基于單片機(jī)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(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行直接觀察，只能用適應(yīng)性更強(qiáng)的電子圖像設(shè)備來代替完成，在此背景下發(fā)展起來的圖像技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)之一，它以直觀、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)用于許多場合。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)對價(jià)格敏感。

　　物聯(lián)網(wǎng)是信息傳感技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)目成百上千，若每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本提高一點(diǎn)，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本就會(huì)提高很多。所以傳感節(jié)點(diǎn)圖像采集的成本應(yīng)盡量低。

　　(2)大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)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(shí)間較長。

　　但許多監(jiān)測節(jié)點(diǎn)安放的位置固定，采集的圖像是準(zhǔn)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(huì)對現(xiàn)場情況的觀察有太大的影響。基于單片機(jī)的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)正是在這樣特定的應(yīng)用背景下設(shè)計(jì)的。針對物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的特性，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件和實(shí)際應(yīng)用，提出一種用單片機(jī)直接與CMOS圖像傳感器相連，采用Flash為圖像存儲(chǔ)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(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。所選器件價(jià)格低廉，硬件連接簡單，從而成本非常低。該系統(tǒng)可單獨(dú)作為獨(dú)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(diǎn)上，應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用條件，由圖像采集、圖像存儲(chǔ)、圖像傳輸和系統(tǒng)控制等相關(guān)電子設(shè)備和傳輸介質(zhì)組成的一個(gè)有機(jī)整體。

　　圖1是系統(tǒng)的總體框圖，系統(tǒng)主要由單片機(jī)、圖像傳感器、Flash圖像存儲(chǔ)器組成。圖像傳感器負(fù)責(zé)圖像的采集，采集的圖像數(shù)據(jù)由單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取。圖像傳感器的分辨率為240×320，數(shù)據(jù)量為150KB，而單片機(jī)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(chǔ)器，單片機(jī)將讀取的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存人Flash圖像存儲(chǔ)器。由于圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入Flash需要占用數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，這就導(dǎo)致單片機(jī)會(huì)錯(cuò)過部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集，根據(jù)所采圖像為靜態(tài)圖像這一應(yīng)用背景，錯(cuò)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(zhuǎn)存完畢，單片機(jī)再從Flash圖像存儲(chǔ)器中讀取圖像數(shù)據(jù)，通過RS232口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 圖像傳感器系統(tǒng)

　　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，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)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I2C總線控制內(nèi)部可編程功能寄存器來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用SPI模式，RGB565格式圖像輸出。

　　2.2 STM8單片機(jī)

　　STM8單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，所以必須要有較高的響應(yīng)速度和豐富的外設(shè)資源。系統(tǒng)選用高性能、低功耗的8位微處理器STM8S207S6。它運(yùn)行速度快，最高可以達(dá)到24M。它的內(nèi)部資源豐富，擁有32KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2KB的內(nèi)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(dá)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(dá)10bit/s的硬件SPI接口等。并且它的開發(fā)工具簡單，易于使用，價(jià)格便宜，開發(fā)資料多。

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

　　2.3 Flash圖像存儲(chǔ)器

　　STM8S207S6內(nèi)部RAM為2KB，一幅240×320分辨率圖像的大小為150KB，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(chǔ)器SST25VF020作為外掛圖像存儲(chǔ)器。SST25VF020是SST25VF系列產(chǎn)品中的一員，其芯片具有以下特點(diǎn)：總?cè)萘繛?56KB;單電源讀和寫操作，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(dá)33MHz，快速編程、快速擦除、快速讀取等，該系列特點(diǎn)滿足圖像存儲(chǔ)的要求。2.4單片機(jī)與圖像傳感器、圖像存儲(chǔ)器的連接STM8單片機(jī)與SP0828COMS圖像傳感器、SST25VF020Flash圖像存儲(chǔ)器的硬件連接如圖2所示。STM8單片機(jī)通過硬件12C接口對圖像傳感器內(nèi)部寄存器進(jìn)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?yàn)镕lash圖像存儲(chǔ)器也是SPI接口，所以圖像存儲(chǔ)器與圖像傳感器分時(shí)復(fù)用STM8單片機(jī)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(jī)的SPI時(shí)鐘，然后往單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。該引腳連接單片機(jī)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(jī)的CLK_CCO口。單片機(jī)通過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，高電平有效，該13連接單片機(jī)的PB6普通I/O口。SPI_CLK：圖像傳感器SPI數(shù)據(jù)輸出的時(shí)鐘信號輸入腳，該引腳連接單片機(jī)硬件SPI的SPI_SCK口。單片機(jī)通過該引腳為圖像傳感器提供采數(shù)時(shí)鐘，圖像傳感器根據(jù)采數(shù)時(shí)鐘向單片機(jī)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(jī)硬件SPI的SPI_MISO口。單片機(jī)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(jī)響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序里接收數(shù)據(jù)。該引腳連接單片機(jī)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(shí)鐘引腳，連接單片機(jī)硬件I2C接口的I2C_SDA和I2C_SCL，是單片機(jī)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(shí)鐘總線。PWDN：圖像傳感器初始化信號線，該引腳連接單片機(jī)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：FlashSPI接口的片選引腳，低電平有效，該引腳連接單片機(jī)的PD0普通I/O口。SST_SO、SST_SI：FlashSPI接口的數(shù)據(jù)引腳，連接單片機(jī)SPI_MISO和SPI_MOSI口，與圖像傳感器的SPI_SDA分時(shí)復(fù)用SPI_MISO口。SST_SCK：HashSPI接口的時(shí)鐘信號輸入引腳，連接單片機(jī)的SPI_SCK口，與圖像傳感器的SPI_CLK分時(shí)復(fù)用SPI_SCK口。