基于STM32的圖像采集與顯示系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)

徐平　薛凌云　祝磊　陳秉強(qiáng)

摘要：為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解，更好地將專業(yè)課所學(xué)的知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)操作完整地結(jié)合起來，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，本學(xué)院開設(shè)了以嵌入式系統(tǒng)為研究對(duì)象的工程實(shí)訓(xùn)課程。本次工程實(shí)訓(xùn)以STM32單片機(jī)為主控單元，采用串行攝像機(jī)控制總線（SCCB）驅(qū)動(dòng)OV7670圖像傳感器輸出RGB565 QVGA的圖像數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在TFT-LCD上的圖像采集與顯示系統(tǒng)。結(jié)果表明，通過工程實(shí)訓(xùn)課程，使理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生靈活應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)知識(shí)解決工程問題的能力，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：工程實(shí)訓(xùn)；STM32；OV7670；圖像采集與顯示

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）21-0260-02

一、引言

嵌入式系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)是本學(xué)院儀器儀表類專業(yè)大學(xué)生本科期間必修的一門專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程，其目標(biāo)是為了讓同學(xué)們更加熟練地掌握嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐操作，從而更好地將專業(yè)課知識(shí)和基本實(shí)踐操作結(jié)合。國內(nèi)現(xiàn)在普遍將嵌入式系統(tǒng)定義為以實(shí)際應(yīng)用為核心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件和硬件具備可移植性，符合系統(tǒng)對(duì)費(fèi)用、尺寸、可靠性、性能高標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常來說，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)將控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。近些年，微型電子技術(shù)和集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，這使得基于嵌入式系統(tǒng)的圖像獲取與處理方案越來越多。STM32F103，一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，它的時(shí)鐘頻率最為72MHz，具備耗能低、功能多、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。OV7670，美國OV公司出的一款（CMOS）圖像傳感器，其像素為30萬，通過串行攝像頭控制總線（SCCB）進(jìn)行控制，輸出為并行的8位圖像數(shù)據(jù)。本次嵌入式系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)將STM32F103ZET6微控制器作為主控處理芯片，將OV7670作為圖像采集模塊，將TFT-LCD作為圖像顯示模塊，設(shè)計(jì)圖像采集顯示系統(tǒng)，并增加按鍵功能，使采集到的圖片可調(diào)節(jié)光照模式、飽和度、亮度以及對(duì)比度。

二、系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要分為STM32F103ZET6微控制器模塊、OV7670圖像采集模塊、TFT-LCD圖像顯示模塊。主要工作原理為：STM32F103ZET6通過對(duì)OV7670寄存器的讀寫來控制每一幀圖像的采集，通過對(duì)TFT-LCD寄存器的讀寫控制每一幀圖像的顯示。OV7670的時(shí)鐘頻率為24MHz，使用開發(fā)板自帶的IO接口傳輸數(shù)據(jù)難度大且對(duì)CPU的占用率非常高。為解決這一問題，本系統(tǒng)中采用AL422B作為緩存器，采集到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行緩存，一幀圖像緩存完時(shí)，通過STM32F103ZET6將這幀圖像實(shí)時(shí)顯示在TFT-LCD上。

三、硬件設(shè)計(jì)

1.OV7670。本圖像采集與顯示系統(tǒng)用開發(fā)板上的IO接口來控制OV7670。將SIO_C口設(shè)置成推挽輸出，SIO_D口讀取數(shù)據(jù)時(shí)上拉輸入、寫入數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)成推挽輸出，再由SCCB的工作時(shí)序編寫程序。OV7670的圖像數(shù)據(jù)通過D[7∶0]輸出，該功能就是在PCLK（像素時(shí)鐘）、VSYNC（幀同步信號(hào)）以及HREF/HSYNC（行同步信號(hào)）的控制下進(jìn)行的。HREF為高電平時(shí)，圖像數(shù)據(jù)輸出；HREF正階躍時(shí)，每個(gè)PCLK輸出一字節(jié)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)格式為RGB565時(shí)，每兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)像素的顏色。

