基于單片機(jī)和CPLD的圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘭寧發(fā)+鄧環(huán)宇+王麓淞+王意羅+鄭之鵬

摘 要：圖像采集是獲取圖像信息的主要來源，以往圖像采集處理需要高速、高性能處理器完成，低端單片機(jī)很難實(shí)時(shí)采集處理圖像。文章以Cortex M3架構(gòu)的ARM（STM32F103VCT6）和CPLD（EPM240T100）作為核心，加上OV5640自動(dòng)對(duì)焦攝像頭設(shè)計(jì)了一款數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)。采用CPLD高速采集圖形，以及圖像預(yù)處理，這樣降低了后面處理器標(biāo)準(zhǔn)，使得低端單片機(jī)也能夠處理數(shù)字圖像。單片機(jī)與CPLD采用SPI總線傳輸數(shù)據(jù)，圖像采集和處理同時(shí)進(jìn)行，提高了系統(tǒng)的工作效率。圖像經(jīng)過數(shù)字化處理，在液晶屏上顯示，也可以存儲(chǔ)在SD卡或無線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)以及手機(jī)上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了GPS系統(tǒng)，自動(dòng)將拍攝的地點(diǎn)、經(jīng)緯度（GPS信息）和時(shí)間整合，作為照片和圖像數(shù)字資料。通過數(shù)字圖像處理，照片能夠呈現(xiàn)特殊效果。

關(guān)鍵詞：圖像采集；單片機(jī)；CPLD

中圖分類號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）07-0035-02

Abstract： Image acquisition is the main source of obtaining image information. In the past， image acquisition and processing needed high-speed and high-performance processors. It is very difficult for the low end microcontroller unit （MCU） to collect and process images in real time. In this paper， taking Cortex M3 architecture of the ARM （STM32F103VCT6） and CPLD （EPM240T100） as the core， plus OV5640 automatic focus camera， a digital image acquisition and processing system is designed. The use of CPLD high-speed graphics acquisition， and image preprocessing has reduced the standards of the processor behind， so that the low-end single-chip computer can also process digital images. Single chip microcomputer and CPLD adopt SPI bus to transmit data， so image acquisition and processing are carried out simultaneously， which improves the efficiency of the system. The images are digitally processed and displayed on the LCD screen. They can also be stored on SD cards or transmitted wirelessly to computers and mobile phones. The system designs a GPS system， which automatically integrates the location， latitude and longitude of shooting information with time so as to be used as the digital data of photos and images. Through digital image processing， photos can present special effects.

Keywords： image acquisition； microcontroller unit （MCU）； CPLD

圖像處理是計(jì)算機(jī)人工智能重要組成部分，圖像采集處理對(duì)計(jì)算機(jī)的要求也比較高。數(shù)碼相機(jī)、智能機(jī)器人低端單片機(jī)完成圖像實(shí)時(shí)采集處理很難實(shí)現(xiàn)，低成本當(dāng)今社會(huì)人們的生活越來越好，追求生活多樣化，數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)大大節(jié)省了普通攝影愛好者成本，人人都能當(dāng)攝影家。隨著計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)碼照相技術(shù)從傳感器采樣到圖像數(shù)字化處理的能力大大提高。圖像信息是人們獲得外界信息的主要來源，視覺檢測在工業(yè)檢測領(lǐng)域也處于比較重要的地位。嵌入式系統(tǒng)的體積較小，功耗較低，應(yīng)用場合靈活，因此在圖像采集和處理領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。本文所設(shè)計(jì)的圖像采集處理系統(tǒng)使用低成本設(shè)備，為初學(xué)者學(xué)習(xí)和開發(fā)構(gòu)成硬件環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高清拍攝，同時(shí)該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)圖像拍攝及處理的一次完成，不需要像數(shù)碼相機(jī)一樣借助電腦等其他平臺(tái)再次處理圖像，并且該設(shè)備可以通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X及各種移動(dòng)設(shè)備上。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用如圖1所示，主要有以下模塊組成：攝像頭模塊，搭配OV5640自動(dòng)對(duì)焦圖像傳感器，擁有強(qiáng)大的拍攝性能，集成高精度自動(dòng)對(duì)焦馬達(dá)，無論近景遠(yuǎn)景都對(duì)焦自如（15cm～無限遠(yuǎn)），高達(dá)5Mega（2592x1944）物理像素的分辨率，成像清晰細(xì)膩，集成各種控制器：自動(dòng)曝光、自動(dòng)增益、自動(dòng)白平衡等，從容適應(yīng)環(huán)境變化。圖像采集控制模塊，高性能CPLD芯片EPM240T100和8M Byte 大容量高速SDRAM，把采集的圖像數(shù)據(jù)在SDRAM中緩存。核心模塊是Cortex M3架構(gòu)的單片機(jī)ARM（STM32F103VCT6），整合液晶觸摸屏、無線網(wǎng)路通訊模塊、外存儲(chǔ)器SD卡以及調(diào)試接口，把SDRAM中圖像數(shù)據(jù)采用FIFO方案分段讀出，經(jīng)過數(shù)字處理后顯示和傳輸。ARM 通過GPS模塊，讀取圖像采集時(shí)的地址坐標(biāo)和時(shí)鐘日歷信息，集成WIFI模塊，可以將圖像直接傳送手機(jī)和計(jì)算機(jī)。endprint

