東南大學自動化學院畢業(yè)設計論文,單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理

1、題 目單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理_自動化學院_院（系） 自動化_專業(yè)學號08009123姓名孫博指導教師符影杰顧問教師起止日期2012.12.20 2013.06.10設計地點中心樓224東南大學畢業(yè)設計（論文）報告摘要單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理摘要隨著計算機的發(fā)展，隨著圖像采集處理技術的進步和社會的發(fā)展，其被廣泛的運用于社會社交，遠程醫(yī)療及實時監(jiān)控等各個方面。圖像測量是一種非接觸式的檢測方法，可應用于工業(yè)、民用等許多領域。圖像采集與處理是圖像測量的基礎，關系到測量的精度與速度。基于單片機攝像頭圖像采集與處理技術擁有廣泛的應用市場和廣闊的發(fā)展前景。本文中基于低功耗單片機的攝像式實時圖像測量系統(tǒng)

2、，通過圖像測量的方法，可直接安裝在常規(guī)電表前，采用攝像技術和圖像識別技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將讀表數(shù)據(jù)直接在單片機中處理并顯示出結果，采用串口傳輸技術將數(shù)據(jù)存儲于上位機上并顯示，無需人工干預，具有成本低、安裝簡單、智能化程度高的特點。 針對本設計的特點，采用一種基于圖像處理技術的數(shù)碼管檢測系統(tǒng)，設計了靜態(tài)圖像采集和靜態(tài)圖像處理的控制方案。首先，通過分析與實驗，完成各功能模塊核心元件的選型與外圍電路設計。經(jīng)過硬件調(diào)試，完成了最小系統(tǒng)、圖像采集、數(shù)據(jù)存儲、結果顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K的硬件設計。其次，在硬件平臺的基礎上，實現(xiàn)各個功能模塊的軟件功能。基于本裝置的控制要求，分別選用了MSP430F149單片

3、機和STC12LE5A60S2單片機和OV7670圖像傳感器作為核心部件，設計并完成了兩套圖像測量系統(tǒng)。實驗結果表明，該裝置滿足測量要求，達到了研究的預期目的。關鍵詞：圖像測量、圖像處理、攝像頭、單片機. IV .東南大學畢業(yè)設計（論文）報告AbstractSinglechip camera data acquisition and processingAbstractWith the development of computer technology, along with the development of image acquisition and processing techno

4、logy and the progress of society, image technology is widely used in social networking,telemedicine and real-time monitoring. Image measurement is a sort of non-contact measurement, which can be applied to many fields such as industrial, civil. Image acquisition and processing is the basis of image

5、measurement, which is related to the precision and speed of measurement. Image acquisition and processing technology based on singlechip has a widely application prospect for development.Camera image real-time measurement system based on low power consumption MCU in this paper, through the method of

6、 image measurement, can be directly installed in the conventional electric meter, which adopt the realization of data acquisition camera technology and image recognition technology, processing the reading data directly in the MCU and display the results. It uses serial transmission technology to sto

7、re data to the PC and display, without manual intervention, having the characteristics of low cost, simple installation, high intelligent degree.According to the characteristics of the design, using a digital detection system based on the image processing technique, a control scheme is designed for

8、the static image acquisition and static image processing. Firstly, through analysis and experiment, complete the design and selection of key components of peripheral circuit of each function module. After hardware debugging, completed the hardware design of the minimum system, image acquisition, dat

9、a storage, results display and data transmission module. Secondly, based on the hardware platform, realize each function module of software function. Based on the requirements of the device, MSP430F149 chip and STC12LE5A60S2 MCU and OV7670 image sensor is used as a core component, I designed and com

10、pleted the two sets of image measurement system. The experimental results show that, the device meets the measurement requirements and achieves the expected goal.KEYWORDS: Image measurement，image processing，camera，singlechip.東南大學畢業(yè)設計（論文）報告目錄目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 項目背景、研究現(xiàn)狀與研究意義11.1.1 項目背景11.1.2 研

11、究現(xiàn)狀11.1.3 研究意義21.2 本論文所做的主要工作與所要達到的目標2第2章 總體設計32.1 基于圖像處理的相關方案32.1.1 圖像處理相關理論32.1.2 圖像采集42.1.3 圖像處理42.2 控制方案設計42.2.1 處理器的選型42.2.2 圖像處理解決方案42.2.3 系統(tǒng)可行性分析52.3 系統(tǒng)方案設計52.3.1 裝置的組成及工作原理52.3.2 系統(tǒng)的設計要點6第3章 系統(tǒng)硬件設計73.1 系統(tǒng)元件選型73.1.1 處理器73.1.2 圖像傳感器模塊83.1.3 顯示單元LCD1602113.2 硬件電路設計113.2.1 單片機開發(fā)板外圍電路和硬件113.2.2 圖

