基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　3.1主程序的設計

　　系統(tǒng)軟件可分為：圖像傳感器模塊、圖像存儲器模塊、圖像的多幀采集和拼接模塊、串口數據傳輸模塊。其基本流程圖如圖3所示。為了盡量提高單片機的處理速度，將系統(tǒng)的時鐘頻率設置為最高，即16MHz。

　　圖3 主程序流程圖

　　3.2圖像傳感器模塊軟件設計

　　根據SP0828CMOS數字圖像傳感器的工作原理和工作流程，圖像傳感器模塊包括了圖像傳感器上電初始化、圖像傳感器寄存器初始化、圖像數據采集3個部分。

　　3.2.1 圖像傳感器上電初始化

　　圖像傳感器上電初始化，就是圖像傳感器在上電結束但尚未開始工作的時候，對圖像傳感器芯片提供主時鐘、初始化信號線拉低等一系列的操作，以使圖像傳感器能夠正常工作或者獲得最佳的工作狀態(tài)。其主要流程如圖4所示。

　　圖4 圖像傳感器上電初始化時序圖

　　DVDD28&AVDD連接電源，DVDD28&AVDD拉高即是上電。在上電之后，延時至少10岬，初始化信號線PWDN拉低。然后延時至少110μs，單片機為圖像傳感器提供主時鐘，為使圖像傳感器工作在最快的速度，單片機為圖像傳感器提供最高16MHz的時鐘。最后延時至少20clock，單片機通過I2C接口對圖像傳感器內部寄存器進行初始化。上電結束。

　　3.2.2圖像傳感器內部寄存器

　　初始化CMOS圖像傳感器采用I2C總線控制其各項功能，簡單、快捷。I2C總線也是目前圖像傳感器采用最普遍的控制方式。用戶可以通過I2C總線改變圖像傳感器內部可編程寄存器的缺省參數來設置圖像傳感器的工作方式，如時鐘、幀率、曝光、對比度、亮度等。I2C總線是芯片間串行數據傳輸總線，它只用一根數據線SDA和一根時鐘線SCL即可實現完善的雙工同步數據傳輸。I2C總線規(guī)定，主控制器發(fā)送起始信號表明一次數據傳輸的開始，然后為尋址字節(jié)，尋址字節(jié)由高7位地址位和低1位方向位組成。方向位表明主控制器與被控制器之間的數據傳輸方向，當該位為“0”時表明主控制器對被控制器的寫操作，為“1”時表明主控制器對被控制器的讀操作。尋址字節(jié)后是按照指定地址讀寫操作的數據字節(jié)與應答位。數據傳送完成后主控制器必須發(fā)送終止信號。I2C協(xié)議的時序如圖5所示。

　　圖5 I2C總線的數據傳送時序圖

　　STM8單片機有專門的硬件I2C接口，因此可通過該接口實現與圖像傳感器的通信。該系統(tǒng)中STM8單片機的I2C_SDA數據線和I2C_SCL時鐘線分別連接圖像傳感器的SBDA數據傳輸口和SCLK時鐘傳輸口。通過上述對I2C協(xié)議的分析，設計了如圖6所示的I2C總線數據傳輸流程。

　　圖6 I2C總線數據傳輸流程

　　I2C總線操作的典型時序信號有起始位信號、終止位信號、發(fā)送地址、發(fā)送數據、接收數據，所有的時序信號都是通過對單片機硬件I2C內部寄存器的操作實現的。I2C模塊主要功能函數如下：

