基于STM32F4和OV5640尿液分析儀的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

鄭焱雄　趙立宏

摘 要：隨著尿液檢測在實際生活生產(chǎn)中占據(jù)越來越重要的地位，本論文是基于STM32F407芯片和 OV5640尿液分析儀的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計。使用STM32F407芯片作為控制單元，運用串行攝像頭控制總線（SCCB）來控制OV5640圖像傳感器輸出VGA，RGB565圖像數(shù)據(jù)，同時實時顯示在TFT LCD上，并將成像的圖片傳送到STM32芯片進(jìn)行識別和圖像處理后得出相應(yīng)的結(jié)果。實驗結(jié)果表明： 能得到清晰流暢的圖像，并且該系統(tǒng)具有成本低、易于測量等優(yōu)點，可滿足圖片處理和識別的需要。

關(guān)鍵詞：STM32；OV5640；圖像采集與顯示；圖片處理

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種微控制系統(tǒng)，實現(xiàn)快速化、低功耗、智能化、價格低的方向發(fā)展[1]，利用圖像傳感器已成為一個研究領(lǐng)域的熱點，如攝像頭嵌入控制系統(tǒng)中，視頻捕捉功能，圖片識別，對象跟蹤與工程功能，定時功能等等。根據(jù)網(wǎng)上現(xiàn)代科技信息對尿液分析儀需求的分析，本文采用嵌入式圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計，使用STM32嵌入式芯片對圖像信息的顯示和存儲采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ARM CortexM4內(nèi)核處理器為核心的圖像采集系統(tǒng)（以下簡稱STM32F407），組合OV5640攝像頭和TFTLCD液晶顯示，是一款具有良好的，實時性的和低成本的圖像采集系統(tǒng)[2]。圖1 是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，主要由STM32F407芯片、TFTLCD設(shè)備、圖像采集設(shè)備、OV5640攝像頭、SD儲設(shè)卡和其他組件組成。

2 硬件設(shè)計

2.1 CPU處理器

本系統(tǒng)用的是32位的CortexM4內(nèi)核的STM32芯片STM32F407，支持Thumb2指令集，STM32F407內(nèi)部的Flash有1M，SRAM大小為192K，有114個增強I/O口、2個USART、3個12位的A/D轉(zhuǎn)換器[6]。電源電壓為1.8 ～3.6 V，采用節(jié)電模式，可保證低功率要求。CPU主頻最高可以達(dá)到168MHz。

2.2 OV5640 攝像頭

OV5640 是 OV（OmniVision）公司生產(chǎn)的一顆 1/4 寸的 CMOS QSXGA（2592*1944）圖像傳感器，提供了一個完整的 500W 像素攝像頭解決方案，并且集成了自動對焦（AF）功能，具有非常高的性價比。

該傳感器的小尺寸和低工作功率提供了一個攝像頭芯片QSXGA和視頻處理器的所有功能。通過SCCB總線控件，可以輸出各種分辨率的8/10圖像數(shù)據(jù)，包括整個幀、子采樣、縮放和獲取窗口等[4]。圖像數(shù)據(jù)輸出（通過Y[9：0]）由PCLK、VSYNC和HREF / HSYNC控制，首先看看行輸出時序，如圖 2 所示：

上面的圖片顯示，HREF高時圖像數(shù)據(jù)是輸出的，當(dāng)HRE變高時，每一個PCLK時鐘，輸出一個8位/10位的數(shù)據(jù)。這里使用是8位接口，因此每個PCLK輸出1個字節(jié)，并且在RGB/YUV輸出格式中，每個tp=2Tpclk，如果它是Raw格式，那么一個tp=1.Tpclk。

2.3 SCCB總線

SCCB全稱是：（OmniVisionSerial Camera Control Bus）及串行攝像頭控制總線，使用SIOC和SIO-D兩根數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸和控制。SIOC是用于傳輸時鐘信號，SIOD是用于傳輸數(shù)據(jù)信號的，SCCB的傳輸協(xié)議與IIC協(xié)議極其相似。串行攝像頭控制總線的啟動信號，停止信號，數(shù)據(jù)的有效性和I2C幾乎一樣，見圖3及4圖