12、像傳感器接口133.2.3 LCD顯示接口143.3 硬件結構設計總圖153.4 本章小結16第4章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)174.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹174.1.1 IAR174.1.2 KEIL174.2 圖像采集與存儲174.2.1 初始化時鐘與OV7670184.2.2 圖像采集存儲與串口發(fā)送214.3 上位機圖像顯示軟件244.3.1 串口通信244.3.2 繪圖264.3.3 主要程序架構264.4 單片機圖像處理與顯示274.4.1 單片機圖像處理274.4.2 圖像處理結果顯示284.5 軟件系統(tǒng)總流程284.6 本章小結29第5章 總結與展望305.1 總結305.2 展望31參考文獻

13、32致謝33東南大學畢業(yè)設計（論文）報告Error! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.第1章 緒論1.1 項目背景、研究現(xiàn)狀與研究意義1.1.1 項目背景隨著計算機、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術的高速發(fā)展，數(shù)字圖像處理近年來得到了極大的重視和長足的發(fā)展，并在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育、娛樂、管理和通信方面取得了廣泛的應用。同時，人們對計算機視頻應用的要求也越來越高，從而使得高速、便捷、智能化的高性能數(shù)字圖像處理設備成為未來視頻設備的發(fā)展方向，圖像處理技術在

14、目標跟蹤、機器人導航、輔助駕駛中都得到越來越多的應用。由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關性高，因此圖像處理系統(tǒng)必須具有強大的運算能力。從圖像處理技術的發(fā)展來看，實時性在實際中有著廣泛的應用。實時圖像處理系統(tǒng)設計的難點是如何在有限的時間內(nèi)完成大量圖像數(shù)據(jù)的處理。因為要對圖像進行實時處理，所以為了實現(xiàn)實時和快速，高效的處理，在這個系統(tǒng)中要求我們的圖像處理速度要達到一定的速度 。為了快速的處理大數(shù)據(jù)量的多媒體信息，特別是活動圖像信息，同時又能靈活的支持多種不同的應用，單片機的應用勢在必行。各種高性能單片機1不僅可以滿足在運算性能和實時性能方面的需要，而且由于單片機的可編程性，還可以在硬件獲得系統(tǒng)設

15、計的極大靈活性。近年來，單片機技術的發(fā)展不斷將數(shù)字信號處理領域的理論研究成果應用到實際系統(tǒng)中，并且推動了新的理論和應用領域的發(fā)展，對圖像處理等領域的技術發(fā)展也起到了十分重要的推動作用?；趩纹瑱C2的圖像處理系統(tǒng)也被廣泛的應用于各種領域。1.1.2 研究現(xiàn)狀基于單片機的圖像處理系統(tǒng)越來越受到人們的青睞。隨著微型計算機的發(fā)展和普及，現(xiàn)代圖像處理方式越來越向高速、小型、簡潔的方向發(fā)展，圖像處理逐漸由專用、笨重的圖像處理機過渡到通用、小型方式，但是由于圖像數(shù)據(jù)量大，算法復雜，使用軟件來處理時，軟件往往局限于計算機的配置，使得圖像處理速度比較慢、實時性差、價格高，不能適應惡劣工作環(huán)境。以單片機為核心的硬

16、件系統(tǒng)同樣可以用來進行圖像處理，為這個問題的解決帶來了新的途徑。 單片機的運算速度和運算精度不斷地提高，片內(nèi)的存儲容量不斷地加大，系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)處理能力以及與外部設備的通信功能不斷地增強，完全可以脫離PC機開發(fā)出基于單片機的圖像系統(tǒng)。這種設計方案的優(yōu)點是設計簡單、靈活，成本比較低，便于實際中使用。1.1.3 研究意義在數(shù)字圖像處理技術中，圖像測量3是一種非接觸式的檢測方法，可應用于工業(yè)、民用等許多領域。隨著計算機的發(fā)展，隨著圖像采集處理技術的進步和社會的發(fā)展，圖像測量被廣泛的運用于社會社交，遠程醫(yī)療及實時監(jiān)控等各個方面?；趩纹瑱C攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理4的實時讀表技術就是圖像測量的一個重要的應用

17、。隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，許多現(xiàn)有的電表已經(jīng)不能滿足人們的需求，比如數(shù)據(jù)的實時存儲等功能的欠缺，使得人們需要對現(xiàn)有電表終端進行改造。通常，對現(xiàn)有電表終端的改造都是用新型智能電表替換原有常規(guī)電表，這不僅造成了資源的浪費，也增加了建設成本。本文中基于低功耗單片機的攝像式實時讀表器，可直接安裝在常規(guī)電表上，采用攝像技術和圖像識別技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將讀表數(shù)據(jù)直接存儲于單片機中，并采用串口傳輸技術將數(shù)據(jù)存儲于上位機上，無需人工干預，具有成本低、安裝簡單、智能化程度高的特點。 1.2 本論文所做的主要工作與所要達到的目標根據(jù)單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理的研究現(xiàn)狀和實際應用的要求，設計了一種基于單

