基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)

在很多場合，由于客觀條件限制，人們不可能進入現(xiàn)場進行直接觀察，只能用適應性更強的電子圖像設備來代替完成，在此背景下發(fā)展起來的圖像技術成為人們關注的熱點應用技術之一，它以直觀、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應用于許多場合。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)圖像采集，必須要考慮物聯(lián)網(wǎng)的以下特點：

(1)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點對價格敏感。物聯(lián)網(wǎng)是信息傳感技術的大規(guī)模應用，傳感節(jié)點數(shù)目成百上千，若每個節(jié)點的成本提高一點，整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本就會提高很多。所以傳感節(jié)點圖像采集的成本應盡量低。

(2)大部分物聯(lián)網(wǎng)應用對圖像質(zhì)量要求不高。圖像采集主要是幫助用戶不需要到現(xiàn)場就可以觀察現(xiàn)場情況，對于大多數(shù)應用只要能分辨出現(xiàn)場場景即可，沒必要采集很高像素的圖像。

(3)基于成本考慮，物聯(lián)網(wǎng)大多選用RS232，Zigbee，GPRS等傳輸速率不高的聯(lián)網(wǎng)方式，圖像傳輸時間較長。但許多監(jiān)測節(jié)點安放的位置固定，采集的圖像是準靜態(tài)圖像，也就是說，大部分情況下，圖像是不變的，所以對幀率要求不高。即使圖像采集的速度慢一些，也不會對現(xiàn)場情況的觀察有太大的影響。

基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)正是在這樣特定的應用背景下設計的。

針對物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點的特性，結合現(xiàn)有的技術條件和實際應用，提出一種用單片機直接與CMOS圖像傳感器相連，采用Flash為圖像存儲器，RS232為圖像傳輸協(xié)議，并且多幀圖像拼接成一幅圖像的方法，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控。所選器件價格低廉，硬件連接簡單，從而成本非常低。該系統(tǒng)可單獨作為獨立的圖像采集系統(tǒng)，又能以非常低的成本附加到其他物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上，應用領域廣泛。

1 系統(tǒng)總體方案

圖像采集系統(tǒng)是根據(jù)某種特定的使用目的和應用條件，由圖像采集、圖像存儲、圖像傳輸和系統(tǒng)控制等相關電子設備和傳輸介質(zhì)組成的一個有機整體。圖1是系統(tǒng)的總體框圖，系統(tǒng)主要由單片機、圖像傳感器、Flash圖像存儲器組成。圖像傳感器負責圖像的采集，采集的圖像數(shù)據(jù)由單片機實時讀取。圖像傳感器的分辨率為240×320，數(shù)據(jù)量為150 KB，而單片機的內(nèi)部RAM只有2K，存不下一幀圖像，所以選擇了一款Flash作為圖像存儲器，單片機將讀取的圖像數(shù)據(jù)轉存人Flash圖像存儲器。由于圖像數(shù)據(jù)轉存入Flash需要占用數(shù)據(jù)采集的時間，這就導致單片機會錯過部分數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)所采圖像為靜態(tài)圖像這一應用背景，錯過的數(shù)據(jù)可通過下兩幀圖像替代，由此確定了用3幀圖像拼成一幅圖像的算法。等一幅圖像采集轉存完畢，單片機再從Flash圖像存儲器中讀取圖像數(shù)據(jù)，通過RS232 口傳輸?shù)缴衔粰C。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 圖像傳感器

系統(tǒng)采用了SP0828 CMOS芯片作為圖像傳感器。SP0828是一款完整的1/13英寸QVGA格式COMS圖像傳感器芯片。它支持RGB565、YUV422、Raw Bayer、Format圖像格式，最高像素為240×320，最高幀速率為30幀/s，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點圖像采集的要求。SP0828可工作在3種模式下：普通sensor、EMI、SPI;3種模式的選擇可通過I2C總線控制內(nèi)部可編程功能寄存器來實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用SPI模式，RGB565格式圖像輸出。

2.2 STM8單片機

STM8單片機是系統(tǒng)的控制中心，協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)的運作，所以必須要有較高的響應速度和豐富的外設資源。系統(tǒng)選用高性能、低功耗的8位微處理器STM8S207S6。它運行速度快，最高可以達到24 M。它的內(nèi)部資源豐富，擁有32 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2 KB的內(nèi)部RAM，l024 B的EEPROM，2個可編程的串行UART接口，一個最高速度可達400 bit/s的硬件I2C接口，一個可工作在主從模式的最高速度可達10 bit/s的硬件SPI接口等。并且它的開發(fā)工具簡單，易于使用，價格便宜，開發(fā)資料多。因此，選用該款單片機不僅不需要為系統(tǒng)配置額外器件，而且大大降低了整個系統(tǒng)的成本及縮短了開發(fā)時間。

2.3 Flash圖像存儲器

STM8S207S6內(nèi)部RAM為2 KB，一幅240×320分辨率圖像的大小為150 KB，內(nèi)部RAM不足以存下該分辨率的圖像，所以系統(tǒng)選用一款Flash存儲器SST25VF020作為外掛圖像存儲器。SST25VF020是SST25VF系列產(chǎn)品中的一員，其芯片具有以下特點：總容量為256 KB;單電源讀和寫操作，工作電壓為2.7～3.3 V;低功耗，工作電流為7 mA，等待電流為3μA;SPI接口，可接受SPI時鐘頻率高達33 MHz，快速編程、快速擦除、快速讀取等，該系列特點滿足圖像存儲的要求。

