東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文,單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理

1、題 目單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理_自動(dòng)化學(xué)院_院（系） 自動(dòng)化_專(zhuān)業(yè)學(xué)號(hào)08009123姓名孫博指導(dǎo)教師符影杰顧問(wèn)教師起止日期2012.12.20 2013.06.10設(shè)計(jì)地點(diǎn)中心樓224東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告摘要單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理摘要隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，隨著圖像采集處理技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，其被廣泛的運(yùn)用于社會(huì)社交，遠(yuǎn)程醫(yī)療及實(shí)時(shí)監(jiān)控等各個(gè)方面。圖像測(cè)量是一種非接觸式的檢測(cè)方法，可應(yīng)用于工業(yè)、民用等許多領(lǐng)域。圖像采集與處理是圖像測(cè)量的基礎(chǔ)，關(guān)系到測(cè)量的精度與速度?；趩纹瑱C(jī)攝像頭圖像采集與處理技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展前景。本文中基于低功耗單片機(jī)的攝像式實(shí)時(shí)圖像測(cè)量系統(tǒng)

2、，通過(guò)圖像測(cè)量的方法，可直接安裝在常規(guī)電表前，采用攝像技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將讀表數(shù)據(jù)直接在單片機(jī)中處理并顯示出結(jié)果，采用串口傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于上位機(jī)上并顯示，無(wú)需人工干預(yù)，具有成本低、安裝簡(jiǎn)單、智能化程度高的特點(diǎn)。 針對(duì)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用一種基于圖像處理技術(shù)的數(shù)碼管檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(guò)分析與實(shí)驗(yàn)，完成各功能模塊核心元件的選型與外圍電路設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)硬件調(diào)試，完成了最小系統(tǒng)、圖像采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K的硬件設(shè)計(jì)。其次，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的軟件功能?；诒狙b置的控制要求，分別選用了MSP430F149單片

3、機(jī)和STC12LE5A60S2單片機(jī)和OV7670圖像傳感器作為核心部件，設(shè)計(jì)并完成了兩套圖像測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置滿足測(cè)量要求，達(dá)到了研究的預(yù)期目的。關(guān)鍵詞：圖像測(cè)量、圖像處理、攝像頭、單片機(jī). IV .東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告目錄目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 項(xiàng)目背景、研究現(xiàn)狀與研究意義11.1.1 項(xiàng)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(dá)到的目標(biāo)2第2章 總體設(shè)計(jì)32.1 基于圖像處理的相關(guān)方案32.1.1 圖像處理相關(guān)理論32.1.2 圖像采集42.1.3 圖像處理42.2 控制方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)52.3.1 裝置的組成及工作原理52.3.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)6第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)113.2.1 單片機(jī)開(kāi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖153.4 本章小結(jié)16第4章 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)174.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹174.1.1 IAR174.1.2 KEIL174.2 圖像采集與存儲(chǔ)174.2.1 初始化時(shí)鐘與OV7670184.2.2 圖像采集存儲(chǔ)與串口發(fā)送214.3 上位機(jī)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(gòu)264.4 單片機(jī)圖像處理與顯示274.4.1 單片機(jī)圖像處理274.4.2 圖像處理結(jié)果顯示284.5 軟件系統(tǒng)總流程284.6 本章小結(jié)29第5章 總結(jié)與展望305.1 總結(jié)305.2 展望31參考文獻(xiàn)

13、32致謝33東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(xiàng)目背景、研究現(xiàn)狀與研究意義1.1.1 項(xiàng)目背景隨著計(jì)算機(jī)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像處理近年來(lái)得到了極大的重視和長(zhǎng)足的發(fā)展，并在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育、娛樂(lè)、管理和通信方面取得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，人們對(duì)計(jì)算機(jī)視頻應(yīng)用的要求也越來(lái)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(shè)備成為未來(lái)視頻設(shè)備的發(fā)展方向，圖像處理技術(shù)在

