基于單片機(jī)的表具數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　孟祥斌 馬斌 韓中華 沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院(遼寧沈陽(yáng) 110168)

　　摘要：討論了CMOS攝像頭數(shù)字圖像傳感器應(yīng)用于表具數(shù)字圖像采集的可行性，給出了基于單片機(jī)結(jié)合CMOS圖像傳感器OV7670的表具數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：圖像采集;AT89LV51;OV7670

　　引言

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展以及人民生活水平的逐步提高，人們對(duì)住房的要求越來(lái)越高，逐步把目光放在了家居智能化、數(shù)字化、人性化等方面，而各種耗能表具作為智能建筑的重要組成部分也越來(lái)越受人們的關(guān)注。抄表形式已經(jīng)從手工發(fā)展成為現(xiàn)在的半手工、自動(dòng)化抄表。目前攝像式抄表比較流行，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在表具機(jī)械字輪顯示窗口前安裝一個(gè)攝像頭，攝像頭拍照采集表具信息，將拍到的數(shù)字圖像傳給上位機(jī)[1]。目前，采集表具數(shù)字圖像常用的是CCD攝像頭，CCD電荷耦合器件是主要的實(shí)用化固態(tài)圖像傳感器，它具有讀取噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。CMOS圖像傳感器是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型固體圖像傳感器，由于采用了相同的CMOS工藝，可以將像素陣列與驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路集成在同一塊芯片上。而且，CMOS圖像傳感器芯片集成了A/D轉(zhuǎn)換芯片，除了輸出模擬視頻外，還可以直接輸出數(shù)字視頻信號(hào)和同步信號(hào)。這就使得利用CMOS圖像傳感器構(gòu)成圖像采集系統(tǒng)的硬件電路非常簡(jiǎn)潔。與CCD攝像頭相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，體積小，功耗低，電路簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的表具圖像采集系統(tǒng)，采用OV7670 CMOS圖像傳感器采集表具數(shù)字圖像，利用單片機(jī)將表具圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并結(jié)合數(shù)字圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)對(duì)表具數(shù)字進(jìn)行數(shù)字信息處理，實(shí)現(xiàn)在硬件采集系統(tǒng)中對(duì)表具數(shù)字的采集和處理。

　　圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　表具數(shù)字圖像采集系統(tǒng)主要組成部分有單片機(jī)、OV7670 CMOS攝像頭、LCD顯示器、通信接口以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，系統(tǒng)框圖如圖1所示。單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，控制OV7670圖像傳感器采集表具數(shù)字圖像，將表具圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，利用數(shù)字圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)讀取表具數(shù)字，也能通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的串口通信模塊將表具數(shù)字發(fā)送到上位機(jī)計(jì)算機(jī)能夠在直觀顯示采集的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)使表具數(shù)字信息處理結(jié)果統(tǒng)一管理。單片機(jī)還可以控制電源模塊，當(dāng)采集表具數(shù)字圖像時(shí)電源模塊對(duì)OV7670供電，完成圖像采集時(shí)，可停止對(duì)OV7670供電，具有節(jié)電功能。

　　表具數(shù)據(jù)圖像采集主要芯片(1)單片機(jī)：本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89LV51 3.3V 8位單片機(jī)，其內(nèi)部含有32個(gè)輸入/輸出口，2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，2個(gè)外部存儲(chǔ)器，既可以利用匯編語(yǔ)言編寫程序，也可以用C語(yǔ)言編寫程序，對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)十分方便。

　　(2)OV7670圖像傳感器：OV7670是美國(guó)OmniVision 公司的彩色/黑白CMOS 圖像傳感器。這是一種自帶圖像敏感陣列和A/D 轉(zhuǎn)換元件、能直接提供8位RGB/YUV等格式視頻數(shù)字信號(hào)的彩色/黑白圖像傳感器，圖像輸出最高速度可達(dá)30幀/s，最大圖像分辨率為640×480，3.3V 供電;它具有自動(dòng)增益、自動(dòng)白平衡、邊緣增強(qiáng)、伽瑪校正等控制功能;可以通過(guò)SCCB(兼容I2C總線)總線進(jìn)行設(shè)置;同時(shí)OV7670 具有圖像開(kāi)窗輸出的功能，即允許用戶可根據(jù)實(shí)際使用需要設(shè)置其內(nèi)部寄存器，使其只輸出完整圖像中的任意一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)的信號(hào)，支持VGA，CIF和從CIF到40×30的各種尺寸。

　　(3)BS62LV256存儲(chǔ)器：BS62LV256是BSI公司的高速、低功耗存儲(chǔ)器，容量為32×8bit。

　　系統(tǒng)圖像采集接口

　　將數(shù)字圖像傳感器OV7670攝像頭安裝在表具字輪窗前垂直方向，距離表具字輪窗口約5cm，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)攝像頭容易受外界光源等環(huán)境的影響比較大，因此采集電路中設(shè)置了補(bǔ)光模塊，采用四個(gè)高亮LED進(jìn)行補(bǔ)光，使得圖像采集過(guò)程中在滿足攝像頭照度的同時(shí)盡可能少的受外界環(huán)境影響。圖像采集電路如圖2所示，OV7670的數(shù)據(jù)接口D0～D7通過(guò)鎖存器74HC573與單片機(jī)的P0口連接，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)傳輸。OV7670的SCCB接口(兼容I2C總線接口)與單片機(jī)的P1.1，P1.2口相連，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生的I2C總線信號(hào)對(duì)OV7670工作寄存器進(jìn)行初始化，初始化配置攝像頭寄存器具體方法：首先發(fā)送OV7670的地址0X42，然后發(fā)送寫數(shù)據(jù)的目的寄存器地址和數(shù)據(jù)，完成OV7670圖像傳感器的初始化配置;通過(guò)單片機(jī)的I/O口控制OV7670的場(chǎng)同步信號(hào)(VSYNC), 行同步信號(hào)(HREF), 像素時(shí)鐘信號(hào)(PCLK)獲取需要的表具數(shù)字圖像信號(hào)。