18、片機的實時讀表裝置。采用圖像的方法對電表的數(shù)碼管進行檢測并且將結果輸出5，并在此基礎上設計相應的軟硬件。本課題要達到如下目標：（1）通過軟件編程設置OV7670攝像頭內(nèi)部參數(shù)實現(xiàn)圖像的采集6。（2）將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在AL422里。（3）用MSP430單片機將存儲在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來，通過串口通訊和上位機應用程序?qū)D像數(shù)據(jù)顯示在PC上。（4）在MSP430單片機中通過相關圖像算法得出所采集數(shù)碼管圖像的數(shù)據(jù)，從而將結果顯示在LCD1602上。（5）使用C51單片機再次實現(xiàn)（1）到（3）的功能。第2章 總體設計本文將對數(shù)碼管圖像的測量作為研究對象，致力于涉及一種快捷方便

19、、成本低、精度高的圖像測量系統(tǒng)。本章結合了圖像處理的相關理論，分析了基于圖像處理技術的數(shù)碼管圖像測量系統(tǒng)的可行性，根據(jù)系統(tǒng)需求確定控制方案和基本功能模塊，完成系統(tǒng)的整體方案設計。2.1 基于圖像處理的相關方案2.1.1 圖像處理相關理論自然界一般的圖像都是模擬圖像，處理器不能直接處理模擬信號，圖像采集是處理器借助各種圖像傳感器獲取數(shù)字的場景圖像的過程，因此需要圖像傳感器將模擬圖像通過采樣和量化的過程數(shù)字化。(1)彩色模型。常見的面向硬件設備的彩色模型有 RGB 模型、YUV 模型；根據(jù)三基色理論，任何顏色都可以用三基色即紅(R)、綠(G)、藍(B)按照不同的強度匹配。常見的 RGB 格式有 R

20、GB888、RGB555、RGB565。YUV 色彩模型來源于 RGB 模型，其特點是將亮度與色度分開，便于應用到圖像處理中6。RGB 與 YUV 相互轉(zhuǎn)化的公式如下：圖 2-1 RGB與YUV格式的相互轉(zhuǎn)化公式本系統(tǒng)首先采用 RGB565 格式通過攝像頭來采集數(shù)據(jù)，即用 5 位表示紅色、6 位表示綠色、5 位表示藍色，共16位，占2個字節(jié)或32位系統(tǒng)中的半字。隨后通過RGB與YUV相互轉(zhuǎn)化的公式將其轉(zhuǎn)化為YUV422的格式，共8位，占1個字節(jié)，這樣既有利于通過串口傳輸?shù)缴衔粰C，也有利于在單片機中對圖像進行檢測，使得整個過程快捷方便，精度高。(2)像素。模擬的圖像經(jīng)過數(shù)字圖像傳感器采樣后，把空

21、間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)化為離散的采樣點，即像素。若干個像素按照逐行逐列的排列，來表示該位置畫面的色彩及亮度情況。若采樣結果每行像素為M個，每列像素為N個，則組成了一個像素的陣列，整幅圖像的大小為M*N個像素。如本系統(tǒng)中使用的圖像傳感器采集的圖像大小為 320*2407。2.1.2 圖像采集圖像輸入設備主要包括鏡頭、傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、處理器等 4個部分。數(shù)字圖像傳感器分為兩種，一種是電荷耦合器件（CCD）作為光電轉(zhuǎn)換器，另一種是互補型金屬氧化物半導體（CMOS）作為光電轉(zhuǎn)換器。CMOS 技術早期常用于數(shù)據(jù)存儲技術，其制造成本和功耗都低于 CCD。隨著半導體技術的發(fā)展，CMOS 技術逐漸應用于視頻

22、產(chǎn)品中，并且成像通透性、色彩還原性也逐漸媲美 CCD 傳感器。對比兩種圖像傳感器，本系統(tǒng)選擇性價比較高的 CMOS 圖像傳感器，節(jié)省了資源與圖像預處理的復雜性，模塊配有可調(diào)焦鏡頭以滿足數(shù)碼管圖像檢測的要求。2.1.3 圖像處理圖像經(jīng)過采樣和量化后，一幅圖像可以用數(shù)字化表達，通過處理器對數(shù)字信號的進一步處理，提取出所需要的信息。在本系統(tǒng)中，圖像處理主要包括平滑濾波，閾值分割，局部提取等。2.2 控制方案設計在控制方案設計中，處理器的選擇和圖像處理解決方案的確定是工作重點，正確的配置核心處理器和控制方案對圖像采集、圖像處理的性能起著重要作用。2.2.1 處理器的選型各種處理器在計算機技術的基礎上有

23、著自身的優(yōu)勢，其軟件硬件便于剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等參數(shù)有嚴格要求的系統(tǒng)。比如以X86為代表的嵌入式處理器，以51系列單片機為代表的微控制器，以Texas Instrument公司的TMS320為代表的DSP處理器，以及ARM處理器。其中，單片機是將一個小型的計算機系統(tǒng)集成到一個芯片中，以處理器為核心，內(nèi)部集成了 ROM、RAM、總線、定時器、通信接口等功能，大大降低了功耗和成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。由于本系統(tǒng)只需要簡單地圖像采集與處理，單片機可以滿足低速的運行，非常適合本系統(tǒng)。2.2.2 圖像處理解決方案（1）DSP 方案。DSP 適合數(shù)字信號處理的一些復雜算法實現(xiàn)，其

