是无法实现的。但是，VPORT提供了一种可以实现RAW采集模式下的帧同步的解决方法。通过设置VPORT的第一场采样开始寄存器VCxSTRT1，采样垂直消隐间隔VCVBLNKP，以及开始同步使能(SSE)位来间接的实现帧同步功能。

当SSE位被置位且视频口采样使能信号有效，在2个垂直消隐间隔以后，视频口将开始采集数据。通过设置VCVBLNKP位，可以定义一个垂直消隐信号时间的长度。为了保证在一帧数据开始的时候同步，VCVBLNKP必须赋予一个大于水平消隐的期望值且小于1/2垂直消隐间隔的值。值得注意的是：帧同步操作只在VPORT使能信号（VCEN＝1）有效后执行一次，如果在采集过程中，CAPEN信号被一个噪声干扰，帧同步信号将会丢失。如果需要重新同步，VPORT必须先被禁用，然后重新被使能。

2.2 MT9T001 CMOS图像传感器

在本文中，我们采用的是MICRON公司生产的一款CMOS图像传感器MT9T001，最高分辨率可以达到QXGA，有效像素阵列

为2048H×1536V。可实现片上开窗，行列跳跃像素，以及快照功能，内部寄存器编程采用I2C总线。

MT9T001可以既可以工作在其默认模式或者通过编程可以选择帧大小，曝光时间，色彩增益，以及其他相关参数。默认的工作模式是以12fps的帧率输出一个QXGA的图像，片载的AD转换器可以提供每个像素10Bit的分辨率。可提供行场同步信号，以及用于同步有效数据的像素时钟。

图2 MT9T001功能管脚描述

MT9T001的像素阵列为2112行×1568列，但是并不是所有的像素有是有效像素。如图3所示，从第0列到第27列以及从2085列到2111列，从0到15行以及从1561行到1567行都是光学暗区。这些光学暗区可以用来监视黑电平。

图3 CMOS图像传感器的像素阵列

MT9T001使用的颜色滤波阵列为Bayer颜色模式，如图3所示，偶数行包含绿色和红色像素，奇数行包含蓝色和绿色像素。偶数列包含蓝色和绿色像素，奇数列包含红色和绿色像素。MT9T001的像素输出采用的是逐行扫描模式。如图4所示，有效的图像数据是介于水平消隐和垂直消隐之间的。水平消隐和垂直消隐的宽度可以通过对寄存器Reg0x05和Reg0x06进行设置。在灰色的有效图像区域，行同步信号LINE_VALID始终处于高电平。

图4 CMOS图像传感器的有效像素区域

如图5 所示，MT9T001的数据输出是与时钟信号PIXCLK同步的，当LINE_VALID是高电平的时候，10-bit的像元在每个PIXCLK时钟周期输出，PIXCLK信号可以作为锁存数据的时钟。在默认情况下，输出数据在PIXCLK的下降沿有效，PIXCLK和主时钟是一致的。

图5 CMOS图像传感器的数据输出时序

2.3 VPORT和CMOS图像传感器的接口

通过以上的讨论，可以得出结论：采用RAW方式采集，DM642的视频接口可以实现与MT9T001的无缝接口。在本文中，我们用DM642的视频口VPORT0和VPORT1分别接口2片CMOS图像传感器，其硬件连接框图如图6所示：

图6 DM642和CMOS图像传感器接口原理框图

如图5所示，MT9T001图像传感器采用一个独立的48MHz外部有源晶振作为其主时钟输入，并作为像素时钟PIXCLK提供给DM642的VPORT的时钟输入管脚VPxCLK0。MT9T001的行同步信号作为RAW方式采集的使能信号输出给VPxCTL0，10BIT像素数据线分别与VPORT的数据线的低10位相连，DM642的I2C总线的时钟和数据也分别接传感器的I2C的时钟和数据管脚。传感器的输出使能和待机使能都被置低，使传感器时钟保持时钟输出允许和非待机模式。此外，对于TRIGGER，GSHT_CTL，FRAME_VALID，STROBE信号对于RAW方式采集下的VPORT无用，均采用浮空处理。

DM642通过I2C实现对CMOS图像传感器寄存器的读写操作，但是由于两片CMOS图像传感器的I2C子地址是一样的，如果直接进行读写势必会造成地址冲突。因此，在设计中，我们采用了一片I2C总线地址复用器PCA9540实现I2C地址复用，实现分别对两片CMOS图像传感器分别配置。