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基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)

作者: 時間:2016-09-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  在很多場合,由于客觀條件限制,人們不可能進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)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:

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201609/297210.htm

  (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?;?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/單片機">單片機的低成本圖像采集系統(tǒng)正是在這樣特定的應(yīng)用背景下設(shè)計的。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,提出一種用直接與圖像傳感器相連,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(yuǎn)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。

  圖1是系統(tǒng)的總體框圖,系統(tǒng)主要由、圖像傳感器、Flash圖像存儲器組成。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150KB,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)存人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。

  

 

  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)

  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、RawBayer、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。

  2.2 STM8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(dá)到24M。它的內(nèi)部資源豐富,擁有32KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,2KB的內(nèi)部RAM,l024B的EEPROM,2個可編程的串行UART接口,一個最高速度可達(dá)400bit/s的硬件I2C接口,一個可工作在主從模式的最高速度可達(dá)10bit/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。

  2.3 Flash圖像存儲器

  STM8S207S6內(nèi)部RAM為2KB,一幅240×320分辨率圖像的大小為150KB,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?56KB;單電源讀和寫操作,工作電壓為2.7~3.3V;低功耗,工作電流為7mA,等待電流為3μA;SPI接口,可接受SPI時鐘頻率高達(dá)33MHz,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SP0828COMS圖像傳感器、SST25VF020Flash圖像存儲器的硬件連接如圖2所示。STM8單片機通過硬件12C接口對圖像傳感器內(nèi)部寄存器進(jìn)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。

  

 

  圖2 硬件連接框圖

  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13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16MHz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13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PIM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/0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:FlashSPI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:FlashSPI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:HashSPI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。


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