图像采集系统的研究与设计

图像采集系统的研究与设计摘要：该设计利用CMOS图像传感器的可编程特性，设计了以16位飞思卡尔单片机MC9S12XS128为主控芯片的数字图像采集与处理系统。由摄像头OV7670采集图像；FIFO帧存储器AL422B进行数据缓存，解决了单片机与OV7670之间速率的不同步问题；最后进行了硬件和软件设计，成功实现了摄像和拍照两个功能，并由3.5寸TFT液晶实时显示拍到的图像。该系统结构简单，通用性强，可方便地移植到各种类型的处理器，在本系统设计的基础上，配合适当的应用程序，可以广泛应用于摄像、监控、安防、识别等各个领域。关键词：图像采集；S12单片机；OV7670摄像头；FIFO；TFTLCD中图分类号：TN964?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2015）04?0094?040引言无论是在道路两旁还是商店，公共场所等都离不开电子眼。在公路两旁可以帮助维护交通，在商店，公共场所可以保护人们的利益和安全。还有指纹识别、电子门禁等等这些都离不开电子眼。目前基于PC机的图像采集，系统功能强大，有成熟的技术及产品。但是这样的采集系统携带性差，很多场合下也不适合使用，给人们的生活带来很多不便。而且此系统的成本高，采集图像占用资源多。基于此本文设计了一种系统稳定可靠，成本低廉，携带方便，具有很强的现实意义和广泛的应用前景。1系统方案设计本设计是通过采用MC9S12XS128单片机为主控芯片，主要是用OV7670摄像头、显示屏和存储器来构建图像采集和处理系统，以实现图像的采集、显示和缓存等功能。先以OV7670摄像头采集物体图像，然后采集数据被送至缓存区，最后通过MC9S12XS128控制将图像显示在LCD屏。还可以通过按键选择摄像和拍照。系统总体设计如图1所示。2硬件设计硬件平台设计主要有3部分，分别为核心控制部分、图像采集部分、图像显示和缓存。平台构建以S12单片机为核心，搭建图像采集、显示和缓存电路，需要时添加必要的外围和扩展电路，使硬件具备扩展性，分考虑后续开发以适应小同的应用场所。如图2为系统的硬件平台框图[1]。2.1主控芯片选择本系统采用飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机为主控芯片。飞思卡尔（FREESCALE）系列单片机成本低、性能高，配置灵活等。它采用哈佛结构和流水线指令结构，同时还提供多种集成模块和总线接U能够灵活地运用到不同的领域中，其中包括IIC总线模块，串行通信接U模块SCI，串行外围接口模块SPI，MSCAN08控制器模块，通用串行总线模块（USB/PS2）等[2]。本系统主要用到的是该单片机的输入捕捉功能。其输入捕捉功能结构如图3所示。2.2图像采集模块图像采集主要OV7670摄像头及缓存器构成，采集过程如下：先有摄像头采集到图像数据，在把图像数据通过控制器的控制存入缓存，为进一步的后续处理做好准备。由s12单片机通过I2C总线与OV7670摄像头连接。可以实现对OV7670摄像头的控制，简单易行[3]。由于S12单片机只有8KB的RAM，而采集一帧320×480的图像数据大概要154KB并且工作频率也不能和摄像头的像素PCLK频率保持匹配，为解决上述问题，需采用一片FIFO先进先出存储器作缓存，本系统采用的是AverLogic公司推出的存储容量为3MB的视频帧存储器AL422B[4]。本系统采用OmniVision公司的CMOS图像传感器0V7670芯片采集图像。OV7670，体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线的控制，能够输入子采样、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据，该产品VGA图像最高可以达到30f/s，用户能够自己完全控制图像质量、数据格式和传输方式，图像处理功能过程包括伽玛曲线、饱和度、白平衡、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmniVision图像传感器可以应用独有的传感器技术，通过减少甚至消除光学和电子缺陷，如固定图案噪声、托尼、浮散等，来提高图像质量，得到清晰稳定的彩色图像[5]。2.3OV7670、AL422B与单片机接口电路SCL和SDA分别为SCCB协议的时钟线和数据线控制端。行同步信号和单片机一个GPIO口通过一个与非门来实现FIFO的写操作控制，由摄像头的PCLK像素同步信号实现FIFO的写时序控制，保证了数据写入的同步、正确；RE端直接接地，由GPIO口模拟RCK时序进行选择性的读操作。OV7670、AL422B与单片机接口电路如图4所示2.4图像显示TFT型的液晶显示器的构成是有：导光板、偏光板、滤光板、背光管、薄模式晶体管、玻璃基板、配向膜和液晶材料等。