鲁达 本文介绍了基于视频分离芯片LM1881的图像采集系统设计，电视视频信号经过LM1881芯片后可以清晰的分离出行同步、场同步、奇/偶场等信号，单片机可以根据这些信号进行图像采集的控制。本文以LM1881在图像采集系统中的应用为例，进行了该图像采集系统软硬件设计。
小车路径自动识别系统是一种以单片机为核心、配有CCD图像传感器、后轮电机、前轮舵机、电池以及相应的驱动电路共同形成的智能车控制系统，其中CCD图像传感器负责扫描路径，它和单片机共同构成前端数据采集系统，这个数据采集过程是由图像同步信号控制进行的，因此如何准确的获得这些同步信号尤为重要，因为同步信号准确才能保证采集到路径信息是同步的、可靠的。
LM1881就是这样一款专门提取同步信号的视频分离芯片，实验证明采用LM1881分离出的同步信号精确度非常高，它为后端的电机舵机器控制提供保证。从而使小车能够自主识别路径，在带有黑色引导线的白色跑道上快速而稳定的运行。
全电视信号简介
在电视系统中把视频信号（图像信号）、复合同步信号和复合消隐信号合在一起，形成全电视信号，我国电视标准规定：每秒传送25幅图像，以隔行扫描方式重现图像，每场扫描312.5行，一幅图像分两场传送。行频为15625Hz，场频为50Hz，行扫描正程时间为52μs，行逆程时间为12μs，行周期为64μs；场扫描正程时间为18.4ms，场逆程时间为1.6ms，场周期为20ms。
习惯上是以奇数场同步信号的前沿作为一桢的开始。电视机接收到这个信号后，就准备由偶数场切换为奇数场，经过场同步分离电路的一段延迟，电子束便很快从屏幕的底部回扫到顶部，然后开始奇数场的正程扫描，但要到消隐信号结束后，从23行起屏幕才能显示图像，直到第309.5行出现偶数场消隐信号，接着出现前均衡脉冲，直到第312.5行出现偶数场同步信号，奇数场才结束，偶数场开始。
电子束先迅速回扫到屏幕顶部中点，然后开始正程扫描，同理要到场消隐信号结束后的第335行才出现偶数场的图像，直到第623行偶数场图像结束，第625行结束时，偶数场随着结束，完成了一桢。
LM1881简介
1 LM1881特点与引脚图
LM1881是美国国家半导体公司生产的一款专门用于分离复合视频信号的同步视频分离芯片，它能够从标准PAL、NTSC、SECAM制式的视频信号中提取出行同步、场同步、奇/偶场等同步信号。在数据采集过程中可以根据这些同步信号来控制视频信号的采集。
LM1881同其他分离芯片相比具有如下的特点：1）含交流成分的复合视频信号输入；2）输入阻抗大于10KΩ；3）消耗电流小于10mA；4）行同步和场同步信号输出；5）奇/偶场信号输出；6）脉冲选通/后沿输出；7）行扫描频率可达150Hz；8）边沿触发场输出。
LM1881引脚连接图如图1所示。其中引脚2为摄像头的视频信号输入，引脚1为行同步信号输出，它是一小段低电平，表示一行信号的到来。利用此信号可以控制行的采集。引脚3为场同步信号输出，场同步信号是换场的标志，通过检测该引脚来控制场的采集。
引脚7为奇/偶场信号，当该引脚为低到高是为奇场信号的到来，为高到低时表示偶场信号的到来。引脚8为电源端，5到12V电源均可。本系统采用5V供电。引脚4为地。引脚5可以悬空。
图1 CCD引脚连接
2 CCD接口设计
CCD的工作原理：这里所说的CCD实际上是指镜头、CCD传感器芯片、外围电路组成的摄像头模块。它的整个的工作原理是[2]：镜头负责图像行扫描，由CCD传感器芯片负责将扫描到的灰度图像转换成电压，最后通过外围电路将该视频电压输出。
对于PAL制式的视频信号，扫描频率为50Hz，即每秒钟扫描输出50帧图像信号，分为奇、偶场。每场包括312.5行。这里的扫描是隔行扫描，同时在输出一行图像信息后会出现一小段低脉冲，称为“行同步脉冲”，主要作为换行的标志，即表示该脉冲过后输出的是新一行的视频电压信号，直到一场图像扫描完。
