基于STM8單片機(jī)的CMOS圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

位信號(hào)、發(fā)送地址、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)，所有的時(shí)序信號(hào)都是通過(guò)對(duì)單片機(jī)硬件I2C內(nèi)部寄存器的操作實(shí)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(xiě)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(dòng)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(xiě)操作符“0”

I2C_SendDat(reg_address);//發(fā)送內(nèi)部寄存器的地址

I2C_Start();//啟動(dòng)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(xiě)操作符“0”，reg_address是內(nèi)部寄存器的地址，write_data是要寫(xiě)入寄存器的數(shù)據(jù)*/

I2C_Start();//啟動(dòng)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(xiě)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(xiě)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(jī)通過(guò)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(shè)接口，允許MCU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信。SPI總線一般采用4根線：串行時(shí)鐘線SCK、主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI、低電平有效的使能信號(hào)線SS。因?yàn)樵谙到y(tǒng)的SPI數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，單片機(jī)只采集圖像傳感器的數(shù)據(jù)，沒(méi)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(shí)鐘線SCK和一根主機(jī)輸入從機(jī)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(diǎn)是由主設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)的出現(xiàn)與否來(lái)決定主從設(shè)備之間的通信。在從設(shè)備被使能時(shí)，一旦檢測(cè)到主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸，時(shí)鐘信號(hào)無(wú)效后，傳輸結(jié)束。在系統(tǒng)中，單片機(jī)作為主設(shè)備，圖像傳感器作為從設(shè)備，圖像傳感器在時(shí)鐘的下降沿變數(shù)，單片機(jī)在時(shí)鐘的上升沿采集數(shù)據(jù)，圖像傳感器接收單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)SPI協(xié)議的時(shí)序如圖7所示。

圖7 SPI總線的數(shù)據(jù)傳送時(shí)序圖

STM8單片機(jī)有專門(mén)的硬件SPI接口，因此可通過(guò)該接1：2采集圖像數(shù)據(jù)。圖像傳感器SPI時(shí)鐘輸入引腳連接單片機(jī)的SPI_SCK口，圖像傳感器圖像數(shù)據(jù)輸出引腳連接單片機(jī)SPI_MISO口，片選SPI_CS引腳連接單片機(jī)的普通I/O口PD7。然后對(duì)硬件SPI的參數(shù)進(jìn)行配置，主要包括時(shí)鐘頻率、工作模式、主從模式、空閑時(shí)候電平狀態(tài)、觸發(fā)邊沿等，這些參數(shù)都可以通過(guò)單片機(jī)硬件SPI的內(nèi)部寄存器的配置實(shí)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_SR&0x02));//等待總線空閑

SPI_DR=Oxff;//產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)硬件SPI在且僅在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候才產(chǎn)生SCK時(shí)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(shè)計(jì)

SST25VF020是一款2Mbit SPI Serial NOR型Flash芯片，在系統(tǒng)中作為圖像存儲(chǔ)器使用。該Flash通過(guò)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(shí)序如圖8所示。

圖8 SST25VF020的工作時(shí)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(hào)，在SCK下降沿的時(shí)候輸出信號(hào)。STM8單片機(jī)有專門(mén)的硬件SPI接口，但是圖像傳感器也需要單片機(jī)的硬件sPI接口與之通信，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種分時(shí)復(fù)用單片機(jī)硬件SPI接口的方式。CE#片選連接單片機(jī)的普通I/O口PD0，該I/O口在不同的時(shí)刻與圖像傳感器的片選PD7分別選中，如此，一個(gè)硬件SPI接口便可操作2個(gè)SPI設(shè)備。SPI時(shí)鐘輸入引腳連接單片機(jī)的SPI_SCK口，SI讀人信號(hào)連接單片機(jī)的SPI_MOSI，SO輸出信號(hào)連接單片機(jī)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(gè)單片機(jī)輸出信號(hào)函數(shù)。Flash模塊主要功能函數(shù)如下：

void sst_send_byte(unsigned char byte)

{

while(!(SPI_SR&0x02));//等待總線空閑

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

while(!(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)

void flashwrite_byte(unsigned long addr，unsigned char data)//向緩沖區(qū)l的指定位置(0—263)寫(xiě)入指定字節(jié)

}

write_en();//寫(xiě)使能命令

mss0();//片選端選中，低電平有效

send(0x02);//寫(xiě)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(xiě)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(shè)計(jì)

為保存圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)引入Flash存儲(chǔ)器，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入Flash存儲(chǔ)器需要占用中斷響應(yīng)時(shí)間，這就導(dǎo)致了中斷響應(yīng)時(shí)間不夠的問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)所采圖像為靜態(tài)圖像這一應(yīng)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(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)線表示捕獲到的中斷，虛線表示因轉(zhuǎn)存人Flash錯(cuò)過(guò)的中斷。

圖9 多幀采集圖像方法示意

單片機(jī)把采集的數(shù)據(jù)按照采集時(shí)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1O 圖像數(shù)據(jù)在Flash中的存儲(chǔ)順序

在Flash中讀取圖像數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)，單片機(jī)以2個(gè)字節(jié)為單位，拼接成一個(gè)無(wú)符號(hào)整型，即一個(gè)像素點(diǎn)，通過(guò)RS232接口傳送至上位機(jī)。

4 試驗(yàn)及分析

圖11是系統(tǒng)的實(shí)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(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)對(duì)圖像的處理速度是4幀/s，滿足實(shí)時(shí)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(jī)通過(guò)RS232接口傳輸至上位機(jī)，并在顯示器上顯示的。

圖11 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖12 試驗(yàn)結(jié)果圖像

5 結(jié)語(yǔ)

與其他嵌入式圖像采集系統(tǒng)相比，有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一，價(jià)格低廉，有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jī)處理速度慢的問(wèn)題，取得了很好的試驗(yàn)效果;第三，系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)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(diǎn)上，使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有采集和傳輸圖像的功能，更大程度上方便用戶使用。