在TFT型液晶显器中，是在导电玻璃上画上类似网状的细小线路，电极是由薄膜式晶体管所排列而形成的矩阵开关，在每个线路相交的地方都配有控制闸，各个显示点控制闸是配合驱动讯号作动。电极上之晶体管矩阵能够显示讯号开启或关闭液晶分子的电压，从而使液晶分子轴转向而成“暗”或“亮”的对比，这样就避免了显示器对电场效应的依靠，可以转换成以晶体管开启和关闭的速率作为决定步骤。也因此，TFT?LCD的显示质量较TN/STN更好，画面显示对比可达150∶1或以上，反应速度甚至逼近30ms或者更快。LCD是由二层玻璃基板夹住液晶构成的，形成一个平行板的电容器，通过嵌入在下玻璃基板上的TFT可以对这个电容器和内置的存储电容充电。为了维持每幅图像，所需要的电压就要到下一幅图像更新才能变换。液晶的彩色由于都是透明的，所以必须给LCD衬以白色的背光板，才能将五颜六色表达出来，LCD实际上是通过自身的R，G，B彩色滤光片对背光源发出的光进行合成来实现彩色显示的，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。因此在TFT?LCD的底部都组合了灯具，如CCFL或LED。当摄像头完成图像的采集后，通过控制器取出缓存在视频帧存储器AL422B的图像。上传给液晶显示器，液晶显示器高清显示图像，通过驱动芯片来驱动3.5寸液晶TS8002F显示器[6]。本系统采用3.5寸液晶TS8002F，驱动芯片为SSD2119。选用8080接口16位数据传输方式，此时R6电阻需焊上。在8080接口模式下：LCD_RS为数据/指令选择线（1：数据读写，0：命令读写），LCD_CS为片选信号线（如果有多片组合，可有多条片选信号线）。LCD_WR为MCU向LCD写入数据控制线。LCD_RD为MPU从LCD读入数据控制线，LCD_RST为复位控制线。LCD与单片机接口设计如图5所示。2.5电源电路模块系统供电电源为5V，CPU和FIFO、液晶供电电源都为3.3V，液晶背光电源为12V，所以需要进行必要的电源转换；OV7670需要2.8V供电，用3.3V电源串接一个二极管IN4007提供。系统电源电路的设计电路如图6～图8所示。2.8V电源电路MC34063包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路，由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R?S触发器和大电流输出开关电路等组成。此升压电路的工作原理简述如下：当芯片内部开关管导通时，电源经取样电阻R3和1、3管脚接地，此时电感L1开始存储能量，而由C5对负载提供能量。当开关管断开时，电源和电厂同时给负载和电容C5提供能量。电感释放能量期间内，电感两端的电动势极性与电源极性是相同的，是相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压是高于电源电压的。开关管导通与关断的频率可以称为芯片的工作频率。只要这个频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可以获得连续的直流电压。由C4决定工作频率，调节电位器R1，使输出电压为12V。2.6串口模本系统要求单片机与PC进行通信，即把采集到的数据发往上位机，而且要多次用串口进行调试工作。所以串口电路必不可少，连接电路如图9所示。2.7按键电路模块利用两个按键进行系统工作方式选择，即拍照和摄像。分别接单片机的PT6和PT7口，连接电路如图10所示。3软件总体设计利用软件达到对各硬件初始化，并且可以用LCD观察各初始化情况。利用按键选择摄像和拍照功能。软件实现功能流程如图11所示。4结语本文介绍了MC9S12单片机图像采集的结构。经过调试可以在LCD上清晰观察到捕捉的图像。本文的创新点在于：该系统有效地结合了MC9s12单片机低成本、高性能的优点，极大地降低了成本，非常适合安防监控，有广阔的市场前景。参考文献[1]刘南平.电子产品设计与制作技术[M].北京：科学出版社，2008.[2]何希才.传感器集成电路手册[M].北京：化学工业出版社，2004.[3]张志伟，张灵，王爱乐，等.I2C总线原理及其通信的初步实现[J].机械制造文摘：焊接分册，2004（2）：22?23.[4]孙同景，陈桂友.16位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版社，2008.[5]孙挺，李众立.基于CMOS图像传感器OV5017的图像采集系统设计[J].微计算机信息，2004（4）：78?81.[6]郭着南，李儒峰.FIFO芯片AL422B在视频系统中的应用[M].长沙：湖南工程出版社，2002.