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(shù)據(jù)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(jù)SP0828CMOS數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)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(nèi)部寄存器進行初始化。上電結(jié)束。

　　3.2.2圖像傳感器內(nèi)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(nèi)部可編程寄存器的缺省參數(shù)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(shù)據(jù)傳輸總線，它只用一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時鐘線SCL即可實現(xiàn)完善的雙工同步數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線規(guī)定，主控制器發(fā)送起始信號表明一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)字節(jié)與應答位。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)與圖像傳感器的通信。該系統(tǒng)中STM8單片機的I2C_SDA數(shù)據(jù)線和I2C_SCL時鐘線分別連接圖像傳感器的SBDA數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸流程。

　　圖6 I2C總線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)，所有的時序信號都是通過對單片機硬件I2C內(nèi)部寄存器的操作實現(xiàn)的。I2C模塊主要功能函數(shù)如下：

　　(1)讀取圖像傳感器內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)部寄存器的地址，write_data是要寫入寄存器的數(shù)據(jù)*/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(nèi)部寄存器的地址I2C_SendDat(write_data);//發(fā)送內(nèi)部寄存器要寫入的數(shù)據(jù)I2C_stop();//釋放I2C總線，I2C_CR2寄存器次低位置1

　　3.2.3圖像數(shù)據(jù)的采集

　　單片機通過SPI協(xié)議采集CMOS圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)線MISO、主機輸出從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI、低電平有效的使能信號線SS。因為在系統(tǒng)的SPI數(shù)據(jù)傳輸過程中，單片機只采集圖像傳感器的數(shù)據(jù)，沒有向圖像傳感器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)開始傳輸，時鐘信號無效后，傳輸結(jié)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(shù)，單片機在時鐘的上升沿采集數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)都可以通過單片機硬件SPI的內(nèi)部寄存器的配置實現(xiàn)。SPI總線讀取圖像數(shù)據(jù)的流程如下：unsignedcharspinet_byte(void){while(!(SPI_SR&0x02));//等待總線空閑SPI_DR=Oxff;//產(chǎn)生時序信號硬件SPI在且僅在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候才產(chǎn)生SCK時鐘while(!(SPI_SR&0x01));//等待數(shù)據(jù)接收完畢returnSPI_DR;//將接收到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)。

　　Flash模塊主要功能函數(shù)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(shù)據(jù)byte存入SPI_DRwhile(!(SPI_SR&0x01));//等待數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的地址send((unsignedchar)(addr》》8));send((unsignedchar)addr);send(data);//發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的地址send((unsignedchar)(addr》》8));send((unsignedchar)addr);byte=get();//讀取數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，系統(tǒng)引入Flash存儲器，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jù)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(shù)據(jù)，而后占用兩次中斷的時間，把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，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(zhuǎn)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(shù)據(jù)按照采集時間的順序轉(zhuǎn)存入Flash數(shù)據(jù)在Flash中的排列順序如圖10所示。

　　圖10圖像數(shù)據(jù)在Flash中的存儲順序

　　在Flash中讀取圖像數(shù)據(jù)的時候，按照中斷次數(shù)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(shù)據(jù)拼接成一幅完整的圖像。在讀取圖像數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)果圖像

　　5結(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)簡單，實時性好，能以非常低的成本附加到其他物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點上，使物聯(lián)網(wǎng)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。