起始信號：當(dāng)SIO_C為高電平時，SIO_D顯示一個下降沿，則SCCB開始傳輸。停止信號：當(dāng)SIO_C為高電平時，SIO_D顯示一個上升沿，則SCCB停止傳輸。數(shù)據(jù)有效性：除了啟動和停止?fàn)顟B(tài)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)SIO_ C為高電平時，必須保證數(shù)據(jù)SIO_D的穩(wěn)定性。

2.4 LCD顯示模塊

圖5 模式A寫操作時序

本設(shè)計采用TFTLCD液晶顯示屏為2.8英寸320x240分辨率，內(nèi)部集成有ILI9341LCD控制芯片，可以直接控制圖像顯示。ILI9341LCD控制芯片可以用來讀取和寫入寄存器、GRAM，還可以顯示用于動態(tài)圖形的RGB輸入接口。由于ILI9341LCD控制芯片的編寫速度快于讀取，因此FSMC的工作模式被配置為異步模式（ModeA），這是一個寫操作序列的模式，如圖5所示，選擇了信號NEX，讀取可以生成NOE，可以有效地使NWE處于低電平有效，寫操作為（ ADDSET + DATAST + 2 ） 個HCLK 周期。

2.5 SD卡接口電路設(shè)計

一般而言，SD卡是由9個管腳與外部通信組成，為用戶提供兩種操作模式：SD 模式和 SPI 模式。由于管腳資源的限制，通過SPI在STM32接口上與SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]，SPI模式下SD卡的操作流程如圖6所示

圖6 SPI模式下SD卡的操作流程如圖

通電后，SD卡會自動進(jìn)入SD模式。STM32會使 CS 信號變?yōu)榈碗娖剑绻鸖D卡是0x01作為響應(yīng)，則將命令發(fā)送到SD卡重置（CMDO），這表明SD卡進(jìn)入了ldle的SPI模式，在等待至少74個時鐘周期后，控制芯片向SD卡發(fā)送 SEND_OP_COND（CMD1）命令，當(dāng)輪詢到SD卡的響應(yīng)是0x00時，就可以接收SD卡讀和寫操作了[6]。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)的初始化是對CPU時鐘以及外圍電路中時鐘的初始化。這個過程可以描述如下：

SystemInit（ ）；

If（HSEStartUPstatus==SUCCESS）

RCC_PLLConfig（RCC_PLLSource_HSE_Div1RCC_LLMul_9）； //PLL設(shè)置

RCC_CLKConfig//設(shè)置外部總線時鐘

GPIO_PinRemapConfig//改變指定引腳的映射

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_1）

//設(shè)置中斷}

3.2 LCD顯示模塊

在對ILI9341LCD讀寫操作順序控制進(jìn)行仔細(xì)分析后，TFT屏幕被初始化，這些是寄存器的設(shè)置。LCD初始化函數(shù)偽代碼：

//LCD初始化

void LCD_Init（void）

{ 初始化GPIO；

初始化FSMC；

讀取LCD ID； printf（“LCD ID：%x＼r＼n”，lcddev.id）；

//打印LCD ID，用到了串口1

//所以必須初始化串口1，否則黑屏

根據(jù)不同的ID執(zhí)行LCD初始化代碼；

LCD_Display_Dir（0）；//默認(rèn)為豎屏

LCD_LED=1；//點亮背光

LCD_Clear（WHITE）； //清屏 }

3.3 主程序流程與系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)啟動時，首先根據(jù)程序初始化設(shè)備，啟動OV5640圖像傳感器后并將采集的圖像進(jìn)行實時顯示，同時將BMP格式的圖像存儲在SD卡中，與此同時，延遲片刻后，如果沒有任何中斷觸發(fā)響應(yīng)，系統(tǒng)將會運行到低功耗狀態(tài)，關(guān)閉LCD屏幕。

圖7 實驗效果

從圖7實驗效果中可以看出，STM32F407組合OV5640方案進(jìn)行灰度化圖片處理的效果還是比較令人滿意，攝像頭的清晰度較高，拍攝時反應(yīng)靈敏等優(yōu)點，可隨時將圖像以 BMP 的圖片格式保存在 SD 卡中，并為后續(xù)的圖像識別和分割處理奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文基于STM32處理器和OV5640圖像采集和顯示系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對實時圖像進(jìn)行實時采集和顯示。該系統(tǒng)的設(shè)計方案不僅具有成本低、功耗小、體積小、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點。在軟件方面，過程是嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯是嚴(yán)密，驅(qū)動完善，模塊之間沒有耦合性，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)：

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