0 引言
    CCD和CMOS圖像傳感器作為固體圖像傳感器領域的競爭對手，在性能表現上各有優劣。相較于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的功耗低，結構簡單，集成度高，體積小，成本低，這就使產品的便攜性和可靠性得以極大的提高。由于CMOS圖像傳感器的內部結構，使其具有高抗輻照和強抗干擾能力，因此在圖像傳感器、天文觀測、小衛星、星敏感器等應用領域表現極大的應用潛力。另外，基于CMOS圖像傳感器的加工工藝，可以較容易地制造出大面陣的CMOS體傳感器器件，更加擴展了CMOS圖像傳感器的應用范圍。
    網絡攝像機具有聯網功能，又最大限度地保持了模擬攝像機的功能，無疑是監控領域的新星。網絡攝像機一般使用成品CCD攝像頭做視頻捕捉前端，CCD攝像頭在硬件成本中占了很大的分量，且CCD攝像頭輸出的是模擬信號，系統中必須加視頻A／D轉換器。開發用于網絡攝像機的CMOS攝像頭對降低設計成本和復雜度有重要意義。

1 圖像采集系統采用的芯片介紹
1．1 圖像傳感器OV7720
    OV7720是一個高集成度的CMOS Camera Chip傳感器，在單芯片上提供了VGA圖像處理器的全部功能。OV7720的一個獨特性能就是有很大的主光線角度，它能顯著減小模塊高度，而高度是讓相機能夠裝配進當前超薄筆記本電腦的關鍵因素；OV7720的第二大亮點是能夠工作在60f ／s的VGA模式下，或工作在120 f／s的QVGA模式下實現設備的最佳性能。OV7720內部集成了對圖像傳感器的完善控制，包括曝光控制、伽馬校正、白平衡、色彩飽和以及色調控制，所有的圖像處理功能都可以通過它的串行相機控制總線(SCCB)接口實現對內部控制寄存器組的編程。OV7720采用專有傳感器技術來提高圖像質量，并通過減少或消除諸如固定圖案噪聲、拖尾和浮散等不良因素來產生明晰、純凈和完全穩定的彩色圖像，其主要技術參數如表1所示。

1．2 相機控制芯片OV529
    OV529是一種相機控制芯片，它可以將來自圖像傳感器(例如OV7720)的信號轉換成壓縮圖像格式的數據。圖1給出了OV529與傳感器、主機以及E2PROM之間連接的邏輯關系。該芯片具有的技術特征是：可用于移動PDA系統、筆記本電腦中低成本、低功耗、高分辨率的單片相機控制器；不需要附加DRAM；有8位并行相機芯片數據接口；內建采樣電路、箝位電路和窗口電路；可用于VGA，CIF，SIF，QCIF，160×128，160×120，128×128，80×64以及更多的圖像分辨率；內建彩色轉換電路可用于4 b／8 b灰度，16 b YUV，12 b／16 b／24b RGB圖像預覽；有串行相機控制總線、內置微控制器、可選的串行E2PROM存儲器、通用I／O引腳和2個主機接口(RS 232，5wire)等。

2 系統總體設計
2．1 系統組成
    系統總體設計分為硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、網絡接口模塊和相機控制模塊三部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DATAFLASH和SDRAM組成，其中主控芯片是整個系統的核心，負責整個系統的調度工作。DATAFASH里固化了嵌入式Linux內核及其文件系統、應用軟件和系統配置文件。SDRAM作為內存供系統運行使用。網絡接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。相機的控制模塊主要是由OV529和OV7720芯片組成，通過SCCB(Serial Camera Control Bus)將傳感器的視頻流傳送到OV529；OV529通過控制OV7720將視頻流轉化成MEPG-4碼流，并完成轉發控制相機命令的功能。當系統啟動時，微控制器通過SPI將Linux內核轉入SDRAM中，系統從SDRAM中啟動。
    軟件設計部分主要包括嵌入式Linux移植、CGI控制程序和MEPG-4解碼程序三個部分。嵌入式Linux系統存放到由AT91SAM7X256控制的DAT-AFLASH中，它負責整個系統軟件的調度工作。CGI控制程序主要負責對攝像機的控制和對MPEG-4視頻流的相關設置。MEPG-4解碼程序主要負責對通過網絡得到的MPEG-4數據流的解碼工作。
2．2 SCCB通信規范
    SCCB(Serial Camera Control Bus)是OminiVision公司定義的主從模式串行通信協議，用于控制該公司圖像傳感器系列芯片的內部寄存器。該協議有通信使能信號SIO_E、時鐘信號SIO_C和數據信號SIO_D，在簡化引腳的封裝中不再提供SIO_E引腳，協議也變成了兩線串行通信。協議支持的最高串行通信速率是400 Kb／s，規定圖像傳感器在通信中只能作為SLAVE工作。一SCCBMASTER可以控制1～8個SLAVE工作，由不同的ID來識別，在只有一個SLAVE時固定SLAVE的ID為42H(寫)和43H(讀)。該協議符合網絡攝像機CPU的I2C口時序子集，設計中OV529作為SCCB的MASTER，并且只帶1個SLAVE OV7720。協議要求數據線必須在時鐘信號高電平期間穩定，在低電平時更新。協議支持3字節寫、2字節寫和2字節讀三種傳輸模式。傳輸數據時每個字節包括9位串行數據位，除了8位數據，還有第9位不相關位或NA位，用在有多個SLAVE的系統來標識通信是否完成。SLAVE可以用兩種方式應答該位，一種是正在被寫的SLAVE在收到數據后驅動該位為0表示成功；另一種是SLAVE不應答該位，這種情況下所有SLAVE的第9位保持懸空。在3字節寫周期MASTER必須提供子地址，即芯片中寄存器的地址，第3字節為所寫數據。讀周期不提供子地址，但必須由MASTER把數據后的NA位(第9位)驅動為高電平。所以在每個讀周期前必須有3字節或2字節寫操作，使SLAVE獲得寄存器地址，其中的2字節寫周期并沒有寫數據，它的用途是在讀操作前提供給SLAVE子地址。

