基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統

　　在很多場(chǎng)合，由于客觀(guān)條件限制，人們不可能進(jìn)入現場(chǎng)進(jìn)行直接觀(guān)察，只能用適應性更強的電子圖像設備來(lái)代替完成，在此背景下發(fā)展起來(lái)的圖像技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)應用技術(shù)之一，它以直觀(guān)、信息內容豐富而被廣泛應用于許多場(chǎng)合。在物聯(lián)網(wǎng)系統中實(shí)現圖像采集，必須要考慮物聯(lián)網(wǎng)的以下特點(diǎn)：

　　(1)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)對價(jià)格敏感。

　　物聯(lián)網(wǎng)是信息傳感技術(shù)的大規模應用，傳感節點(diǎn)數目成百上千，若每個(gè)節點(diǎn)的成本提高一點(diǎn)，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統的成本就會(huì )提高很多。所以傳感節點(diǎn)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(hù)不需要到現場(chǎng)就可以觀(guān)察現場(chǎng)情況，對于大多數應用只要能分辨出現場(chǎng)場(chǎng)景即可，沒(méi)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(shí)間較長(cháng)。

　　但許多監測節點(diǎn)安放的位置固定，采集的圖像是準靜態(tài)圖像，也就是說(shuō)，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(huì )對現場(chǎng)情況的觀(guān)察有太大的影響?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/單片機">單片機的低成本CMOS圖像采集系統正是在這樣特定的應用背景下設計的。針對物聯(lián)網(wǎng)傳感節點(diǎn)的特性，結合現有的技術(shù)條件和實(shí)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(shí)現了遠程監控。所選器件價(jià)格低廉，硬件連接簡(jiǎn)單，從而成本非常低。該系統可單獨作為獨立的圖像采集系統，又能以非常低的成本附加到其他物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)上，應用領(lǐng)域廣泛。

　　1系統總體方案

　　圖像采集系統是根據某種特定的使用目的和應用條件，由圖像采集、圖像存儲、圖像傳輸和系統控制等相關(guān)電子設備和傳輸介質(zhì)組成的一個(gè)有機整體。

　　圖1是系統的總體框圖，系統主要由單片機、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，采集的圖像數據由單片機實(shí)時(shí)讀取。圖像傳感器的分辨率為240×320，數據量為150KB，而單片機的內部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據轉存人Flash圖像存儲器。由于圖像數據轉存入Flash需要占用數據采集的時(shí)間，這就導致單片機會(huì )錯過(guò)部分數據的采集，根據所采圖像為靜態(tài)圖像這一應用背景，錯過(guò)的數據可通過(guò)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據，通過(guò)RS232口傳輸到上位機。

　　圖1 系統總體框圖

　　2系統硬件設計

　　2.1 圖像傳感器系統

　　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、RawBayer、Format圖像格式，最高像素為240×320，最高幀速率為30幀/s，能夠滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)傳感節點(diǎn)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(guò)I2C總線(xiàn)控制內部可編程功能寄存器來(lái)實(shí)現。該系統采用SPI模式，RGB565格式圖像輸出。

　　2.2 STM8單片機

　　STM8單片機是系統的控制中心，協(xié)調著(zhù)整個(gè)系統的運作，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24M。它的內部資源豐富，擁有32KB的系統內可編程Flash，2KB的內部RAM，l024B的EEPROM，2個(gè)可編程的串行UART接口，一個(gè)最高速度可達400bit/s的硬件I2C接口，一個(gè)可工作在主從模式的最高速度可達10bit/s的硬件SPI接口等。并且它的開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單，易于使用，價(jià)格便宜，開(kāi)發(fā)資料多。

　　因此，選用該款單片機不僅不需要為系統配置額外器件，而且大大降低了整個(gè)系統的成本及縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　2.3 Flash圖像存儲器

　　STM8S207S6內部RAM為2KB，一幅240×320分辨率圖像的大小為150KB，內部RAM不足以存下該分辨率的圖像，所以系統選用一款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(diǎn)：總容量為256KB;單電源讀和寫(xiě)操作，工作電壓為2.7～3.3V;低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3μA;SPI接口，可接受SPI時(shí)鐘頻率高達33MHz，快速編程、快速擦除、快速讀取等，該系列特點(diǎn)滿(mǎn)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SP0828COMS圖像傳感器、SST25VF020Flash圖像存儲器的硬件連接如圖2所示。STM8單片機通過(guò)硬件12C接口對圖像傳感器內部寄存器進(jìn)行初始化，通過(guò)硬件SPI接口接收圖像傳感器發(fā)送的數據。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(shí)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(shí)鐘，然后往單片機傳送數據。該引腳連接單片機的PD7普通I/O口。ECLK：圖像傳感器的主時(shí)鐘輸入引腳，連接單片機的CLK_CCO口。單片機通過(guò)該口為圖像傳感器提供16MHz的主時(shí)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(lái)，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數據輸出的時(shí)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(guò)該引腳為圖像傳感器提供采數時(shí)鐘，圖像傳感器根據采數時(shí)鐘向單片機傳輸數據。

　　SPI_SDA：圖像傳感器SPI數據輸出的數據信號輸出腳，該引腳連接單片機硬件SPI的SPI_MISO口。單片機通過(guò)該引腳采集數據。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(wù)程序里接收數據。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接口的數據引腳和時(shí)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部寄存器讀寫(xiě)操作的數據總線(xiàn)和時(shí)鐘總線(xiàn)。PWDN：圖像傳感器初始化信號線(xiàn)，該引腳連接單片機的PC2普通I/0口。

　　該信號線(xiàn)要在圖像傳感器上電的過(guò)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：FlashSPI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：FlashSPI接口的數據引腳，連接單片機SPI_MISO和SPI_MOSI口，與圖像傳感器的SPI_SDA分時(shí)復用SPI_MISO口。SST_SCK：HashSPI接口的時(shí)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(shí)復用SPI_SCK口。