24、采用哈佛體系結構，指令和數(shù)據(jù)分開，有很強的數(shù)據(jù)處理能力，但其控制能力薄弱，一般DSP專門用于信號處理，還需要配合另外控制器做控制，如配合FPGA聯(lián)合工作，彌補了DSP在并行數(shù)據(jù)處理和總線控制方面的劣勢，DSP 負責完成信號處理、算法實現(xiàn)、數(shù)學運算等功能，能實現(xiàn)實時采集與處理圖像；但此高性能也意味著高成本，并且 DSP 與 FPGA 編程和算法實現(xiàn)比較復雜，難以實現(xiàn)。（2）單片機方案。單片機系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)處理能力有限和功能相對簡單，主要適用于測控系統(tǒng)，能低成本地完成工控要求，并不適用于數(shù)據(jù)量較大的圖像處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)在控制部分將采用單片機系統(tǒng)完成圖像檢測系統(tǒng)控制。2.2.3 系統(tǒng)可行性分析隨著計算

25、機技術和半導體存儲技術的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術在各個應用領域獲得了廣闊的發(fā)展空間。與人眼視覺相比，基于數(shù)字圖像處理技術和機器視覺技術的圖像采集處理系統(tǒng)能有效克服人眼的主觀性、局限性和模糊性。因此，將數(shù)字圖像處理技術用于數(shù)碼管的檢測具有一定的可行性。數(shù)字圖像處理包括圖像采集與圖像處理兩大部分：圖像采集包括圖像傳感器對圖像的數(shù)字化、彩色模型的選取等；圖像處理包括平滑濾波，閾值分割，局部提取等。系統(tǒng)通過 CMOS 圖像傳感器采集圖像，將數(shù)據(jù)存儲到FIFO中，然后通過圖像處理的方式將圖像閾值分割，從而得到圖像的各部分亮度信息，經(jīng)過一定的圖像處理算法進行局部提取就能得出數(shù)碼管局部信息，通過檢測算法就

26、能得出數(shù)碼管局部亮度值。因此，基于圖像處理技術的數(shù)碼管檢測系統(tǒng)具有較強的實用性和可行性8。2.3 系統(tǒng)方案設計針對數(shù)碼管檢測系統(tǒng)的控制需求，電表數(shù)碼管的數(shù)值變化速度不快，所以對檢測系統(tǒng)的實時性要求不高，為追求最高性價比，本系統(tǒng)采用單片機控制方案：由單片機負責圖像傳感器的總線控制，將采集到的數(shù)字信號存儲到FIFO中，由單片機負責圖像處理和顯示模塊。由于單片機處理器數(shù)據(jù)處理能力有限，同時負擔圖像采集、存儲和圖像處理，實時性難以保障，圖像會存在延時的現(xiàn)象。針對數(shù)碼管檢測對實時性要求不高的特點，系統(tǒng)采用靜態(tài)圖像采集、靜態(tài)圖像處理的控制方案，在確定外界因素后，停止采集圖像信號，完成類似數(shù)碼照相機的“拍照

27、”功能，將此圖像的數(shù)據(jù)存于FIFO中，由處理器對其進行一系列圖像處理與亮度計算，最終得出亮度值并且能顯示和傳輸，從而達到數(shù)碼管檢測的需求9。2.3.1 裝置的組成及工作原理圖像處理系統(tǒng)按功能劃分為單片機、控制器、圖像采集、數(shù)據(jù)緩存、實時顯示和上位機通信六個部分。圖 2-2 系統(tǒng)裝置的組成本系統(tǒng)基于單片機通過軟件編程設置OV7670攝像頭內(nèi)部參數(shù)采集圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在AL422B芯片中；隨后單片機一方面將存儲在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來，經(jīng)過算法處理和串口通信將數(shù)據(jù)顯示在PC上，一方面在單片機內(nèi)進行圖像算法處理，得出數(shù)碼管顯示的數(shù)字結果并且顯示在LCD1602上。2

28、.3.2 系統(tǒng)的設計要點課題的關鍵問題和難點在于：（1）圖像讀取和存貯（2）圖像顯示（3）圖像處理實驗第3章 系統(tǒng)硬件設計本章主要介紹系統(tǒng)的硬件電路設計，針對系統(tǒng)的設計方案確定了元件的選型和各個功能模塊的電路，并且針對本系統(tǒng)的特點及性能要求對硬件結構進行優(yōu)化，完成了系統(tǒng)各主要電路的連線設計及調(diào)試。3.1 系統(tǒng)元件選型根據(jù)第二章方案設計中確定的系統(tǒng)結構，結合控制方案，經(jīng)過實驗測試和數(shù)據(jù)分析，確定處理器、圖像傳感器、數(shù)據(jù)緩存等核心原件的型號，分析其性能參數(shù)。3.1.1 處理器3.1.1.1 MSP430F149單片機MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，有60KB+256字