　　(1)讀取圖像傳感器內部寄存器的值unsignedcharI2C_Read(unsignedcharslave—address，unsignedcharregaddress，unsignedcharslave_read_address)/*slave_address是圖像傳感器的地址+寫操作符“0”，reg_address是圖像傳感器內部寄存器的地址，slave_read_address是圖像傳感器的地址+讀操作符“1”*/{unsignedcharval;I2C_Start();//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置lI2C_SendDAdr(slave_address);//發(fā)送圖像傳感器的地址+寫操作符“0”I2C_SendDat(reg_address);//發(fā)送內部寄存器的地址I2C_Start();//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置1I2C_SendDAdr(slave_read_address);//發(fā)送圖像傳感器的地址+讀操作符“1”vai=12C_RcvDat();//從I2C接口讀取數據I2C_stop();//釋放I2C總線，I2C_CR2寄存器次低位置1retunlval;}(2)讀取圖像傳感器內部寄存器的值unsignedcharI2C_Main(unsignedcharslave_address，unsignedcharreg_address，unsignedcharwrite_data){/*slave_address是圖像傳感器的地址+寫操作符“0”，reg_address是內部寄存器的地址，write_data是要寫入寄存器的數據*/I2C_Start();//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置1I2C_SendDAdr(slave_address);//發(fā)送圖像傳感器的地址+寫操作符“0”I2C_SendDat(reg._address);//發(fā)送內部寄存器的地址I2C_SendDat(write_data);//發(fā)送內部寄存器要寫入的數據I2C_stop();//釋放I2C總線，I2C_CR2寄存器次低位置1

　　3.2.3圖像數據的采集

　　單片機通過SPI協(xié)議采集CMOS圖像傳感器的圖像數據。SPI總線是一種同步串行外設接口，允許MCU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信。SPI總線一般采用4根線：串行時鐘線SCK、主機輸入從機輸出數據線MISO、主機輸出從機輸入數據線MOSI、低電平有效的使能信號線SS。因為在系統(tǒng)的SPI數據傳輸過程中，單片機只采集圖像傳感器的數據，沒有向圖像傳感器的數據輸出，所以系統(tǒng)選用SPl只接收模式，這樣只需要一根串行時鐘線SCK和一根主機輸入從機輸出數據線MISO即可，節(jié)省硬件資源。SPI接口的最大特點是由主設備時鐘信號的出現與否來決定主從設備之間的通信。在從設備被使能時，一旦檢測到主設備的時鐘信號，數據開始傳輸，時鐘信號無效后，傳輸結束。在系統(tǒng)中，單片機作為主設備，圖像傳感器作為從設備，圖像傳感器在時鐘的下降沿變數，單片機在時鐘的上升沿采集數據，圖像傳感器接收單片機的時鐘信號SPI協(xié)議的時序如圖7所示。

　　圖7 SPI總線的數據傳送時序圖

　　STM8單片機有專門的硬件SPI接口，因此可通過該接1：2采集圖像數據。圖像傳感器SPI時鐘輸入引腳連接單片機的SPI_SCK口，圖像傳感器圖像數據輸出引腳連接單片機SPI_MISO口，片選SPI_CS引腳連接單片機的普通I/O口PD7。然后對硬件SPI的參數進行配置，主要包括時鐘頻率、工作模式、主從模式、空閑時候電平狀態(tài)、觸發(fā)邊沿等，這些參數都可以通過單片機硬件SPI的內部寄存器的配置實現。SPI總線讀取圖像數據的流程如下：unsignedcharspinet_byte(void){while(!(SPI_SR&0x02));//等待總線空閑SPI_DR=Oxff;//產生時序信號硬件SPI在且僅在發(fā)送數據的時候才產生SCK時鐘while(!(SPI_SR&0x01));//等待數據接收完畢returnSPI_DR;//將接收到的數據返回}

　　3.3 Flash模塊軟件設計

　　SST25VF020是一款2MbitSPISerialNOR型Flash芯片，在系統(tǒng)中作為圖像存儲器使用。該Flash通過SPI的串口接收指令和數據，支持3/4的SPI協(xié)議，其工作時序如圖8所示。

　　圖8 SST25VF020的工作時序圖

　　從上圖可以看出，CE#f氐電平使能芯片正常工作，該芯片在SCK的上升沿讀入信號，在SCK下降沿的時候輸出信號。STM8單片機有專門的硬件SPI接口，但是圖像傳感器也需要單片機的硬件sPI接口與之通信，所以系統(tǒng)設計了一種分時復用單片機硬件SPI接口的方式。CE#片選連接單片機的普通I/O口PD0，該I/O口在不同的時刻與圖像傳感器的片選PD7分別選中，如此，一個硬件SPI接口便可操作2個SPI設備。SPI時鐘輸入引腳連接單片機的SPI_SCK口，SI讀人信號連接單片機的SPI_MOSI，SO輸出信號連接單片機的SPI_MISO。硬件SPI配置與前文所述圖像數據采集Sial一致。此外，與圖像采集相比，在程序部分還要多加一個單片機輸出信號函數。

