引言

隨著電子產品向低功耗、低價格、智能化的方向發展,利用視頻傳感器采集圖像成為研究熱點，如可視門鈴、安全監控[1]、賽車自動循跡[23]、煙葉圖像采集[4]、草本葉子圖像采集[5]等。本文根據在線采集、分析、存儲圖像的需求，設計了嵌入式圖像采集系統，運用嵌入式芯片STM32對圖像信息進行采集、顯示和存儲。

1 系統結構與功能

圖像采集系統以基于ARM公司的CortexM3內核的STM32F103RBT6（以下簡稱STM32）處理器為核心，配合OV2640攝像頭和TFT液晶顯示器，是一款采集像素多、實時性好且成本低廉的圖像采集系統。

系統的硬件結構框圖如圖1所示，系統通過JLink口實現程序在STM32上的仿真、在線調試，利用JLINK仿真編程器將編譯之后的二進制文件燒寫到Flash中，系統每次上電時便可從Flash啟動文件系統，圖像采集系統采用OV2640攝像頭模塊，輸出顯示采用2.4英寸TFT液晶顯示屏，可將采集到的數據保存在SD卡中。當存儲按鍵按下時，系統接收中斷，同時將從OV2640攝像頭采集到的數據顯示在液晶顯示屏上。

圖1 系統硬件結構框圖

2 硬件設計

2.1 CPU處理器

本系統用的是32位的CortexM3內核的STM32芯片STM32F103RBT6，支持Thumb2指令集，STM32F103RBT6內部的Flash有128K，SRAM大小為20 K，有64個增強I/O口、2個USART、2個12位的A/D轉換器[6]。它的供電電壓為2.0～3.6 V，擁有省電模式，可以保證低功耗需求。CPU主頻最高可以達到72 MHz。

2.2 OV2640攝像頭

OV2640具有體積小、工作電壓低、兼容I2C總線接口等特點。通過SCCB總線控制，支持RawRGB、RGB(GRB4:2:2、RGB565/555/444)、YUV(4:2:2)和YCbCr(4:2:2)輸出格式，可以輸出整幀、二次轉換分辨率、取特定區域等方式的各種分辨率的8位或10位的圖像幀數據，UXGA（1 632×1 232）圖像最高達到15 fps。圖2OV2640攝像頭連接示意圖因此，編程者可選擇不同圖像質量、數據格式，而且，OV2640的高靈敏度適合低照度環境，它的低電壓特性適合嵌入式開發應用，攝像頭數據口連接CPU的示意圖如圖2所示。

采用攝像頭的8位數據模式，攝像頭高8位接CPU的I/O口的低8位,低2位懸空。

2.3 SCCB總線

SCCB(OmniVision Serial Camera Control Bus)與I2C總線協議類似，使用SIO0和SIO1兩根數據線進行傳輸和控制。SIO1是控制線，提供傳輸過程中的時鐘脈沖控制信號，SIO0是串行雙向數據傳輸線，根據控制信號通過串行的方式發送數據。在很多設計中，經常采用I/O口模擬I2C總線的傳輸，對于SCCB，也可以采用這樣的方式。

采用I/O口模擬SCCB總線的要點如下：對于SCL所連接的引腳，在寄存器中設置為輸出，而SDA所接的引腳，在數據傳送過程中，基于IODIR值的改變，動態改變引腳為輸入或輸出方式。

2.4 LCD顯示模塊

本設計所用的為2.4英寸的TFT液晶顯示屏，圖3系統與ILI9320連接圖內部集成有ILI9320 LCD控制芯片，可以直接控制數據的顯示。ILI9320可以用來讀寫寄存器、GRAM,還可顯示動態圖形的RGB輸入接口。顯示控制芯片有RGB接口模式與i80系統接口模式，設計選用i80system接口模式。

i80system接口是通過設置IM[3:0]來決定的，同時這幾個位也決定了數據傳輸位數的模式，通過硬件設置IM0位高電平，IM1位高電平，把模式設置為了8位i80system接口傳輸模式。連接示意圖如圖3所示。

