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    基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)

    2014-03-21 10:21:42董大波王湘云趙柏秦吳南健
    儀表技術(shù)與傳感器 2014年2期
    關(guān)鍵詞:寄存器中斷時鐘

    董大波,王湘云,趙柏秦,吳南健

    (中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

    0 引言

    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(yīng)性更強的電子圖像設(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(shù)的大規(guī)模應(yīng)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(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(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(yīng)用背景下設(shè)計的[1]。

    針對物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點的特性,結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件和實際應(yīng)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(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、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)組成的一個有機整體[2]。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[3]。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(zhuǎn)存入Flash圖像存儲器。由于圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入Flash需要占用數(shù)據(jù)采集的時間,這就導(dǎo)致單片機會錯過部分?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[4]。

    圖1 系統(tǒng)總體框圖

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)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[5]。

    2.2STM8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(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,1 024 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。

    2.3Flash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?cè)萘繛?56 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3 μA;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[6]。

    圖2 硬件連接框圖

    STM8單片機通過硬件I2C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(fù)用STM8單片機的硬件SPI接口。

    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,只有該接口為低電平,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,該口連接單片機的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(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PB4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/O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(fù)用SPI_MISO口。

    SST_SCK:Flash 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(fù)用SPI_SCK口。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    3.1主程序的設(shè)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[7]。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(shè)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(shè)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(jié)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

    DVDD28&AVDD連接電源,DVDD28&AVDD拉高即是上電。在上電之后,延時至少10 μs,初始化信號線PWDN拉低。然后延時至少110 μs,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(jié)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(shè)置圖像傳感器的工作方式,如時鐘、幀率、曝光、對比度、亮度等[8]。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(dāng)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(yīng)答位。數(shù)據(jù)傳送完成后主控制器必須發(fā)送終止信號[9]。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(shè)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 char reg_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_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”

    val=I2C_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

    return 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 char reg_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(shè)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SPI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(shè)備時鐘信號的出現(xiàn)與否來決定主從設(shè)備之間的通信。在從設(shè)備被使能時,一旦檢測到主設(shè)備的時鐘信號,數(shù)據(jù)開始傳輸,時鐘信號無效后,傳輸結(jié)束。在系統(tǒng)中,單片機作為主設(shè)備,圖像傳感器作為從設(shè)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,因此可通過該接口采集圖像數(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 spi_get_byte(void)

    {

    while(!(SPI_SR&0x02));//等待總線空閑

    SPI_DR=0xff;//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

    }

    3.3Flash模塊軟件設(shè)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[10]。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[11]。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(shè)計了一種分時復(fù)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(shè)備。SPI時鐘輸入引腳連接單片機的SPI_SCK口,SI讀入信號連接單片機的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_SR&0x02));//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_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)1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)

    mss1();//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)

    mss1();//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

    為保存圖像數(shù)據(jù),系統(tǒng)引入Flash存儲器,而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入Flash存儲器需要占用中斷響應(yīng)時間,這就導(dǎo)致了中斷響應(yīng)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(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(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,實線表示捕獲到的中斷,虛線表示因轉(zhuǎn)存入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(zhuǎn)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1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[12]。

    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(jié)構(gòu)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11 系統(tǒng)實物圖

    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12 試驗結(jié)果圖像

    5 結(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)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。

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