2.4單片機與圖像傳感器、圖像存儲器的連接

STM8單片機與SP0828 COMS圖像傳感器、SST25VF020 Flash圖像存儲器的硬件連接如圖2所示。

STM8單片機通過硬件12C接口對圖像傳感器內(nèi)部寄存器進行初始化，通過硬件SPI接口接收圖像傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。因為Flash圖像存儲器也是SPI接口，所以圖像存儲器與圖像傳感器分時復用STM8單片機的硬件SPI接口。

圖2 硬件連接框圖

各接口代表的意義如下：

SPI_CS：圖像傳感器SPI接口片選，低電平有效，只有該接13為低電平，圖像傳感器才能接收單片機的SPI時鐘，然后往單片機傳送數(shù)據(jù)。該引腳連接單片機的PD7普通I/O口。

ECLK：圖像傳感器的主時鐘輸入引腳，連接單片機的CLK_CCO口。單片機通過該口為圖像傳感器提供16 MHz的主時鐘。SPI_RD：圖像傳感器的圖像控制信號輸入腳，該引腳控制圖像傳感器下一幀圖像是否到來，高電平有效，該13連接單片機的PB6普通I/O口。

SPI_CLK：圖像傳感器SPI數(shù)據(jù)輸出的時鐘信號輸入腳，該引腳連接單片機硬件SPI的SPI_SCK口。單片機通過該引腳為圖像傳感器提供采數(shù)時鐘，圖像傳感器根據(jù)采數(shù)時鐘向單片機傳輸數(shù)據(jù)。

SPI_SDA：圖像傳感器SPI數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù)信號輸出腳，該引腳連接單片機硬件SPI的SPI_MISO口。單片機通過該引腳采集數(shù)據(jù)。

SPI_INT：圖像傳感器的中斷申請信號。圖像傳感器把每幀圖像分成幾次中斷，單片機響應中斷，在中斷服務程序里接收數(shù)據(jù)。該引腳連接單片機PIM具有外部中斷接收功能的I/O口。

SBDA、SCLK：圖像傳感器I2C接口的數(shù)據(jù)引腳和時鐘引腳，連接單片機硬件I2C接口的I2C_SDA和I2C_SCL，是單片機對圖像傳感器內(nèi)部寄存器讀寫操作的數(shù)據(jù)總線和時鐘總線。

PWDN：圖像傳感器初始化信號線，該引腳連接單片機的PC2普通I/0口。該信號線要在圖像傳感器上電的過程中拉低，只有該引腳在低電平的情況下，圖像傳感器才能正常工作。

SST_CE：Flash SPI接口的片選引腳，低電平有效，該引腳連接單片機的PD0普通I/O口。

SST_SO、SST_SI：Flash SPI接口的數(shù)據(jù)引腳，連接單片機SPI_MISO和SPI_MOSI口，與圖像傳感器的SPI_SDA分時復用SPI_MISO口。

SST_SCK：Hash SPI接口的時鐘信號輸入引腳，連接單片機的SPI_SCK口，與圖像傳感器的SPI_CLK分時復用SPI_SCK口。

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16 MHz。

圖3 主程序流程圖

3.2 圖像傳感器模塊軟件設計

根據(jù)SP0828 CMOS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

DVDD28AVDD連接電源，DVDD28AVDD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16 MHz的時鐘。最后延時至少20 clock，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

unsigned char I2C_Read(unsigned char slave—address,unsigned charreg address,unsigned char slave_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”*/

{

unsigned char val;

I2C_Start();//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置l

I2C_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1

I2C_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1

retunl val;

}

(2)讀取圖像傳感器內(nèi)部寄存器的值

unsigned char I2C_Main(unsigned char slave_address，unsigned charreg_address，unsigned char write_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1

I2C_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：

unsigned char spinet_byte(void)

{

while(!(SPI_SR0x02));//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

return SPI_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2Mbit SPI Serial NOR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#低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SPI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：

void sst_send_byte(unsigned char byte)

{

while(!(SPI_SR0x02));//等待總線空閑

SPI_DR=byte;//將要寫入的數(shù)據(jù)byte存入SPI_DR

while(!(SPI_SR0x01));//等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢完畢

tmp=SPI_DR;//清空接收緩沖區(qū)

void flashwrite_byte(unsigned long addr，unsigned char data)//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((unsigned char)(addr>>16));//發(fā)送數(shù)據(jù)的地址

send((unsigned char)(addr>>8));

send((unsigned char)addr);

send(data);//發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)

mssl();//釋放片選

}

unsigned char flashreadbyte(unsigned long addr)

}

unsigned char byte;

mss0();//片選端選中，低電平有效

send(0x03);//讀命令

send((unsigned char)(addr>>16));//發(fā)送數(shù)據(jù)的地址

send((unsigned char)(addr>>8));

send((unsigned char)addr);

byte=get();//讀取數(shù)據(jù)

mssl();//釋放片選

return byte;

}

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(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。