14、目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)航、輔助駕駛中都得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，因此圖像處理系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。從圖像處理技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，實(shí)時(shí)性在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內(nèi)完成大量圖像數(shù)據(jù)的處理。因?yàn)橐獙?duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，所以為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和快速，高效的處理，在這個(gè)系統(tǒng)中要求我們的圖像處理速度要達(dá)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(dòng)圖像信息，同時(shí)又能靈活的支持多種不同的應(yīng)用，單片機(jī)的應(yīng)用勢(shì)在必行。各種高性能單片機(jī)1不僅可以滿足在運(yùn)算性能和實(shí)時(shí)性能方面的需要，而且由于單片機(jī)的可編程性，還可以在硬件獲得系統(tǒng)設(shè)

15、計(jì)的極大靈活性。近年來(lái)，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷將數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的理論研究成果應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，并且推動(dòng)了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)圖像處理等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也起到了十分重要的推動(dòng)作用?；趩纹瑱C(jī)2的圖像處理系統(tǒng)也被廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。1.1.2 研究現(xiàn)狀基于單片機(jī)的圖像處理系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的青睞。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，現(xiàn)代圖像處理方式越來(lái)越向高速、小型、簡(jiǎn)潔的方向發(fā)展，圖像處理逐漸由專(zhuān)用、笨重的圖像處理機(jī)過(guò)渡到通用、小型方式，但是由于圖像數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，使用軟件來(lái)處理時(shí)，軟件往往局限于計(jì)算機(jī)的配置，使得圖像處理速度比較慢、實(shí)時(shí)性差、價(jià)格高，不能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。以單片機(jī)為核心的硬

16、件系統(tǒng)同樣可以用來(lái)進(jìn)行圖像處理，為這個(gè)問(wèn)題的解決帶來(lái)了新的途徑。 單片機(jī)的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度不斷地提高，片內(nèi)的存儲(chǔ)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(shè)備的通信功能不斷地增強(qiáng)，完全可以脫離PC機(jī)開(kāi)發(fā)出基于單片機(jī)的圖像系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活，成本比較低，便于實(shí)際中使用。1.1.3 研究意義在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，圖像測(cè)量3是一種非接觸式的檢測(cè)方法，可應(yīng)用于工業(yè)、民用等許多領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，隨著圖像采集處理技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，圖像測(cè)量被廣泛的運(yùn)用于社會(huì)社交，遠(yuǎn)程醫(yī)療及實(shí)時(shí)監(jiān)控等各個(gè)方面。基于單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理4的實(shí)時(shí)讀表技術(shù)就是圖像測(cè)量的一個(gè)重要的應(yīng)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(shí)時(shí)存儲(chǔ)等功能的欠缺，使得人們需要對(duì)現(xiàn)有電表終端進(jìn)行改造。通常，對(duì)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(fèi)，也增加了建設(shè)成本。本文中基于低功耗單片機(jī)的攝像式實(shí)時(shí)讀表器，可直接安裝在常規(guī)電表上，采用攝像技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將讀表數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于單片機(jī)中，并采用串口傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于上位機(jī)上，無(wú)需人工干預(yù)，具有成本低、安裝簡(jiǎn)單、智能化程度高的特點(diǎn)。 1.2 本論文所做的主要工作與所要達(dá)到的目標(biāo)根據(jù)單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理的研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)了一種基于單

18、片機(jī)的實(shí)時(shí)讀表裝置。采用圖像的方法對(duì)電表的數(shù)碼管進(jìn)行檢測(cè)并且將結(jié)果輸出5，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟硬件。本課題要達(dá)到如下目標(biāo)：（1）通過(guò)軟件編程設(shè)置OV7670攝像頭內(nèi)部參數(shù)實(shí)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(hào)存儲(chǔ)在AL422里。（3）用MSP430單片機(jī)將存儲(chǔ)在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來(lái)，通過(guò)串口通訊和上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)D像數(shù)據(jù)顯示在PC上。（4）在MSP430單片機(jī)中通過(guò)相關(guān)圖像算法得出所采集數(shù)碼管圖像的數(shù)據(jù)，從而將結(jié)果顯示在LCD1602上。（5）使用C51單片機(jī)再次實(shí)現(xiàn)（1）到（3）的功能。第2章 總體設(shè)計(jì)本文將對(duì)數(shù)碼管圖像的測(cè)量作為研究對(duì)象，致力于涉及一種快捷方便

