STM32和OV2640的嵌入式图像采集系统设计
引言
随着电子产品向低功耗、低价格、智能化的方向发展,利用视频传感器采集图像成为研究热点，如可视门铃、安全监控[1]、赛车自动循迹[2?3]、烟叶图像采集[4]、草本叶子图像采集[5]等。本文根据在线采集、分析、存储图像的需求，设计了嵌入式图像采集系统，运用嵌入式芯片STM32对图像信息进行采集、显示和存储。
1 系统结构与功能
图像采集系统以基于ARM公司的CortexM3内核的STM32F103RBT6（以下简称STM32）处理器为核心，配合OV2640摄像头和TFT液晶显示器，是一款采集像素多、实时性好且成本低廉的图像采集系统。
系统的硬件结构框图如图1所示，系统通过JLink口实现程序在STM32上的仿真、在线调试，利用JLINK仿真编程器将编译之后的二进制文件烧写到Flash中，系统每次上电时便可从Flash启动文件系统，图像采集系统采用OV2640摄像头模块，输出显示采用2.4英寸TFT液晶显示屏，可将采集到的数据保存在SD卡中。当存储按键按下时，系统接收中断，同时将从OV2640摄像头采集到的数据显示在液晶显示屏上。
图1 系统硬件结构框图
2 硬件设计
2.1 CPU处理器
本系统用的是32位的CortexM3内核的STM32芯片STM32F103RBT6，支持Thumb2指令集，STM32F103RBT6内部的Flash有128K，SRAM大小为20 K，有64个增强I/O口、2个USART、2个12位的A/D转换器[6]。它的供电电压为2.0～3.6 V，拥有省电模式，可以保证低功耗需求。CPU主频最高可以达到72 MHz。
2.2 OV2640摄像头
OV2640具有体积小、工作电压低、兼容I2C总线接口等特点。通过SCCB总线控制，支持RawRGB、RGB(GRB4:2:2、RGB565/555/444)、YUV(4:2:2)和YCbCr(4:2:2)输出格式，可以输出整帧、二次转换分辨率、取特定区域等方式的各种分辨率的8位或10位的图像帧数据，UXGA（1 632×1 232）图像最高达到15 fps。图2OV2640摄像头连接示意图因此，编程者可选择不同图像质量、数据格式，而且，OV2640的高灵敏度适合低照度环境，它的低电压特性适合嵌入式开发应用，摄像头数据口连接CPU的示意图如图2所示。
采用摄像头的8位数据模式，摄像头高8位接CPU的I/O口的低8位,低2位悬空。
2.3 SCCB总线
SCCB(OmniVision Serial Camera Control Bus)与I2C总线协议类似，使用SIO0和SIO1两根数据线进行传输和控制。SIO1是控制线，提供传输过程中的时钟脉冲控制信号，SIO0是串行双向数据传输线，根据控制信号通过串行的方式发送数据。在很多设计中，经常采用I/O口模拟I2C总线的传输，对于SCCB，也可以采用这样的方式。
采用I/O口模拟SCCB总线的要点如下：对于SCL所连接的引脚，在寄存器中设置为输出，而SDA所接的引脚，在数据传送过程中，基于IODIR值的改变，动态改变引脚为输入或输出方式。
2.4 LCD显示模块
本设计所用的为2.4英寸的TFT液晶显示屏，图3系统与ILI9320连接图内部集成有ILI9320 LCD控制芯片，可以直接控制数据的显示。ILI9320可以用来读写寄存器、GRAM,还可显示动态图形的RGB输入接口。显示控制芯片有RGB接口模式与i80系统接口模式，设计选用i80system接口模式。
i80system接口是通过设置IM[3:0]来决定的，同时这几个位也决定了数据传输位数的模式，通过硬件设置IM0位高电平，IM1位高电平，把模式设置为了8位i80system接口传输模式。连接示意图如图3所示。
要写数据到屏上显示，只需要对寄存器0x0022进行写操作即可，当这个寄存器的数据更新时，地址指针（AC）会自动增加或减小，读数据也是同样的道理。
2.5 SD卡接口电路设计
通常而言，SD卡电路设计有两种模式：SPI模式和SD卡模式，由于引脚资源限制，对于连接STM32的方式，采用第一种设计电路，通过STM32上面的SPI接口来和SD卡进行数据通信[8]，引脚如图4所示。
在SPI模式中，数据通过STM32的MOSI与MISO进行传送，SCK信号线用来提供工作时钟，当SD 卡收到复位命令（CMD0）时，SD卡立即进入SPI模式。要注意的是，在发送CMD0 之前须发送大于74个的时钟周期；另外，在SD卡初始化时，CLK时钟频率最大不能超过400 kHz。
3 软件设计
3.1 系统初始化
系统初始化主要是对CPU时钟进行初始化，以及设置外围电路的时钟分频比，设置中断。其流程可描述如下：
SystemInit();
if (HSEStartUpStatus == SUCCESS){
//如果HSE晶振稳定且就绪
RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); //PLL设置
RCC_CLKConfig();//设置外部总线时钟
GPIO_PinRemapConfig();//改变指定引脚的映射
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
//设置中断
}
3.2 摄像头初始化
首先，通过SCCB总线设置OV2640的寄存器数据，主要是配置摄像头输出数据格式类型和输出图像数据大小，达到初始化OV2640的目的。OV2640初始化流程较为简单，伪代码如下：
unsigned char OV2640_init(void){
unsigned char temp;
unsigned inti=0;
OV2640_GPIO_Init();
SCCB_GPIO_Config();//摄像头I/O口初始化
CLK_init_ON();//开摄像头时钟
temp=0x80;
//初始化并判断是否成功
if(0==wrOV2640Reg(0x12, temp))
return 0;
for(i=0;i
return 0;
}
return 0x01; //不成功则返回1
}
3.3 LCD显示模块
通过对ILI9320的读写操作时序控制进行仔细的分析后，初始化TFT屏幕，其实质就是对寄存器的设置。程序中对LCD控制器操作的函数接口主要有以下3个：
LCD_WR_REG16()//写寄存器命令
LCD_WR_DATA16()//写寄存器数据
LCD_RD_DATA16()//读寄存器数据
3.4 主程序流程与系统实现
程序运行流程如图5所示，系统启动之后，先按照程序初始化设备，并打开外部中断，如果检测到门铃有按键输入，则启动摄像头与CPU之间的数据传输，启动TFT液晶显示器与CPU之间的数据传输，在液晶显示器上实时显示摄像头所拍摄到的画面，并鸣响蜂鸣器。
如果用户需要，还可以启动拍照，并将照片保存为Bmp的格式文件在SD卡上。同时，在延时一段时间之后，如果没有任何中断触发，则系统运行至低功耗状态，关液晶屏。
实验效果图如图6所示。
从图6中可以看出，STM32加OV2640方案的效果比较令人满意，摄像头的清晰度较高，实时性较好，2.4英寸的显示屏能满足图像显示的需求。
结语
本文基于STM32处理器和OV2640摄像头加2.4英寸TFT液晶显示屏的设计方案不仅成本低廉，而且功能齐全，整体效果较好，硬件平台设备较为成熟。
在软件方面，程序流程严谨，逻辑严密，而且驱动程序较为完善，各个模块之间不存在耦合性，系统运行稳定、可靠。
