視頻圖像采集處理系統廣泛應用于工業控制、工業檢測、醫學、機器視覺等領域，并且視頻通信是3G時代多媒體應用的重要部分，日常生活中所見到的數碼相機、可視電話、電話會議等產品，實時圖像采集是其最核心的技術。圖像采集的速度與質量直接影響產品的整體效果。大多數嵌入式圖像采集系統都是基于DSP、ARM技術，一些系統比較復雜、成本高、實時圖像處理比較困難。本文所設計的基于STM32F417的圖像采集系統具有采集圖像質量無損、實時性好、功耗低、成本低等優勢，適合在對信息采集的實時性和圖像質量方面有較高要求的系統中應用。

1 系統硬件平臺

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

1．1 核心微控制器

嵌入式微處理器以其高性能、低功耗等優勢成為便攜式系統的最佳選擇。ST公司開發的STM32F417是基于ARM Cortex-M4內核的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210 MIPS，且電流消耗僅為38．6 mA；支持多種低功耗工作模式；內部集成DSP和FPU指令，具備高性能的信號處理和浮點運算能力；同時帶一個8～14位并行照相機接口。此外，STM32F417片上集成1 MB的Flash和196 KB的SRAM。采用STM32F417作為圖像采集系統的控制核心，將大大提高系統的性能，降低功耗和成本。

1．2 CMOS攝像頭

CMOS攝像頭選用OmniVision公司的OV7670。其內嵌一個10位A／D轉換器，可輸出8位RGB／YCbCr／YUV格式的圖像數據，最高幀頻可達30幀／s，最大圖像分辨率為640×480，供電電壓為3．3 V。O7670帶有標準SCCB總線接口，并兼容I2C總線接口。

1．3 幀緩存器

選用美國AverlogIC?Technologies公司的大容量AL422B作為采樣處理的共享數據RAM。它是一款存儲容量為384 K×8 B的FIFO存儲芯片，工作頻率可達50 MHz。所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內部的控制系統完成。在本設計中，1幀圖像數據包含320×240個像素，完整存儲一幀圖像需要153 600字節，AL422B所具有的容量完全符合系統的設計要求。

1．4 SD卡

SD卡是一種基于半導體快閃存儲器的新一代記憶設備，有著廣泛的應用領域。本設計選用金士頓8 G的SD存儲卡存儲采集信息，方便系統對信息的進一步處理。

1．5 LCD液晶屏及其他外設

LCD液晶屏選用3．2寸TFT液晶屏320QVT，分辨率為240×320，其數據引腳直接與FSMC總線接口相連。其他外設包括LCD接口電路、ZigBe e無線模塊、JTAG調試電路、復位電路、晶振電路等。

1．6 圖像采集電路的設計

攝像頭圖像采集電路采用24 MHz有源晶振為OV7670提供系統時鐘。為了解決微處理器與攝像頭間的數據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據緩存后再送給微處理器。為實現將OV7670輸出的圖像信號自動地存入AL422B芯片，電路采用了一片與非門芯片74HC00，以便產生符合AL422B要求的寫時序。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，需要在兩芯片接口之間增加一個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輸出經過AL422B緩存后的8位圖像數據。OV7670的SIO_D、SIO_C接口與STM32F417的PA6、PA7引腳相連，通過該接口實現對攝像頭的初始化配置。STM32F417的PE0、PE1、PB7、PB8分別控制AL422B的時鐘信號、寫復位、讀復位以及讀使能信號。PB9與OV7670輸出的行掃描信號通過與非芯片實現對幀緩存器寫使能的控制，STM32F417的PA10引腳通過中斷的方式檢測攝像頭是否輸出一幀完整的圖像。

由于OV7670帶有標準SCCB接口，同時兼容I2C總線接口，本設計采用STM32F417產生的I2C總線信號模擬SCCB，實現對攝像頭內部寄存器的初始化配置以及對其行場同步信號、開窗及輸出格式的設置。對OV7670寄存器的配置方法如下：首先，發送OV7670的寫地址0x42，然后發送寫數據的目的寄存器地址和數據，從而初始化寫操作；通過發送OV7670的讀地址0x43，完成對讀操作的初始化，從而實現對OV7670攝像頭的初始化配置。

