基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)

　　在很多場合，由于客觀條件限制，人們不可能進入現場進行直接觀察，只能用適應性更強的電子圖像設備來代替完成，在此背景下發(fā)展起來的圖像技術成為人們關注的熱點應用技術之一，它以直觀、信息內容豐富而被廣泛應用于許多場合。在物聯(lián)網系統(tǒng)中實現圖像采集，必須要考慮物聯(lián)網的以下特點：

　　(1)物聯(lián)網節(jié)點對價格敏感。

　　物聯(lián)網是信息傳感技術的大規(guī)模應用，傳感節(jié)點數目成百上千，若每個節(jié)點的成本提高一點，整個物聯(lián)網系統(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盡量低。

　　(2)大部分物聯(lián)網應用對圖像質量要求不高。

　　圖像采集主要是幫助用戶不需要到現場就可以觀察現場情況，對于大多數應用只要能分辨出現場場景即可，沒必要采集很高像素的圖像。

　　(3)基于成本考慮，物聯(lián)網大多選用RS232，Zigbee，GPRS等傳輸速率不高的聯(lián)網方式，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，也不會對現場情況的觀察有太大的影響。基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)正是在這樣特定的應用背景下設計的。針對物聯(lián)網傳感節(jié)點的特性，結合現有的技術條件和實際應用，提出一種用單片機直接與CMOS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，實現了遠程監(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)網節(jié)點上，應用領域廣泛。

　　1系統(tǒng)總體方案

　　圖像采集系統(tǒng)是根據某種特定的使用目的和應用條件，由圖像采集、圖像存儲、圖像傳輸和系統(tǒng)控制等相關電子設備和傳輸介質組成的一個有機整體。

　　圖1是系統(tǒng)的總體框圖，系統(tǒng)主要由單片機、圖像傳感器、Flash圖像存儲器組成。圖像傳感器負責圖像的采集，采集的圖像數據由單片機實時讀取。圖像傳感器的分辨率為240×320，數據量為150KB，而單片機的內部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據轉存人Flash圖像存儲器。由于圖像數據轉存入Flash需要占用數據采集的時間，這就導致單片機會錯過部分數據的采集，根據所采圖像為靜態(tài)圖像這一應用背景，錯過的數據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。等一幅圖像采集轉存完畢，單片機再從Flash圖像存儲器中讀取圖像數據，通過RS232口傳輸到上位機。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　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總線控制內部可編程功能寄存器來實現。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)調著整個系統(tǒng)的運作，所以必須要有較高的響應速度和豐富的外設資源。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，最高可以達到24M。它的內部資源豐富，擁有32KB的系統(tǒng)內可編程Flash，2KB的內部RAM，l024B的EEPROM，2個可編程的串行UART接口，一個最高速度可達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內部RAM為2KB，一幅240×320分辨率圖像的大小為150KB，內部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系列產品中的一員，其芯片具有以下特點：總容量為256KB;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部寄存器進行初始化，通過硬件SPI接口接收圖像傳感器發(fā)送的數據。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據。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數據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時鐘，圖像傳感器根據采數時鐘向單片機傳輸數據。

　　SPI_SDA：圖像傳感器SPI數據輸出的數據信號輸出腳，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據。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，單片機響應中斷，在中斷服務程序里接收數據。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接口的數據引腳和時鐘引腳，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部寄存器讀寫操作的數據總線和時鐘總線。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接口的數據引腳，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分時復用SPI_SCK口。