視頻圖像采集處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域，并且視頻通信是3G時(shí)代多媒體應(yīng)用的重要部分，日常生活中所見到的數(shù)碼相機(jī)、可視電話、電話會(huì)議等產(chǎn)品，實(shí)時(shí)圖像采集是其最核心的技術(shù)。圖像采集的速度與質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的整體效果。大多數(shù)嵌入式圖像采集系統(tǒng)都是基于DSP、ARM技術(shù)，一些系統(tǒng)比較復(fù)雜、成本高、實(shí)時(shí)圖像處理比較困難。本文所設(shè)計(jì)的基于STM32F417的圖像采集系統(tǒng)具有采集圖像質(zhì)量無損、實(shí)時(shí)性好、功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)，適合在對(duì)信息采集的實(shí)時(shí)性和圖像質(zhì)量方面有較高要求的系統(tǒng)中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

? ??圖像采集系統(tǒng)主要由STM32F417微處理器、CMOS攝像頭、幀緩存器、SD卡、LCD液晶屏及其他外設(shè)組成。圖像采集系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1．1 核心微控制器

嵌入式微處理器以其高性能、低功耗等優(yōu)勢(shì)成為便攜式系統(tǒng)的最佳選擇。ST公司開發(fā)的STM32F417是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位閃存微控制器。其主頻為168 MHz，在此工作頻率下其處理性能可達(dá)210 MIPS，且電流消耗僅為38．6 mA；支持多種低功耗工作模式；內(nèi)部集成DSP和FPU指令，具備高性能的信號(hào)處理和浮點(diǎn)運(yùn)算能力；同時(shí)帶一個(gè)8～14位并行照相機(jī)接口。此外，STM32F417片上集成1 MB的Flash和196 KB的SRAM。采用STM32F417作為圖像采集系統(tǒng)的控制核心，將大大提高系統(tǒng)的性能，降低功耗和成本。

1．2 CMOS攝像頭

CMOS攝像頭選用OmniVision公司的OV7670。其內(nèi)嵌一個(gè)10位A／D轉(zhuǎn)換器，可輸出8位RGB／YCbCr／YUV格式的圖像數(shù)據(jù)，最高幀頻可達(dá)30幀／s，最大圖像分辨率為640×480，供電電壓為3．3 V。O7670帶有標(biāo)準(zhǔn)SCCB總線接口，并兼容I2C總線接口。

1．3 幀緩存器

選用美國(guó)AverlogIC?Technologies公司的大容量AL422B作為采樣處理的共享數(shù)據(jù)RAM。它是一款存儲(chǔ)容量為384 K×8 B的FIFO存儲(chǔ)芯片，工作頻率可達(dá)50 MHz。所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成。在本設(shè)計(jì)中，1幀圖像數(shù)據(jù)包含320×240個(gè)像素，完整存儲(chǔ)一幀圖像需要153 600字節(jié)，AL422B所具有的容量完全符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1．4 SD卡

SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃存儲(chǔ)器的新一代記憶設(shè)備，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)選用金士頓8 G的SD存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)采集信息，方便系統(tǒng)對(duì)信息的進(jìn)一步處理。

1．5 LCD液晶屏及其他外設(shè)

LCD液晶屏選用3．2寸TFT液晶屏320QVT，分辨率為240×320，其數(shù)據(jù)引腳直接與FSMC總線接口相連。其他外設(shè)包括LCD接口電路、ZigBe e無線模塊、JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路、晶振電路等。

1．6 圖像采集電路的設(shè)計(jì)

攝像頭圖像采集電路采用24 MHz有源晶振為OV7670提供系統(tǒng)時(shí)鐘。為了解決微處理器與攝像頭間的數(shù)據(jù)傳輸速率不一致問題，在二者之間加入一片AL422B幀緩存器，將攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)緩存后再送給微處理器。為實(shí)現(xiàn)將OV7670輸出的圖像信號(hào)自動(dòng)地存入AL422B芯片，電路采用了一片與非門芯片74HC00，以便產(chǎn)生符合AL422B要求的寫時(shí)序。需要注意的是，由于AL422B芯片正常工作需要3．3 V供電，如果STM32 F417使用3 V電壓供電時(shí)，需要在兩芯片接口之間增加一個(gè)74HC573 D鎖存器，以滿足高／低電平的要求。圖像采集電路圖如圖2所示。