此时，会输出一段约为1.61毫秒的低脉冲，称为“场消隐”，在场消隐中有一个宽度最长（约为260微秒）的低脉冲，称为“场同步脉冲”，它是换场的标志，表示新的一场要开始了。“视频电压信号”和“行同步脉冲”如图2所示。“场消隐和场同步信号”如图3所示（其中场同步已经分离出来）。
图2 视频电压信号和行同步信号
图3 场消隐和场同步信号
数据采集电路设计：接口电路设计即是图像采集接口的设计。对摄像头扫描输出的视频信号进行采集，可以采用两种方法，一种是通过硬件二值化电路将视频信号直接变成数字信号然后送单片机的输入输出口。另一种方法是通过单片机的AD接口采集图像数据，其二值化通过软件实现。
不论哪一种方法都需要涉及视频信号的分离，即将视频信号中的同步信号分离出来，以控制图像信号的采集。分离同步信号的方法有很多种，这里采用专门的同步视频分离芯片LM1881。主要分离出行同步和奇、偶场同步信号。单片机通过这些同步信号去控制图像的采集。
整个接口电路原理图如图4所示。CCD视频信号接LM1881的第2引脚（视频输入引脚），同时该视频信号直接去单片机的AD00引脚（AD0的最低通道）。通过单片机的该引脚来采集视频信号。
另一方面视频信号在LM1881的作用下，将行同步信号分离出来，并通过1引脚输出到单片机的外中断引脚上，当该引脚出现低电平时，将产生外部硬中断，在中断子程序中启动AD，以控制行的采集。通过LM1881分离出的奇偶场同步信号，通过7引脚输出给单片机的通用I/O口，通过检测I/O口的变化，来控制场的采集。
图4 CCD视频采集接口原理图
软件设计
1 A/D时钟频率的确定
在图像采集中，考虑到图像数据量较大，故A/D的采样频率很重要，如果A/D采样频率过低，就会出现黑线漏检现象，从而影响小车的运行效果。根据单片机在未超频状态下，系统总线频率为8MHz，而AD时钟频率是通过总线频率分频得到的。
A/D预分频系数最小为1，这样在系统默认情况下，A/D时钟频率最高为2MHz。采样一个点，最快需要14个时钟周期。而一行图像时间去掉行消隐，有效时间约为56s，这样一行只能采集8个点，这对于黑线宽只有25cm的赛道来说，黑线完全可能被漏检，这显然是不行的。
故这里采用系统超频的方法解决，将系统超频至32M，从而AD最高时钟可达16M，这样一行可以最多采集70多个点。这样就完全可以满足要求了。
2 图像采集工作过程
单片机的采集完全根据视频分离出的同步信息进行。真正的采集发生在单片机的外中断中，在中断服务子程序中启动A/D，完成一行的采集。整个过程为：系统初始化后，单片机检测奇偶场输入引脚，如果该引脚出现电平变化，表明新的一场图像开始出现。
由于场消隐跨接在上一场的结束和新一场的开始，故在新一场开始采集时需跳过该消隐区，可采用延长一段时间或利用行计数器来跳过场消隐区。场消隐过后，当单片机的外中断引脚上出现负脉冲时，单片机产生硬件中断，在中断服务子程序中启动A/D，即可完成一行视频的采集。
3 图像采集流程图
图像采集和数据处理流程图如图5所示。
图5 图像采集和数据处理流程图
一场图像有312.5行，如果每行都采集，实时性将会很差，由于图像采集是用在路径识别系统中的，故根据赛道的特点，只要能够判断黑线的位置、赛道的方向、曲率就可以了，故对于一场图像的纵向上只要10个点足够判断方向和曲率了，而对于黑线位置，需要更多的点才能准确的判断黑线位置，故横向需要采集的点较多。
综上分析，一场采集15行，即每隔20行采集一行，每行采集50个点。这样完全可以实现系统要求。在采集两行之间的空余时间里，完成上一行数据的存储。在采集一场的过程当中还要完成采集数据的处理，只有这样系统才能满足实时性。
结束语
本文就同步视频分离芯片LM1881在数据采集系统中应用展开分析，讨论了如何利用LM1881设计图像采集系统，相对于其他方法，采用专门的视频分离芯片是系统电路更简洁，软件处理更方便。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于视频分离芯片LM1881的图像采集系统设计”，作者为朱广。）