在對攝像頭工作參數配置過程中，將OV7670的寄存器DBLV設為0x80，對輸入時鐘倍頻數進行控制。設置寄存器BRIGHT、CONTRAS，控制圖像的亮度和對比度。通過寄存器REG75、REG76設置圖像邊緣增強上、下限。在對攝像頭測試階段，首先將寄存器ACALING_YSC設為0x85，顯示8色彩條，測試階段結束后將該寄存器設為0x00，進入非測試模式。

OV7670輸出同步信號包括：場同步信號VSYNC、行同步信號HREF、像素時鐘PCLK。根據OV7670數據手冊提供的同步信號時序圖可知，OV76 70攝像頭的像素時鐘PCLK與FIFO寫時鐘WCLK相連接，在PCLK有效時將數據寫入FIFO。場同步信號VSYNC為掃描一幀圖像定時，在兩個正脈沖之間完成一幀圖像的掃描。

當STM32F417第一次檢測到VSYNC下降沿時，系統第一次產生中斷，表明OV7670開始輸出一幀圖像，STM32F417將FIFO_WEN置高電平，當HREF有效(高電平)時，FIFO_WEN與HREF通過與非門使能FIFO的WCK，將有效圖像數據自動寫入FIFO中。

當第二次VSYNC中斷產生時，表明已經將一幀完整的圖像寫入FIFO，系統通過將FIFO_WEN置低，鎖存一幀圖像數據，實現圖像的靜態存儲。此時，STM32F417送給FIFO的讀時鐘RCLK一個上升沿，將數據從FIFO中讀出來，完成圖像數據的實時采集與提取。

1．7 存儲模塊

SD卡支持SPI和SD兩種模式，本設計采用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卡收到復位命令時，若CS為有效電平則啟動SPI模式，SD卡在SPI3_SCK的控制下通過DATA0完成數據的讀寫。

2 系統軟件設計

在圖像采集軟件設計中，對系統各個部分的初始化是最為關鍵的一步，只有對各部分初始化成功以后，才能實現圖像采集功能。圖像采集初始化程序主要包括對系統、SCCB接口、OV7670攝像頭、FIFO緩存器ALA22B等的初始化。在系統初始化設置成功以后，微控制器不斷監測VSYNC信號電平變化，根據VSYNC產生的中斷情況，控制FIFO對圖像數據的讀／寫。圖像采集程序流程圖如圖4所示。

2．1 設置SCCB的相關參數

由于對攝像頭工作參數的配置主要通過SCCB來實現，因此，在系統進行軟件設計時，首先設計SCCB相關程序，進而通過SCCB設置攝像頭的相關參數。SCCB設計的重要函數如下。

(1)模擬SCCB接口初始化函數

? ? (2)SCCB的起始信號函數

? ?

2．2 OV7670的寄存器配置
? ??在完成SCCB初始化、起始與停止等相關程序后，配置OV7670寄存器完成工作參數的設置，包括顯示模式、輸出格式、增益控制等。OV76 70的寄存器配置如下：
? ??

2．3 AL422B的初始化
? ??由于OV7670輸出的圖像信息首先存入AL422B進行緩存，因此，還需要對AL422B進行初始化。AL422B的初始化函數如下：
? ?

? ? 系統啟動后，首先利用各部分初始化函數對系統進行初始化，在整個系統初始化成功后，打開系統中斷，準備進行圖像采集。當VSYNC產生第一次中斷時，開始采集圖像信息，微處理器通過控制AL422B的讀寫使能完成圖像信息的實時采集，最終將提取的圖像數據存入SD卡

3 實驗結果

? ??圖像采集示意圖如圖5所示，預覽圖片大小為VGA(320×240)。實驗結果表明，本系統實現了對圖像的實時采集功能，同時圖像質量損失較小，顯示效果良好。

結語

本系統采用STM32F417實現了對OV7670的功能控制、時序同步、數據采集以及本地存儲等功能。在實際應用過程中，顯示效果良好，圖像質量損失小。該系統的圖像采集效率高、體積小、功耗低、可擴展性強。通過對采集到的信息進行壓縮編碼后，利用USB和ZigBee接口，圖像數據可以通過有線或無線網絡傳輸到上位機，可實現圖像信息的遠程采集。