29、節(jié)FLASH，2KBRAM，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶3個捕獲比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位AD轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口等模塊10。MSP430F149芯片具有如下特點：（1)功耗低：電壓22V、時鐘頻率1MHz時，活動模式為200A；關閉模式時僅為01A，且具有5種節(jié)能工作方式。（2)高效16位RISC-CPU，27條指令，8MHz時鐘頻率時，指令周期時間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個時鐘周期完成；32kHz時鐘頻率時，16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典

30、型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度。（3)低電壓供電、寬工作電壓范圍：1836V；（4)靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘；（5)低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信11；（6)具有串行在線編程能力；（7)強大的中斷功能；（8)喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6s；（9)ESD保護，抗干擾力強；（10)運行環(huán)境溫度范圍為-40+85，適合于工業(yè)環(huán)境12。MSP430系列單片機的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實現(xiàn)的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時通過專用的編程器13，可以選擇匯編或C語言編程，IAR公司為MSP430系列的單片機開發(fā)了專用的C430語言，可以通過WORKBEN

31、CH和C-SPY直接編譯調(diào)試，使用靈活簡單 14。3.1.1.2 STC12LE5A60S2單片機STC12C5A60S2系列單片機是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期1T的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即25萬次/秒)，針對電機控制，強干擾場合。15（1）增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。（2）工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V - 3.5V (5V單片機）。STC12LE

32、5A60S2系列工作電壓：3.6V - 2.2V (3V單片機）。（3）工作頻率范圍：035MHz，相當于普通8051的0420MHz。（4）用戶應用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié)。（5）片上集成1280字節(jié)RAM16。（6）通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA。（7）ISP (在系統(tǒng)可編程）/ IAP (在應用可編程）

33、，無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。（8）看門狗。（9）內(nèi)部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）。3.1.2 圖像傳感器模塊3.1.2.1 OV7670圖像傳感器是實現(xiàn)機器視覺的核心元件，在第二章通過分析基于嵌入式圖像采集系統(tǒng)的功能需求和性價比，對比 CMOS 和 CCD 圖像傳感器，經(jīng)過分析測試，系統(tǒng)最終選用OmmiVision 公司的 OV7670 CMOS 圖像傳感器，該傳感器體積小、功耗低，可控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。其具備以下特點：（1）具有標準的 SCCB 接口，兼容

34、 I2C 接口，可通過總線設置傳感器模塊的功能，適合嵌入式系統(tǒng)應用；（2）可設置多種圖像輸出格式，如RawRGB、RGB565、RGB555，YUV 等格式；（3）支持 VGA、CIF 等多種尺寸圖像的輸出；（4）具有自動曝光、自動白平衡、自動黑電平校準等圖像自動影響控制功能和飽和度、色相、伽馬、銳度等圖像質(zhì)量控制功能；（5）具有消除噪聲、壞點補償、鏡頭失光補償、圖像縮放和邊緣增強等自動調(diào)節(jié)功能；（6）最大視場角為25°，光學尺寸1/6"，最大幀率30fpsVGA，封裝尺寸2785um*4325um。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線寬度為16位，即采用兩個字節(jié)表示一個像素點，為方便圖像數(shù)據(jù)存

35、儲和處理，系統(tǒng)可采用比較常用的 RGB565 圖像格式輸出，并且 OV7670具有自動影響控制和圖像質(zhì)量控制功能，能簡化處理器對圖像的預處理過程，有效提高系統(tǒng)整體性能。因而，從功能特點及其性能參數(shù)分析，OV7670 圖像傳感器符合系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)選用市場上較為常用的已封裝的 OV7670 模塊，省去了此小封裝元件的PCB 設計與焊接的過程，傳感器被焊接在小塊 PCB 板上，所有端口被引出為標準間距的接口便于與系統(tǒng)其它外設相連，傳感器圖像感光影響區(qū)域上方配有可調(diào)焦鏡頭，系統(tǒng)采用這款 OV7670 圖像傳感器模塊簡化了傳感器硬件電路設計，便于總線控制與數(shù)據(jù)傳輸，并且可以通過微調(diào)焦距調(diào)整視場角和圖像

36、清晰度。3.1.2.2 FIFO芯片AL422AL422B是AVERLOGIC公司推出的一個存儲容量為393216字節(jié)×8位的FIFO存儲芯片。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成。其結構圖如下：圖 3-1 AL422B芯片結構圖AL422B主要特點是：（1）AL422B的存儲體為3Mb（393216字節(jié)×8位）；（2）可以存儲VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV等制式一幀圖形的信息；（3）獨立的讀寫操作，可以接受不同的I/O速率；（4）高速異步串行存取；（5）讀寫周期為20ns；（6） 存取時間為15ns；（7） 內(nèi)部DRAM自刷新。為了能完整