19、、成本低、精度高的圖像測(cè)量系統(tǒng)。本章結(jié)合了圖像處理的相關(guān)理論，分析了基于圖像處理技術(shù)的數(shù)碼管圖像測(cè)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(shè)計(jì)。2.1 基于圖像處理的相關(guān)方案2.1.1 圖像處理相關(guān)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(hào)，圖像采集是處理器借助各種圖像傳感器獲取數(shù)字的場(chǎng)景圖像的過(guò)程，因此需要圖像傳感器將模擬圖像通過(guò)采樣和量化的過(guò)程數(shù)字化。(1)彩色模型。常見(jiàn)的面向硬件設(shè)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(lán)(B)按照不同的強(qiáng)度匹配。常見(jiàn)的 RGB 格式有 R

20、GB888、RGB555、RGB565。YUV 色彩模型來(lái)源于 RGB 模型，其特點(diǎn)是將亮度與色度分開(kāi)，便于應(yīng)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(guò)攝像頭來(lái)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(lán)色，共16位，占2個(gè)字節(jié)或32位系統(tǒng)中的半字。隨后通過(guò)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(gè)字節(jié)，這樣既有利于通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，也有利于在單片機(jī)中對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)，使得整個(gè)過(guò)程快捷方便，精度高。(2)像素。模擬的圖像經(jīng)過(guò)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(diǎn)，即像素。若干個(gè)像素按照逐行逐列的排列，來(lái)表示該位置畫(huà)面的色彩及亮度情況。若采樣結(jié)果每行像素為M個(gè)，每列像素為N個(gè)，則組成了一個(gè)像素的陣列，整幅圖像的大小為M*N個(gè)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(shè)備主要包括鏡頭、傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、處理器等 4個(gè)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(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）作為光電轉(zhuǎn)換器。CMOS 技術(shù)早期常用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，其制造成本和功耗都低于 CCD。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，CMOS 技術(shù)逐漸應(yīng)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(duì)比兩種圖像傳感器，本系統(tǒng)選擇性?xún)r(jià)比較高的 CMOS 圖像傳感器，節(jié)省了資源與圖像預(yù)處理的復(fù)雜性，模塊配有可調(diào)焦鏡頭以滿足數(shù)碼管圖像檢測(cè)的要求。2.1.3 圖像處理圖像經(jīng)過(guò)采樣和量化后，一幅圖像可以用數(shù)字化表達(dá)，通過(guò)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)的進(jìn)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(shè)計(jì)在控制方案設(shè)計(jì)中，處理器的選擇和圖像處理解決方案的確定是工作重點(diǎn)，正確的配置核心處理器和控制方案對(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上有

23、著自身的優(yōu)勢(shì)，其軟件硬件便于剪裁，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等參數(shù)有嚴(yán)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(jī)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(jī)是將一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片中，以處理器為核心，內(nèi)部集成了 ROM、RAM、總線、定時(shí)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(jiǎn)單地圖像采集與處理，單片機(jī)可以滿足低速的運(yùn)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(hào)處理的一些復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)，其

24、采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)分開(kāi)，有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但其控制能力薄弱，一般DSP專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)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(bǔ)了DSP在并行數(shù)據(jù)處理和總線控制方面的劣勢(shì)，DSP 負(fù)責(zé)完成信號(hào)處理、算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。（2）單片機(jī)方案。單片機(jī)系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)處理能力有限和功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要適用于測(cè)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(jī)系統(tǒng)完成圖像檢測(cè)系統(tǒng)控制。2.2.3 系統(tǒng)可行性分析隨著計(jì)算