要寫數據到屏上顯示，只需要對寄存器0x0022進行寫操作即可，當這個寄存器的數據更新時，地址指針（AC）會自動增加或減小，讀數據也是同樣的道理。

2.5 SD卡接口電路設計

通常而言，SD卡電路設計有兩種模式：SPI模式和SD卡模式，由于引腳資源限制，對于連接STM32的方式，采用第一種設計電路，通過STM32上面的SPI接口來和SD卡進行數據通信[8]，引腳如圖4所示。

在SPI模式中，數據通過STM32的MOSI與MISO進行傳送，SCK信號線用來提供工作時鐘，當SD 卡收到復位命令（CMD0）時，SD卡立即進入SPI模式。要注意的是，在發送CMD0 之前須發送大于74個的時鐘周期；另外，在SD卡初始化時，CLK時鐘頻率最大不能超過400 kHz。

3軟件設計

3.1 系統初始化

系統初始化主要是對CPU時鐘進行初始化，以及設置外圍電路的時鐘分頻比，設置中斷。其流程可描述如下：

SystemInit();

if (HSEStartUpStatus == SUCCESS){

//如果HSE晶振穩定且就緒

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); //PLL設置

RCC_CLKConfig();//設置外部總線時鐘

GPIO_PinRemapConfig();//改變指定引腳的映射

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

//設置中斷

}

3.2 攝像頭初始化

首先，通過SCCB總線設置OV2640的寄存器數據，主要是配置攝像頭輸出數據格式類型和輸出圖像數據大小，達到初始化OV2640的目的。OV2640初始化流程較為簡單，偽代碼如下：

unsigned char OV2640_init(void){

unsigned char temp;

unsigned inti=0;

OV2640_GPIO_Init();

SCCB_GPIO_Config();//攝像頭I/O口初始化

CLK_init_ON();//開攝像頭時鐘

temp=0x80;

//初始化并判斷是否成功

if(0==wrOV2640Reg(0x12, temp))

return 0;

for(i=0;i

if( 0==wrOV2640Reg(change_reg[i][0],change_reg[i][1]))

return 0;

}

return 0x01; //不成功則返回1

}

3.3 LCD顯示模塊

通過對ILI9320的讀寫操作時序控制進行仔細的分析后，初始化TFT屏幕，其實質就是對寄存器的設置。程序中對LCD控制器操作的函數接口主要有以下3個：

LCD_WR_REG16()//寫寄存器命令

LCD_WR_DATA16()//寫寄存器數據

LCD_RD_DATA16()//讀寄存器數據

3.4 主程序流程與系統實現

程序運行流程如圖5所示，系統啟動之后，先按照程序初始化設備，并打開外部中斷，如果檢測到門鈴有按鍵輸入，則啟動攝像頭與CPU之間的數據傳輸，啟動TFT液晶顯示器與CPU之間的數據傳輸，在液晶顯示器上實時顯示攝像頭所拍攝到的畫面，并鳴響蜂鳴器。

如果用戶需要，還可以啟動拍照，并將照片保存為Bmp的格式文件在SD卡上。同時，在延時一段時間之后，如果沒有任何中斷觸發，則系統運行至低功耗狀態，關液晶屏。

實驗效果圖如圖6所示。

從圖6中可以看出，STM32加OV2640方案的效果比較令人滿意，攝像頭的清晰度較高，實時性較好，2.4英寸的顯示屏能滿足圖像顯示的需求。

結語

本文基于STM32處理器和OV2640攝像頭加2.4英寸TFT液晶顯示屏的設計方案不僅成本低廉，而且功能齊全，整體效果較好，硬件平臺設備較為成熟。

在軟件方面，程序流程嚴謹，邏輯嚴密，而且驅動程序較為完善，各個模塊之間不存在耦合性，系統運行穩定、可靠。