37、地讀取圖像，圖像采集原理示意圖如圖所示。由單片機監(jiān)測攝像頭的行場信號，控制FIFO讀取相應的圖像；讀完所有行后，關閉FIFO讀取圖像功能，開始由單片機從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，并進行相應的圖像處理，根據(jù)圖像處理的復雜程度，決定圖像處理和圖像采集的時間比。由于FIFO是先入先出，其讀取數(shù)據(jù)時單片機只需通過中斷使能行場信號，絕大部分時間單片機可以用來進行圖像處理。圖 3-2 AL422B采集原理示意圖3.1.2.3 OV7670帶FIFO模塊OV7670帶FIFO模塊，是帶有緩沖存儲空間的一種模塊，這種模塊增加了一個FIFO（先進先出）存儲芯片，同樣包含30W像素的CMOS圖像感光芯片，3.6mm

38、焦距的鏡頭和鏡頭座，板子同時引出控制管腳和數(shù)據(jù)管腳，方便操作和使用。圖 3-3 OV7670帶FIFO模塊實物圖3.1.3 顯示單元LCD16021602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。它功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中。它的特性如下：（1）3.3V或5

39、V工作電壓，對比度可調(diào)；（2）內(nèi)含復位電路；（3）提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；（4）有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；（5）內(nèi)建有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM，8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。3.2 硬件電路設計基于系統(tǒng)方案設計及對每個元件參數(shù)與性能分析，已初步驗證由上述核心元件組成的系統(tǒng)硬件的可行性。利用核心板及萬能板測試并完成各個功能模塊電路的設計實驗，最終完成系統(tǒng)整體的硬件電路設計。3.2.1 單片機開發(fā)板外圍電路和硬件3.2.1.1 MSP430開發(fā)板外圍電路和硬件圖 3-4 MSP430F149開發(fā)板外圍電

40、路和硬件（1）.供電方式：USB接口；（2）.3.3v，5v電平接口；（3）.一個JTAG仿真調(diào)試下載端口；（4）.一個蜂鳴器；（5）.一個標準的MAX3232接口；（6）.兩個具有中斷功能的8位并行端口：P1與P21；（7）.6個8位端口，P1，P2，P3，P4，P5，P6;圖 3-5 MSP430開發(fā)板外圍電路和硬件實物圖3.2.1.2 C51開發(fā)板外圍電路和硬件和MSP430F149開發(fā)板類似，只是缺少了JTAG仿真調(diào)試下載端口，所以不能進行仿真調(diào)試，給后期的軟件調(diào)試工作制造了很大的麻煩，因此工作量大大提升。因為本設計是針對兩類不同的單片機實現(xiàn)相同的目的，所以以后凡是遇到兩類單片機的問題

41、需要解釋，本設計以MSP430為例進行分析，特此聲明，不再贅述。圖 3-6 C51單片機開發(fā)板實物圖3.2.2 圖像傳感器接口攝像頭的主要信號及主要端口有：3V3-輸入電源電壓GDN-接地點 SIO_C-SCCB接口控制時鐘SIO_D-SCCB數(shù)據(jù)輸入 VSYNC-幀同步信號 HREF-行同步信號PCLK-像素時鐘 XCLCK-時鐘信號 D0-D7-數(shù)據(jù)端口RESTE-復位端口 FIFO_RCK-FIFO內(nèi)存讀取時鐘控制端FIFO_WR_CTR-FIFO寫控制端 FIFO_OE-FIFO關斷控制FIFO_WRST-FIFO寫指針服務端 FIFO_RRST-FIFO讀指針復位端圖 3-7 攝像頭

42、模塊主要信號接口示意圖我只需要按照相關時序圖用單片機控制相關的幾個控制引腳即可，可以很方便的使用在低速單片機上，并且可以實現(xiàn)直接從IO口讀取數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)可以直接傳到上位機上或送屏顯示，也可以單片機簡單處理。圖 3-8 單片機控制攝像頭模塊接線圖3.2.3 LCD顯示接口LCD1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地。第2腳：VCC接5V電源正極。第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄

43、存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端，高電平（1）時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。圖 3-9 LCD1602與單片機接線圖3.3 硬件結構設計總圖本系統(tǒng)基于單片機通過軟件編程設置OV7670攝像頭內(nèi)部參數(shù)采集圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在AL422里；隨后單片機一方面將存儲在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來，經(jīng)過算法處理和串口通信將數(shù)據(jù)顯示在PC上，一方面在單片機內(nèi)進行圖像算法處理，得出數(shù)碼管

44、顯示的數(shù)字結果并且顯示在LCD1602上。圖 3-10 硬件結構設計總圖3.4 本章小結本章主要介紹了單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理的硬件結構設計，完成了主要元件的選型與性能分析，著重介紹了最小系統(tǒng)、圖像采集與存儲、顯示等功能模塊的硬件電路及其接口設計；介紹了系統(tǒng)硬件的整個設計流程，并完成實物接線連接；經(jīng)過初步硬件調(diào)試，每個功能模塊供電正常；通過處理器高低電平變化測試，確保樣機無虛接，錯接等潛在硬件問題，為后續(xù)的軟件設計提供穩(wěn)定的硬件平臺。第4章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)4.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹4.1.1 IARIAR Systems是全球領先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務的供應商。公司成立于1983年，迄今已有