2.TFT-LCD。本圖像采集和顯示系統(tǒng)將TFT-LCD作為顯示模塊，其大小為2.8寸，分辨率為320×240。本圖像采集和顯示系統(tǒng)中一幀圖像的數(shù)據(jù)量為150KB。為加快顯示，以STM32F103ZET6的FSMC來驅(qū)動(dòng)TFT-LCD，即靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（flexible static memory controller），將TFT-LCD視為外部SRAM來處理。將TFT-LCD的RS信號(hào)引腳視為地址線，與STM32F103ZET6的FSMC_A10引腳相連。其目的是用于判斷傳輸?shù)氖敲钸€是數(shù)據(jù)。TFT-LCD以及外部1MB SRAM均連接于FSMC總線，用各自的信號(hào)加以片選，TFT-LCD和FSMC_NE4引腳相連接，SRAM和FSMC_NE3引腳相連接。特別地，TFT-LCD傳輸數(shù)據(jù)為16位時(shí)，STM32F103ZET6的地址總線HADDR[0]是沒被接入的，也就是說HADDR[25∶1]才真正處于工作狀態(tài)，則對(duì)應(yīng)關(guān)系變?yōu)椋篐ADDR[25∶1]→FSMC[24∶0]。此時(shí)TFT-LCD寫命令的地址為0x6C000000+0x07FE（0x0800）。TFT-LCD中ILI9320的寫入比讀取效率高，因此將FSMC設(shè)為異步方式A。

四、軟件設(shè)計(jì)

1.主程序。主程序由初始化、按鍵掃描、按鍵處理及圖像采集與顯示等模塊組成。初始化模塊包括延時(shí)函數(shù)、中斷、串口、按鍵、LCD、OV7670的初始化；按鍵掃描與處理程序用于進(jìn)行不同模式下按鍵的檢測(cè)及調(diào)用相應(yīng)的處理程序；圖像的采集與顯示模塊用于進(jìn)行OV7670 CMOS攝像頭圖像數(shù)據(jù)的采集，并將采集的圖像直接顯示在LCD顯示屏上。

2.按鍵掃描與處理。我們可以通過KEY0設(shè)置光照模式（5種模式），通過KEY1設(shè)置色飽和度，通過KEY2設(shè)置亮度，通過WK_UP設(shè)置對(duì)比度。

3.圖像采集與顯示。OV7670攝像頭模塊保存采集到的數(shù)據(jù)的工作原理：①等待OV7670同步信號(hào)；②FIFO的寫指針復(fù)位；③FIFO的寫使能；④再次等待OV7670同步信號(hào)；⑤FIFO的寫禁止。通過上面5步，我們就可以完成1幀圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)了。在存儲(chǔ)完了一幀圖像之后，我們就可以開始讀取圖像數(shù)據(jù)了，讀取圖像數(shù)據(jù)的過程：①FIFO的讀指針復(fù)位；②給FIFO讀時(shí)鐘讀取像素高字節(jié)；③給FIFO讀時(shí)鐘讀取像素低字節(jié)；④給FIFO讀時(shí)鐘讀取下個(gè)像素高字節(jié)；⑤循環(huán)讀取剩余像素（QVGA、RGB565格式，1幀圖像數(shù)據(jù)共320*240=76800個(gè)像素）。一共需循環(huán)讀取320*240*2次，這樣才能讀取1幀的圖像數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)寫入TFT-LCD，這樣就可以看到攝像頭捕捉到的畫面了。

五、結(jié)論

本次嵌入式系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)課程學(xué)生設(shè)計(jì)了基于STM32和OV7670的圖像采集與顯示系統(tǒng)，并增加了按鍵模塊以調(diào)節(jié)圖像顯示相關(guān)參數(shù)的功能，工程實(shí)訓(xùn)小組成員以組內(nèi)分工的形式通過對(duì)系統(tǒng)的不斷調(diào)試和測(cè)試，按要求實(shí)現(xiàn)了圖像采集和顯示的功能，通過知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方式，在使學(xué)生進(jìn)一步了解嵌入式系統(tǒng)，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的同時(shí)，也圓滿完成了教學(xué)任務(wù)。

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