圖像采集模塊與STM32F417的接口電路示意圖如圖3所示。

在圖3中，利用STM32F417的PC0～PC7口接收OV7670輸出經(jīng)過AL422B緩存后的8位圖像數(shù)據(jù)。OV7670的SIO_D、SIO_C接口與STM32F417的PA6、PA7引腳相連，通過該接口實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的初始化配置。STM32F417的PE0、PE1、PB7、PB8分別控制AL422B的時(shí)鐘信號(hào)、寫復(fù)位、讀復(fù)位以及讀使能信號(hào)。PB9與OV7670輸出的行掃描信號(hào)通過與非芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)幀緩存器寫使能的控制，STM32F417的PA10引腳通過中斷的方式檢測(cè)攝像頭是否輸出一幀完整的圖像。

由于OV7670帶有標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口，同時(shí)兼容I2C總線接口，本設(shè)計(jì)采用STM32F417產(chǎn)生的I2C總線信號(hào)模擬SCCB，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭內(nèi)部寄存器的初始化配置以及對(duì)其行場(chǎng)同步信號(hào)、開窗及輸出格式的設(shè)置。對(duì)OV7670寄存器的配置方法如下：首先，發(fā)送OV7670的寫地址0x42，然后發(fā)送寫數(shù)據(jù)的目的寄存器地址和數(shù)據(jù)，從而初始化寫操作；通過發(fā)送OV7670的讀地址0x43，完成對(duì)讀操作的初始化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)OV7670攝像頭的初始化配置。

在對(duì)攝像頭工作參數(shù)配置過程中，將OV7670的寄存器DBLV設(shè)為0x80，對(duì)輸入時(shí)鐘倍頻數(shù)進(jìn)行控制。設(shè)置寄存器BRIGHT、CONTRAS，控制圖像的亮度和對(duì)比度。通過寄存器REG75、REG76設(shè)置圖像邊緣增強(qiáng)上、下限。在對(duì)攝像頭測(cè)試階段，首先將寄存器ACALING_YSC設(shè)為0x85，顯示8色彩條，測(cè)試階段結(jié)束后將該寄存器設(shè)為0x00，進(jìn)入非測(cè)試模式。

OV7670輸出同步信號(hào)包括：場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HREF、像素時(shí)鐘PCLK。根據(jù)OV7670數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的同步信號(hào)時(shí)序圖可知，OV76 70攝像頭的像素時(shí)鐘PCLK與FIFO寫時(shí)鐘WCLK相連接，在PCLK有效時(shí)將數(shù)據(jù)寫入FIFO。場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC為掃描一幀圖像定時(shí)，在兩個(gè)正脈沖之間完成一幀圖像的掃描。

當(dāng)STM32F417第一次檢測(cè)到VSYNC下降沿時(shí)，系統(tǒng)第一次產(chǎn)生中斷，表明OV7670開始輸出一幀圖像，STM32F417將FIFO_WEN置高電平，當(dāng)HREF有效(高電平)時(shí)，F(xiàn)IFO_WEN與HREF通過與非門使能FIFO的WCK，將有效圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)寫入FIFO中。

當(dāng)?shù)诙蜼SYNC中斷產(chǎn)生時(shí)，表明已經(jīng)將一幀完整的圖像寫入FIFO，系統(tǒng)通過將FIFO_WEN置低，鎖存一幀圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖像的靜態(tài)存儲(chǔ)。此時(shí)，STM32F417送給FIFO的讀時(shí)鐘RCLK一個(gè)上升沿，將數(shù)據(jù)從FIFO中讀出來，完成圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與提取。

1．7 存儲(chǔ)模塊

SD卡支持SPI和SD兩種模式，本設(shè)計(jì)采用SPI模式，將SD卡的CMD引腳與SFM32F417的SPI3_MOSI相連，CLK連接STM32F417的SPI3_SCK引腳，DATA0連接STM32F417的SPI3_MISO引腳，DATA3作為片選CS與STM32F417的PA15相連；在SD卡收到復(fù)位命令時(shí)，若CS為有效電平則啟動(dòng)SPI模式，SD卡在SPI3_SCK的控制下通過DATA0完成數(shù)據(jù)的讀寫。