45、27年，提供的產(chǎn)品和服務涉及到嵌入式系統(tǒng)的設計、開發(fā)和測試的每一個階段，包括：帶有C/C+編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。國內(nèi)普及的MSP430開發(fā)軟件種內(nèi)不多，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430（簡稱為EW430）和AQ430。目前IAR的用戶居多。IAR EW430軟件提供了工程管理，程序編輯，代碼下載，調(diào)試等所有功能。IAR C-SPY 調(diào)試器是為嵌入式應用程序開發(fā)的高級語言調(diào)試器。在設計上，它與IAR編譯器和匯編器一起工作，并且與嵌入式IAR E

46、mbedded Workbench IDE 完全集成，可在開發(fā)與調(diào)試間自由切換。因此，在實現(xiàn)單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的過程中，應用MSP430單片機實現(xiàn)該系統(tǒng)要比應用C51單片機容易的多，因為MSP430單片機可以進行單步調(diào)試和編譯，而C51單片機不能這樣，因此工作量大大增加17。4.1.2 KEILKeil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開

47、發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 4.2 圖像采集與存儲系統(tǒng)的圖像采集主要完成對所采要集的圖像的定位及取景功能，需要處理器完成初始化、圖像采集模塊和存儲模塊的功能。4.2.1 初始化時鐘與OV76704.2.1.1 SCCB總線控制SCCB總線是具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。SCCB總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SIO_C，另一根是時鐘線SIO_D。每個接到SCCB總線上的器件都有唯一的

48、地址。主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時主機即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。SCCB總線進行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。圖 4-1 SCCB總線與單片機連線圖SIO_C線為高電平期間，SIO_D線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SIO_C線為高電平期間，SIO_D線由低電平向高電平的變化表示終止信號。 圖 4-2 SCCB信號的起始和終止信號圖 4-3 SCCB信號的應答信號和非應答信號分配好SIO_C與SIO_D的引腳，并且基于以上起始信號

49、，終止信號，應答信號，非應答信號，繼續(xù)編寫寫一字節(jié)函數(shù)和讀一字節(jié)函數(shù)。他們的主要構成都是FOR循環(huán)，并且重復8次，通過拉高或拉低SIO_C和SIO_D信號來控制，這樣便可以讀寫一個字節(jié)。圖 4-4 SCCB時序圖4.2.1.2 攝像頭SCCB初始化調(diào)用已經(jīng)編寫的起始信號函數(shù)，終止信號函數(shù)，應答信號函數(shù)，非應答信號函數(shù)，并且通過識別設備ID，寄存器地址，寄存器數(shù)據(jù)地址，就可以實現(xiàn)讀寫寄存器的函數(shù)了。比如本系統(tǒng)采用的是RGB565格式，這樣就需要對BLUE，RED寄存器賦值；如要對亮度進行控制，就可以調(diào)用寫寄存器函數(shù)，對0X55寄存器進行賦值；如要調(diào)整對比度，則可以通過調(diào)用寫寄存器函數(shù)，對0X56

50、，0X57等寄存器進行賦值。對各寄存器的功能和控制方式有了一定的了解之后，就可以進行攝像頭SCCB初始化函數(shù)的編寫了。首先，我們要復位SCCB總線，通過對0X12寄存器賦值0X80即可實現(xiàn)。然后，要讀取設備的ID，這需要讀取0X0B寄存器，來確定是否是正確設備。最后，利用一個FOR循環(huán)來實現(xiàn)對167個寄存器的賦值，這也需要調(diào)用寫寄存器的函數(shù)。在完成了全部寄存器寫值之后，就實現(xiàn)了對攝像頭SCCB的初始化。4.2.1.3 攝像頭控制芯片即FIFO緩沖驅(qū)動首先應該分配好OV_WE、OV_WRST、OV_RCK、OV_OE、OV_RRST、OV_VSYNC等各個信號的引腳，然后準備編寫攝像頭初始化函數(shù)

51、，攝像頭寫復位函數(shù)，攝像頭讀復位函數(shù)，攝像頭中斷初始化函數(shù)，攝像頭啟動捕獲函數(shù)等。對于攝像頭初始化函數(shù)，首先要對各信號進行初始化，然后拉高IO口，最后通過時序圖對SIO_C和SIO_D的引腳的輸入輸出以及拉高拉低來操作，就可以實現(xiàn)對攝像頭芯片AL422的初始化工作18。圖 4-5 攝像頭芯片寫復位時序圖攝像頭寫復位函數(shù)，通過觀察時序圖可以得知，首先要拉低WE信號，禁止寫，然后拉低WRST信號，延時2us后，拉高WRST即可實現(xiàn)攝像頭寫復位。攝像頭讀復位函數(shù)，通過觀察時序圖可以得知，首先拉低OE信號，使能輸出，然后拉低RRST信號，然后重復拉低再拉高RCK信號三次，最后拉高RRST信號，再拉低R