25、機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了廣闊的發(fā)展空間。與人眼視覺(jué)相比，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)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(shù)用于數(shù)碼管的檢測(cè)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(duì)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(guò) CMOS 圖像傳感器采集圖像，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO中，然后通過(guò)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(guò)一定的圖像處理算法進(jìn)行局部提取就能得出數(shù)碼管局部信息，通過(guò)檢測(cè)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(shù)的數(shù)碼管檢測(cè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性8。2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)針對(duì)數(shù)碼管檢測(cè)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(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，為追求最高性?xún)r(jià)比，本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制方案：由單片機(jī)負(fù)責(zé)圖像傳感器的總線控制，將采集到的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到FIFO中，由單片機(jī)負(fù)責(zé)圖像處理和顯示模塊。由于單片機(jī)處理器數(shù)據(jù)處理能力有限，同時(shí)負(fù)擔(dān)圖像采集、存儲(chǔ)和圖像處理，實(shí)時(shí)性難以保障，圖像會(huì)存在延時(shí)的現(xiàn)象。針對(duì)數(shù)碼管檢測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，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(hào)，完成類(lèi)似數(shù)碼照相機(jī)的“拍照

27、”功能，將此圖像的數(shù)據(jù)存于FIFO中，由處理器對(duì)其進(jìn)行一系列圖像處理與亮度計(jì)算，最終得出亮度值并且能顯示和傳輸，從而達(dá)到數(shù)碼管檢測(cè)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(jī)、控制器、圖像采集、數(shù)據(jù)緩存、實(shí)時(shí)顯示和上位機(jī)通信六個(gè)部分。圖 2-2 系統(tǒng)裝置的組成本系統(tǒng)基于單片機(jī)通過(guò)軟件編程設(shè)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(hào)存儲(chǔ)在AL422B芯片中；隨后單片機(jī)一方面將存儲(chǔ)在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)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(jī)內(nèi)進(jìn)行圖像算法處理，得出數(shù)碼管顯示的數(shù)字結(jié)果并且顯示在LCD1602上。2

28、.3.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)課題的關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)在于：（1）圖像讀取和存貯（2）圖像顯示（3）圖像處理實(shí)驗(yàn)第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案確定了元件的選型和各個(gè)功能模塊的電路，并且針對(duì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能要求對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，完成了系統(tǒng)各主要電路的連線設(shè)計(jì)及調(diào)試。3.1 系統(tǒng)元件選型根據(jù)第二章方案設(shè)計(jì)中確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(hào)，分析其性能參數(shù)。3.1.1 處理器3.1.1.1 MSP430F149單片機(jī)MSP430F149芯片是美國(guó)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(shí)鐘模塊、看門(mén)狗定時(shí)器、帶3個(gè)捕獲比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、帶7個(gè)捕獲比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口、4個(gè)8位并行端口、模擬比較器、12位AD轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口等模塊10。MSP430F149芯片具有如下特點(diǎn)：（1)功耗低：電壓22V、時(shí)鐘頻率1MHz時(shí)，活動(dòng)模式為200A；關(guān)閉模式時(shí)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(shí)鐘頻率時(shí)，指令周期時(shí)間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期完成；32kHz時(shí)鐘頻率時(shí)，16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典

30、型的8位單片機(jī)20MHz時(shí)鐘頻率時(shí)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(shí)鐘系統(tǒng)：兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘；（5)低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信11；（6)具有串行在線編程能力；（7)強(qiáng)大的中斷功能；（8)喚醒時(shí)間短，從低功耗模式下喚醒僅需6s；（9)ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)；（10)運(yùn)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(jī)的所有外圍模塊的控制都是通過(guò)特殊寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故其程序的編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單。編程開(kāi)發(fā)時(shí)通過(guò)專(zhuān)用的編程器13，可以選擇匯編或C語(yǔ)言編程，IAR公司為MSP430系列的單片機(jī)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的C430語(yǔ)言，可以通過(guò)WORKBEN

31、CH和C-SPY直接編譯調(diào)試，使用靈活簡(jiǎn)單 14。3.1.1.2 STC12LE5A60S2單片機(jī)STC12C5A60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期1T的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，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(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即25萬(wàn)次/秒)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。15（1）增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)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(jī)）。STC12LE

32、5A60S2系列工作電壓：3.6V - 2.2V (3V單片機(jī)）。（3）工作頻率范圍：035MHz，相當(dāng)于普通8051的0420MHz。（4）用戶應(yīng)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(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)120mA。（7）ISP (在系統(tǒng)可編程）/ IAP (在應(yīng)用可編程）