　　Flash模塊主要功能函數如下：

　　voidsst_send_byte(unsignedcharbyte){while(!(SPI_SR&0x02));//等待總線空閑SPI_DR=byte;//將要寫入的數據byte存入SPI_DRwhile(!(SPI_SR&0x01));//等待數據發(fā)送完畢完畢tmp=SPI_DR;//清空接收緩沖區(qū)voidflashwrite_byte(unsignedlongaddr，unsignedchardata)//向緩沖區(qū)l的指定位置(0—263)寫入指定字節(jié)}write_en();//寫使能命令mss0();//片選端選中，低電平有效send(0x02);//寫命令send((unsignedchar)(addr》》16));//發(fā)送數據的地址send((unsignedchar)(addr》》8));send((unsignedchar)addr);send(data);//發(fā)送要寫入的數據mssl();//釋放片選}unsignedcharflashreadbyte(unsignedlongaddr)}unsignedcharbyte;mss0();//片選端選中，低電平有效send(0x03);//讀命令send((unsignedchar)(addr》》16));//發(fā)送數據的地址send((unsignedchar)(addr》》8));send((unsignedchar)addr);byte=get();//讀取數據mssl();//釋放片選returnbyte;}

　　3.4圖像的多幀采集和拼接模塊軟件設計

　　為保存圖像數據，系統(tǒng)引入Flash存儲器，而數據轉存入Flash存儲器需要占用中斷響應時間，這就導致了中斷響應時間不夠的問題。為解決這個問題，根據所采圖像為靜態(tài)圖像這一應用背景，提出一種多幀圖像的部分采集與拼接算法，在中斷響應時間中，只讀取圖像傳感器中的圖像數據，而后占用兩次中斷的時間，把圖像數據轉存入Flash。每幀圖像有160次中斷，每幀圖像只取其1/3，取3幀圖像的數據，即可拼接成一幅完整的圖像。多幀采集方法如圖9所示。圖中，實線表示捕獲到的中斷，虛線表示因轉存人Flash錯過的中斷。

　　圖9多幀采集圖像方法示意

　　單片機把采集的數據按照采集時間的順序轉存入Flash數據在Flash中的排列順序如圖10所示。

　　圖10圖像數據在Flash中的存儲順序

　　在Flash中讀取圖像數據的時候，按照中斷次數的先后順序讀出，即第l幀第1次中斷、第2幀第2次中斷、第3幀第3次中斷、第1幀第4次中斷、第2幀第5次中斷……第2幀第158次中斷、第3幀第159次中斷、第1幀第160次中斷。這樣，3幀圖像的數據拼接成一幅完整的圖像。在讀取圖像數據的同時，單片機以2個字節(jié)為單位，拼接成一個無符號整型，即一個像素點，通過RS232接口傳送至上位機。

　　4試驗及分析

　　圖11是系統(tǒng)的實物圖，硬件系統(tǒng)面積是(7.5×7.5)cm2，雙層PCB板，系統(tǒng)結構簡單，運行穩(wěn)定。系統(tǒng)對圖像的處理速度是4幀/s，滿足實時性的要求。圖12為采集的一幅圖像，大小為240×320，圖像格式為bmp，像素格式為RGB565，該圖像是3幀圖像拼接而成，是單片機通過RS232接口傳輸至上位機，并在顯示器上顯示的。

　　圖11系統(tǒng)實物圖

　　圖12試驗結果圖像

　　5結束語

　　介紹了基于STM8單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)的硬軟件構成，與其他嵌入式圖像采集系統(tǒng)相比，有3點優(yōu)勢：第一，價格低廉，有較強的市場競爭力;第二，方法新穎，提出了一種多幀圖像拼接成一幅圖像的方法，解決了單片機處理速度慢的問題，取得了很好的試驗效果;第三，系統(tǒng)體積小，結構簡單，實時性好，能以非常低的成本附加到其他物聯(lián)網傳感節(jié)點上，使物聯(lián)網節(jié)點具有采集和傳輸圖像的功能，更大程度上方便用戶使用。