52、CK信號，攝像頭讀復位即可完成。圖 4-6 攝像頭芯片讀復位時序圖攝像頭中斷初始化函數(shù)，這里主要是單片機的一些操作，首先調(diào)用內(nèi)部函數(shù)關閉中斷，通過讀VSYNC信號設置中斷為下降沿中斷，隨后設置GDO2輸入模式，最后清除中斷標志位并且關外部中斷即可實現(xiàn)攝像頭中斷初始化。攝像頭啟動捕獲函數(shù)，其實質(zhì)就是開啟中斷，所以只需要清除中斷標志位，并且開外部中斷，然后在調(diào)用內(nèi)部函數(shù)打開總中斷即可實現(xiàn)，主要包括輸出使能，寫使能，讀使能，具體的時序圖如圖所示。圖 4-7 攝像頭芯片讀使能時序圖根據(jù)這些時序圖，我們可以利用中斷，通過拉低或拉高這些信號，進行捕獲和存儲圖像信息，至此，我們已經(jīng)完成把圖像存儲在FIFO中

53、。4.2.1.4 串口初始化和串口發(fā)送讀取數(shù)據(jù)串口初始化函數(shù)，首先要定義引腳P34-TXD0，P35-RXD0，這兩個引腳是特定的，所以必須使用這兩個引腳。然后，要同步幾個時鐘，包括MCLK，SMCLK和XT2，隨后令ME1 |= UTXE0 + URXE0，使串口能夠發(fā)送和接收。令UCTL0 |= CHAR，選擇8位數(shù)據(jù)模式，因為我選擇的YUV格式圖片是8位的，并且還要與上位機程序相匹配。最后通過賦值寄存器，選擇8MHZ的晶振，和115200的波特率，并且禁止發(fā)送中斷和接收中斷，這樣，全部串口初始化就完成了。串口發(fā)送函數(shù)，是指發(fā)送一字節(jié)到串口的函數(shù)，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)賦值給TXBUF0，這樣就可

54、以實現(xiàn)發(fā)送功能。串口讀取函數(shù)，是指從串口接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，只需要返回RXBUF0的值即可。 4.2.2 圖像采集存儲與串口發(fā)送完成了以上準備工作，我們就可以調(diào)用前面介紹的函數(shù)來進行圖像采集存儲和串口發(fā)送了。圖 4-8 攝像頭芯片輸出使能時序圖首先要完成系統(tǒng)初始化，選用MCLK與SMCLK的時鐘源為XT2，實現(xiàn)各時鐘信號的同步，并且等待XT2晶振的起振，調(diào)用串口初始化函數(shù)，完成串口初始化。接著，要調(diào)用攝像頭中斷初始化函數(shù)、攝像頭初始化函數(shù)、攝像頭寫復位函數(shù)、攝像頭圖像捕獲函數(shù)以及讀復位函數(shù)，初始化攝像頭并且打開外部中斷，準備捕獲圖像。這其中的外部中斷是OV7670的VSYNC外部中斷，下降沿中斷，

55、寫法也比較常規(guī)，這里就不加贅述。至此，我們已經(jīng)完成了圖像的采集與存儲的全部工作19。圖 4-9 攝像頭芯片RE，RRST信號時序圖接下來要進行的就是將圖像發(fā)送到串口的工作，由于攝像頭寄存器參數(shù)選擇了320*240的分辨率，所以這里采用內(nèi)外兩層循環(huán)分別代表行與列，循環(huán)次數(shù)分別是240次和320次，循環(huán)中通過拉低和拉高RCK信號來獲取圖像每一個像素點的設定參數(shù)K的值，因為設置攝像頭寄存器參數(shù)時選擇了RGB565的格式，所以要通過K的值根據(jù)公式計算出R、G、B的值。最后通過RGB格式與YUV格式之間的轉(zhuǎn)換公式，得出Y的值，并且通過調(diào)用發(fā)送一字節(jié)到串口的函數(shù)，逐次將圖像的每一個像素點發(fā)送到串口。最后，

56、拉高OE信號，關閉輸出。這樣，一幅完整的圖像從捕獲、存儲以及發(fā)送到串口已經(jīng)全部完成，圖像在上位機的顯示要通過上位機軟件的編寫來實現(xiàn)。圖 4-10 攝像頭芯片WE，WRST信號時序圖圖 4-11 圖像采集存儲流程圖4.3 上位機圖像顯示軟件為了將已經(jīng)傳送到串口的圖像數(shù)據(jù)在上位機上顯示出來，我特地使用了最常用的VC+6.0編寫了一個上位機圖像顯示軟件，本節(jié)主要從串口通信、繪圖、主要程序架構等三個方面簡單介紹這個軟件的編寫過程以及能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。4.3.1 串口通信本程序主要通過MSComm控件進行串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為本應用程序提供串行通訊功能，這里簡單介紹一下MSComm控件的基本功能、基本

57、屬性和使用方法。4.3.1.1 MSComm控件簡介Microsoft Communications Control（以下簡稱MSComm）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應用程序提供串行通訊功能。MSComm控件在串口編程時非常方便，程序員不必去花時間去了解較為復雜的API函數(shù)，而且在VC、VB、Delphi等語言中均可使用。4.3.1.2 MSComm控件編程基本方法本程序使用MSComm控件進行串口編程的基本步驟：（1）在建立的程序工程中插入MSComm控件；（2）添加MSCom