33、，無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器 可通過(guò)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(mén)狗。（9）內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)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(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)的核心元件，在第二章通過(guò)分析基于嵌入式圖像采集系統(tǒng)的功能需求和性?xún)r(jià)比，對(duì)比 CMOS 和 CCD 圖像傳感器，經(jīng)過(guò)分析測(cè)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(diǎn)：（1）具有標(biāo)準(zhǔn)的 SCCB 接口，兼容

34、 I2C 接口，可通過(guò)總線設(shè)置傳感器模塊的功能，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；（2）可設(shè)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(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)黑電平校準(zhǔn)等圖像自動(dòng)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(diǎn)補(bǔ)償、鏡頭失光補(bǔ)償、圖像縮放和邊緣增強(qiáng)等自動(dòng)調(diào)節(jié)功能；（6）最大視場(chǎng)角為25°，光學(xué)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(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素點(diǎn)，為方便圖像數(shù)據(jù)存

35、儲(chǔ)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(dòng)影響控制和圖像質(zhì)量控制功能，能簡(jiǎn)化處理器對(duì)圖像的預(yù)處理過(guò)程，有效提高系統(tǒng)整體性能。因而，從功能特點(diǎn)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(chǎng)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(shè)計(jì)與焊接的過(guò)程，傳感器被焊接在小塊 PCB 板上，所有端口被引出為標(biāo)準(zhǔn)間距的接口便于與系統(tǒng)其它外設(shè)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(jiǎn)化了傳感器硬件電路設(shè)計(jì)，便于總線控制與數(shù)據(jù)傳輸，并且可以通過(guò)微調(diào)焦距調(diào)整視場(chǎng)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(gè)存儲(chǔ)容量為393216字節(jié)×8位的FIFO存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)圖如下：圖 3-1 AL422B芯片結(jié)構(gòu)圖AL422B主要特點(diǎn)是：（1）AL422B的存儲(chǔ)體為3Mb（393216字節(jié)×8位）；（2）可以存儲(chǔ)VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV等制式一幀圖形的信息；（3）獨(dú)立的讀寫(xiě)操作，可以接受不同的I/O速率；（4）高速異步串行存??；（5）讀寫(xiě)周期為20ns；（6） 存取時(shí)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(jī)監(jiān)測(cè)攝像頭的行場(chǎng)信號(hào)，控制FIFO讀取相應(yīng)的圖像；讀完所有行后，關(guān)閉FIFO讀取圖像功能，開(kāi)始由單片機(jī)從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，根據(jù)圖像處理的復(fù)雜程度，決定圖像處理和圖像采集的時(shí)間比。由于FIFO是先入先出，其讀取數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)只需通過(guò)中斷使能行場(chǎng)信號(hào)，絕大部分時(shí)間單片機(jī)可以用來(lái)進(jìn)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(chǔ)空間的一種模塊，這種模塊增加了一個(gè)FIFO（先進(jìn)先出）存儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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(gè)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(yīng)用系統(tǒng)中。它的特性如下：（1）3.3V或5

39、V工作電壓，對(duì)比度可調(diào)；（2）內(nèi)含復(fù)位電路；（3）提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)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(chǔ)器DDRAM；（5）內(nèi)建有192個(gè)5X7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM，8個(gè)可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。3.2 硬件電路設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及對(duì)每個(gè)元件參數(shù)與性能分析，已初步驗(yàn)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(wàn)能板測(cè)試并完成各個(gè)功能模塊電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最終完成系統(tǒng)整體的硬件電路設(shè)計(jì)。3.2.1 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板外圍電路和硬件3.2.1.1 MSP430開(kāi)發(fā)板外圍電路和硬件圖 3-4 MSP430F149開(kāi)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(gè)JTAG仿真調(diào)試下載端口；（4）.一個(gè)蜂鳴器；（5）.一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MAX3232接口；（6）.兩個(gè)具有中斷功能的8位并行端口：P1與P21；（7）.6個(gè)8位端口，P1，P2，P3，P4，P5，P6;圖 3-5 MSP430開(kāi)發(fā)板外圍電路和硬件實(shí)物圖3.2.1.2 C51開(kāi)發(fā)板外圍電路和硬件和MSP430F149開(kāi)發(fā)板類(lèi)似，只是缺少了JTAG仿真調(diào)試下載端口，所以不能進(jìn)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?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是針對(duì)兩類(lèi)不同的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的目的，所以以后凡是遇到兩類(lèi)單片機(jī)的問(wèn)題