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)的核心是單片機(jī)ARM Cortex M3，控制CPLD負(fù)責(zé)與攝像頭同步，CPLD高速同步讀取圖像信息，按一幀圖片存儲(chǔ)在SDRAM里，單片機(jī)通過SPI總線讀取SDRAM數(shù)據(jù)，在液晶屏幕呈現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像。CPLD模塊部分基于Verilog編程，包括攝像頭同步控制、SDRAM控制和單片機(jī)通訊。攝像頭的初始化和拍攝命令是由單片機(jī)通過I2C總線控制的。在系統(tǒng)開機(jī)后，首先系統(tǒng)進(jìn)入第一次初始化設(shè)置，配置系統(tǒng)外設(shè)時(shí)鐘，功能模式以及I/O配置等。等待系統(tǒng)初始化后，用戶通過液晶屏幕與系統(tǒng)進(jìn)行交互，根據(jù)系統(tǒng)提供的選擇界面進(jìn)行功能選擇。系統(tǒng)進(jìn)入拍攝功能時(shí)，攝像模塊會(huì)根據(jù)外界環(huán)境光線進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要保存圖像時(shí)，可以把圖片信息按標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)在SD卡中，也可以通過WIFI模塊無線傳輸?shù)绞謾C(jī)或計(jì)算機(jī)中。這種設(shè)計(jì)使得中低端單片機(jī)系統(tǒng)可以繞開高清拍攝所需要的速度和存儲(chǔ)空間，而只需跟驅(qū)動(dòng)低速設(shè)備一樣控制成像模塊，并花費(fèi)很少內(nèi)存（1～2kB），能夠輕松地實(shí)現(xiàn)JPEG高清拍攝。圖像采集原理圖如圖2所示。