3 硬件系統實現
3．1 微控制器模塊
    微控制器模塊是該系統的核心部件，采用Atmel公司的ARM7芯片AT91SAM7X256作為系統的主控芯片。它是一款Atmel 32位ARM RISC處理器小引腳數FLASH微處理器，主頻為55 MHz，處理速度快，功能強，性價比高，能很好地滿足嵌入式Linux系統的需求。它在系統中的主要作用是在系統上電時配置其他芯片的功能寄存器，在正常工作狀態下調度整個系統工作，通過片內以太網控制器控制物理層芯片發送碼流，并通過片內的SPI總線實現對外圍DATAFLASH和SDRAM的控制。
3．2 網絡模塊
    AT91SAM7X256的在片以太網卡端口與網絡物理層芯片DM9161E的MII接口通信。發送數據時首先置發送使能信號ETXEN有效。數據發送端ETX0～ETX1與DM9161E的ETX0～ETX1引腳對應連接，作為數據發送通道，以DM9161E的時鐘信號REF_CLK發送數據。數據接收端ERX0～ERX1與DM9161E的RXD0～RXD1引腳對應連接，作為數據接收通道。管理時鐘信號EMDC和管理數據輸入／輸出信號EMDIO用于芯片控制參數的寫入和讀取。DM9161E的MDINTR端用來產生中斷信號。片內以太網卡通過DMA通道進行數據發送，不影響AT91SAM7X256的正常運行。首先正確設置傳送控制寄存器和傳送地址寄存器的傳送數據塊字節數、數據塊存儲首地址等參數，隨后依次從指定數據存儲區地址讀取數據，送入內部發送緩沖器中，由MAC對數據進行封裝發送，同時記錄已傳送字節數，直到數據塊發送完畢。當發送完一組數據后，發出DMA中斷請求，由AT91SAM-7X256進行相應的處理。整個網絡子系統電路由AT91SAM7X256控制和調度。
3．3 相機控制模塊
    相機控制模塊包括圖像采集傳感器OV7720和相機控制芯片OV529。OV7720內含A／D轉換和DSP，能夠直接將圖像信號數字化，并通過相機接口向OV529直接輸出并行的數字化圖像信號。
    OV529自帶的MCU進行各種控制，它通過串行相機控制總線(SCCB)與OV7720交互控制信息實現對圖像傳感器的控制和數據采集。OV529包含一個壓縮引擎，對從OV7720采集的圖像信息幀進行壓縮，壓縮后的信號經OV529的串行通信傳給主控芯片AT91SAM7X512，再經AT91SAM7X512上的MAC層處理，通過網絡接口將視頻流發送到網絡上。

4 軟件設計
    嵌入式Linux系統由4個部分組成：引導內核啟動的文件bootloader，Linux內核文件kernel，虛擬磁盤文件ramdisk和用戶空間文件use-r。它們分別被放在DATAFLASH內的4個分區模塊中。根據不同模塊的具體功能采用不同的文件系統：bootloader，kernel，ramdisk。移植完成后不需要動態改變，使用較節省空間的ROMFS只讀文件系統。user模塊內放置一些可以動態更新的配置文件等。需要進行較多次的讀／寫操作，所以使用支持動態擦寫保存的JFFS2文件系統。
4．1 CGI控制程序設計
    應用程序接口(Common Gateway Interface，CGI)，提供Web Server執行外部程序的通道，CGI程序編譯成可執行文件，放在服務器端運行，服務器根據用戶的請求調用相應的CGI程序，并將CGI程序得到的動態信息封裝到頁面中，發送到用戶瀏覽器上。該系統CGI的工作過程是在PC機端的IE瀏覽器中輸入網絡攝像機IP地址，嵌入式網絡服務器根據要求，將相應的控制頁面反饋給IE瀏覽器，用戶填寫表單，然后提交，CGI程序提取信息，并根據得到的信息作相應的處理，如調節相機的轉向、焦距等。CGI模塊的設計主要包括三部分：嵌入式Web服務器的配置、HTML頁面的編寫、CGI程序的設計。嵌入式Web服務器采用的是Apache，其配置是以配置文件的形式提供，放在Ramdisk中，其配置主要涉及配置根文件路徑、配置CGI外部程序所放的路徑和配置環境變量三個方面。網頁編寫采用HTML與SHTML相結合的方式。HTML的解析速度較快，SHTML可以在普通網頁中嵌入外部CGI程序，通過這種方式將系統的默認配置反饋給客服端。CGI程序采用的是C語言和Shell腳本相結合的方式，具體編寫過程與Linux下編程相同。
4．2 解碼程序
    該部分已成功做成Toolbox插件，該插件只要在PC機上注冊安裝后，就可方便地被網頁調用，從而實現在PC機上實時觀看視頻。安裝后的實圖如圖2所示。

5 結語
    本文利用CMOS圖像傳感器設計了一款嵌入式網絡攝像機。經測試，系統穩定、可靠、實時性好，圖像清晰度明顯好于同價位的產品，完全可滿足目前網絡攝像頭市場對中、低端產品的要求，具有良好的市場前景。