41、需要解釋?zhuān)驹O(shè)計(jì)以MSP430為例進(jìn)行分析，特此聲明，不再贅述。圖 3-6 C51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖3.2.2 圖像傳感器接口攝像頭的主要信號(hào)及主要端口有：3V3-輸入電源電壓GDN-接地點(diǎn) SIO_C-SCCB接口控制時(shí)鐘SIO_D-SCCB數(shù)據(jù)輸入 VSYNC-幀同步信號(hào) HREF-行同步信號(hào)PCLK-像素時(shí)鐘 XCLCK-時(shí)鐘信號(hào) D0-D7-數(shù)據(jù)端口RESTE-復(fù)位端口 FIFO_RCK-FIFO內(nèi)存讀取時(shí)鐘控制端FIFO_WR_CTR-FIFO寫(xiě)控制端 FIFO_OE-FIFO關(guān)斷控制FIFO_WRST-FIFO寫(xiě)指針?lè)?wù)端 FIFO_RRST-FIFO讀指針復(fù)位端圖 3-7 攝像頭

42、模塊主要信號(hào)接口示意圖我只需要按照相關(guān)時(shí)序圖用單片機(jī)控制相關(guān)的幾個(gè)控制引腳即可，可以很方便的使用在低速單片機(jī)上，并且可以實(shí)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(jī)上或送屏顯示，也可以單片機(jī)簡(jiǎn)單處理。圖 3-8 單片機(jī)控制攝像頭模塊接線圖3.2.3 LCD顯示接口LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄

43、存器。第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端，高電平（1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)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(fù)極。圖 3-9 LCD1602與單片機(jī)接線圖3.3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖本系統(tǒng)基于單片機(jī)通過(guò)軟件編程設(shè)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(hào)存儲(chǔ)在AL422里；隨后單片機(jī)一方面將存儲(chǔ)在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)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(jī)內(nèi)進(jìn)行圖像算法處理，得出數(shù)碼管

44、顯示的數(shù)字結(jié)果并且顯示在LCD1602上。圖 3-10 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(chǔ)、顯示等功能模塊的硬件電路及其接口設(shè)計(jì)；介紹了系統(tǒng)硬件的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，并完成實(shí)物接線連接；經(jīng)過(guò)初步硬件調(diào)試，每個(gè)功能模塊供電正常；通過(guò)處理器高低電平變化測(cè)試，確保樣機(jī)無(wú)虛接，錯(cuò)接等潛在硬件問(wèn)題，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定的硬件平臺(tái)。第4章 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)4.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹4.1.1 IARIAR Systems是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于1983年，迄今已有

45、27年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段，包括：帶有C/C+編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開(kāi)發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。國(guó)內(nèi)普及的MSP430開(kāi)發(fā)軟件種內(nèi)不多，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430（簡(jiǎn)稱(chēng)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(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的高級(jí)語(yǔ)言調(diào)試器。在設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)與調(diào)試間自由切換。因此，在實(shí)現(xiàn)單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)要比應(yīng)用C51單片機(jī)容易的多，因?yàn)镸SP430單片機(jī)可以進(jìn)行單步調(diào)試和編譯，而C51單片機(jī)不能這樣，因此工作量大大增加17。4.1.2 KEILKeil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)

47、發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 4.2 圖像采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的圖像采集主要完成對(duì)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(chǔ)模塊的功能。4.2.1 初始化時(shí)鐘與OV76704.2.1.1 SCCB總線控制SCCB總線是具備多主機(jī)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(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SIO_C，另一根是時(shí)鐘線SIO_D。每個(gè)接到SCCB總線上的器件都有唯一的