在這個(gè)模塊上，單片機(jī)發(fā)出拍攝指令，然后控制OV5640傳感器及CPLD進(jìn)行拍攝和圖像采集的相關(guān)工作，最后向主機(jī)分段發(fā)回圖像數(shù)據(jù)包。以往繁瑣復(fù)雜的圖像拍攝過程，通過協(xié)議格式，向模塊發(fā)幾條簡單指令然后接收數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)了低端單片機(jī)也能拍500萬高清圖像。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)分兩大部分，第一部分是CPLD編程，基于Verilog語言設(shè)計(jì)，包含攝像頭同步采集模塊、SDRAM存儲(chǔ)控制模塊和SPI通訊模塊；第二部分是單片機(jī)編程，基于C語言設(shè)計(jì)，包括液晶觸摸屏控制、SD卡控制、WiFi通訊控制、GPS定位計(jì)算、SPI接口（讀取圖像數(shù)據(jù)）和I2C接口（攝像頭控制命令）。上電后，首先單片機(jī)對(duì)OV5640傳感器初始化，根據(jù)觸摸屏命令設(shè)置圖片格式、色彩校正等。對(duì)存儲(chǔ)器SDRAM控制是CPLD模塊的主要任務(wù)之一，SDRAM是同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，價(jià)格相對(duì)靜態(tài)存儲(chǔ)器便宜，同步和刷新控制它的特點(diǎn)，通過模塊狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)自主協(xié)調(diào)控制。本系統(tǒng)采用Verilog編寫的SDRAM控制器模塊實(shí)現(xiàn)讀、寫命令、狀態(tài)機(jī)控制、定時(shí)刷新控制、地址轉(zhuǎn)換控制及仲裁邏輯。SDRAM控制器狀態(tài)機(jī)，包括了SDRAM的初始化、模式設(shè)置、激活、觸發(fā)讀、觸發(fā)寫、所有體預(yù)充電、自動(dòng)預(yù)充電、自刷新、自動(dòng)刷新等操作，SDRAM 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。圖像的采集是將OV5640傳感器高速同步讀取的圖像信息寫到SDRAM里，存儲(chǔ)一幀圖片后，向單片機(jī)發(fā)出圖像就緒信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)后通過SPI總線，分批讀取SDRAM圖像信息。存儲(chǔ)器讀、寫分別是OV5640傳感器和單片機(jī)控制，本文設(shè)計(jì)了仲裁邏輯，通過狀態(tài)號(hào)控制，對(duì)SDRAM 兩側(cè)的三套總線（地址，數(shù)據(jù)和控制）進(jìn)行切換。時(shí)序上實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器讀、寫不沖突。在CPLD設(shè)計(jì)過程中，采用混合設(shè)計(jì)方式，采用 Verilog 方式分別設(shè)計(jì)三套總線切換模塊和地址發(fā)生模塊，最后在通過在頂層模塊例化所設(shè)計(jì)的相關(guān)模塊構(gòu)建該控制器。

單片機(jī)編程采用C語言編寫，通過串口、I2C總線和SPI總線完成圖像的采集、顯示和輸出。I2C是串行2線窄帶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于低速外設(shè)之間的通信，是一個(gè)多主機(jī)總線，連接到總線上的模塊都有唯一的地址，可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)破壞；OV5640傳感器初始化和照相控制命令以及觸摸屏信號(hào)讀取是通過I2C總線實(shí)現(xiàn)。SPI是4線快速全雙工串行通信接口，單片機(jī)通過SPI總線讀取存儲(chǔ)器圖像，單片機(jī)作為主控設(shè)備，提供時(shí)鐘脈沖SCK，CPLD作為從設(shè)備，SD卡用作存儲(chǔ)圖像，控制有兩種模式，一種是SPI模式，另一種是SDIO模式，速度更快。STM32有相應(yīng)接口，本設(shè)計(jì)采用SDIO模式。圖像通過串口連接WIFI模塊，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程輸出。下面是C代碼主模塊里的頭文件：

#include "main.h"

#include

#include

#include

#include < stm32f10x_sdio.h>

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM與CPLD的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。通過使用低成本設(shè)備實(shí)現(xiàn)高清拍攝，以及設(shè)計(jì)的“先緩存整幀，后分段SPI輸出”的FIFO方案，使得中低端單片機(jī)可以繞開高清拍攝所需的高帶寬及大RAM，實(shí)現(xiàn)圖像拍攝及處理的一次完成，不需要像數(shù)碼相機(jī)一樣借助電腦等其他平臺(tái)再次處理圖像，對(duì)以后的高度集成、高速圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]段佳雷，高智博.基于ARM嵌入式圖像采集處理平臺(tái)的標(biāo)簽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2017，07（33）：33-36.

[2]董勇，瑚琦，高鵬飛.基于CPLD的線陣CCD信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2016，03（29）：154-156.