48、地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘線上的信號(hào)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(jī)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(hào)；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(hào)。 圖 4-2 SCCB信號(hào)的起始和終止信號(hào)圖 4-3 SCCB信號(hào)的應(yīng)答信號(hào)和非應(yīng)答信號(hào)分配好SIO_C與SIO_D的引腳，并且基于以上起始信號(hào)

49、，終止信號(hào)，應(yīng)答信號(hào)，非應(yīng)答信號(hào)，繼續(xù)編寫(xiě)寫(xiě)一字節(jié)函數(shù)和讀一字節(jié)函數(shù)。他們的主要構(gòu)成都是FOR循環(huán)，并且重復(fù)8次，通過(guò)拉高或拉低SIO_C和SIO_D信號(hào)來(lái)控制，這樣便可以讀寫(xiě)一個(gè)字節(jié)。圖 4-4 SCCB時(shí)序圖4.2.1.2 攝像頭SCCB初始化調(diào)用已經(jīng)編寫(xiě)的起始信號(hào)函數(shù)，終止信號(hào)函數(shù)，應(yīng)答信號(hào)函數(shù)，非應(yīng)答信號(hào)函數(shù)，并且通過(guò)識(shí)別設(shè)備ID，寄存器地址，寄存器數(shù)據(jù)地址，就可以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)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(duì)BLUE，RED寄存器賦值；如要對(duì)亮度進(jìn)行控制，就可以調(diào)用寫(xiě)寄存器函數(shù)，對(duì)0X55寄存器進(jìn)行賦值；如要調(diào)整對(duì)比度，則可以通過(guò)調(diào)用寫(xiě)寄存器函數(shù)，對(duì)0X56

50、，0X57等寄存器進(jìn)行賦值。對(duì)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(jìn)行攝像頭SCCB初始化函數(shù)的編寫(xiě)了。首先，我們要復(fù)位SCCB總線，通過(guò)對(duì)0X12寄存器賦值0X80即可實(shí)現(xiàn)。然后，要讀取設(shè)備的ID，這需要讀取0X0B寄存器，來(lái)確定是否是正確設(shè)備。最后，利用一個(gè)FOR循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)167個(gè)寄存器的賦值，這也需要調(diào)用寫(xiě)寄存器的函數(shù)。在完成了全部寄存器寫(xiě)值之后，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dòng)首先應(yīng)該分配好OV_WE、OV_WRST、OV_RCK、OV_OE、OV_RRST、OV_VSYNC等各個(gè)信號(hào)的引腳，然后準(zhǔn)備編寫(xiě)攝像頭初始化函數(shù)

51、，攝像頭寫(xiě)復(fù)位函數(shù)，攝像頭讀復(fù)位函數(shù)，攝像頭中斷初始化函數(shù)，攝像頭啟動(dòng)捕獲函數(shù)等。對(duì)于攝像頭初始化函數(shù)，首先要對(duì)各信號(hào)進(jìn)行初始化，然后拉高IO口，最后通過(guò)時(shí)序圖對(duì)SIO_C和SIO_D的引腳的輸入輸出以及拉高拉低來(lái)操作，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭芯片AL422的初始化工作18。圖 4-5 攝像頭芯片寫(xiě)復(fù)位時(shí)序圖攝像頭寫(xiě)復(fù)位函數(shù)，通過(guò)觀察時(shí)序圖可以得知，首先要拉低WE信號(hào)，禁止寫(xiě)，然后拉低WRST信號(hào)，延時(shí)2us后，拉高WRST即可實(shí)現(xiàn)攝像頭寫(xiě)復(fù)位。攝像頭讀復(fù)位函數(shù)，通過(guò)觀察時(shí)序圖可以得知，首先拉低OE信號(hào)，使能輸出，然后拉低RRST信號(hào)，然后重復(fù)拉低再拉高RCK信號(hào)三次，最后拉高RRST信號(hào)，再拉低R

52、CK信號(hào)，攝像頭讀復(fù)位即可完成。圖 4-6 攝像頭芯片讀復(fù)位時(shí)序圖攝像頭中斷初始化函數(shù)，這里主要是單片機(jī)的一些操作，首先調(diào)用內(nèi)部函數(shù)關(guān)閉中斷，通過(guò)讀VSYNC信號(hào)設(shè)置中斷為下降沿中斷，隨后設(shè)置GDO2輸入模式，最后清除中斷標(biāo)志位并且關(guān)外部中斷即可實(shí)現(xiàn)攝像頭中斷初始化。攝像頭啟動(dòng)捕獲函數(shù)，其實(shí)質(zhì)就是開(kāi)啟中斷，所以只需要清除中斷標(biāo)志位，并且開(kāi)外部中斷，然后在調(diào)用內(nèi)部函數(shù)打開(kāi)總中斷即可實(shí)現(xiàn)，主要包括輸出使能，寫(xiě)使能，讀使能，具體的時(shí)序圖如圖所示。圖 4-7 攝像頭芯片讀使能時(shí)序圖根據(jù)這些時(shí)序圖，我們可以利用中斷，通過(guò)拉低或拉高這些信號(hào)，進(jìn)行捕獲和存儲(chǔ)圖像信息，至此，我們已經(jīng)完成把圖像存儲(chǔ)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(gè)引腳是特定的，所以必須使用這兩個(gè)引腳。然后，要同步幾個(gè)時(shí)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?yàn)槲疫x擇的YUV格式圖片是8位的，并且還要與上位機(jī)程序相匹配。最后通過(guò)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(shí)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(chǔ)與串口發(fā)送完成了以上準(zhǔn)備工作，我們就可以調(diào)用前面介紹的函數(shù)來(lái)進(jìn)行圖像采集存儲(chǔ)和串口發(fā)送了。圖 4-8 攝像頭芯片輸出使能時(shí)序圖首先要完成系統(tǒng)初始化，選用MCLK與SMCLK的時(shí)鐘源為XT2，實(shí)現(xiàn)各時(shí)鐘信號(hào)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(xiě)復(fù)位函數(shù)、攝像頭圖像捕獲函數(shù)以及讀復(fù)位函數(shù)，初始化攝像頭并且打開(kāi)外部中斷，準(zhǔn)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(xiě)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(chǔ)的全部工作19。圖 4-9 攝像頭芯片RE，RRST信號(hào)時(shí)序圖接下來(lái)要進(jìn)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(guò)拉低和拉高RCK信號(hào)來(lái)獲取圖像每一個(gè)像素點(diǎn)的設(shè)定參數(shù)K的值，因?yàn)樵O(shè)置攝像頭寄存器參數(shù)時(shí)選擇了RGB565的格式，所以要通過(guò)K的值根據(jù)公式計(jì)算出R、G、B的值。最后通過(guò)RGB格式與YUV格式之間的轉(zhuǎn)換公式，得出Y的值，并且通過(guò)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(gè)像素點(diǎn)發(fā)送到串口。最后，

56、拉高OE信號(hào)，關(guān)閉輸出。這樣，一幅完整的圖像從捕獲、存儲(chǔ)以及發(fā)送到串口已經(jīng)全部完成，圖像在上位機(jī)的顯示要通過(guò)上位機(jī)軟件的編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 4-10 攝像頭芯片WE，WRST信號(hào)時(shí)序圖圖 4-11 圖像采集存儲(chǔ)流程圖4.3 上位機(jī)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(jī)上顯示出來(lái)，我特地使用了最常用的VC+6.0編寫(xiě)了一個(gè)上位機(jī)圖像顯示軟件，本節(jié)主要從串口通信、繪圖、主要程序架構(gòu)等三個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹這個(gè)軟件的編寫(xiě)過(guò)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(guò)MSComm控件進(jìn)行串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為本應(yīng)用程序提供串行通訊功能，這里簡(jiǎn)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(jiǎn)介Microsoft Communications Control（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MSComm）是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。MSComm控件通過(guò)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。MSComm控件在串口編程時(shí)非常方便，程序員不必去花時(shí)間去了解較為復(fù)雜的API函數(shù)，而且在VC、VB、Delphi等語(yǔ)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(jìn)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