基于OV7670攝像頭圖像采集的STM32處理系統(tǒng)項(xiàng)目研究報(bào)告

本項(xiàng)目以攝像頭OV7670作為圖像傳感器,以存儲(chǔ)芯片AL422作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，以處理芯片STM32作為圖像采集系統(tǒng)的控制核心，以TFT液晶顯示屏作為圖像顯示器，實(shí)現(xiàn)了基于攝像頭圖像采集的STM32處理顯示系統(tǒng)，完成了圖像的快速采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理及圖像顯示。首先攝像頭采集到圖像，通過傳輸線路把采集到的信息存儲(chǔ)在AL422內(nèi)部，然后傳給STM32處理；其次STM32建立二維坐標(biāo)，把采集到的圖像進(jìn)行坐標(biāo)定位；最后STM32將分析后的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理后的信息經(jīng)過TFT將圖像顯示出來。

In the project ,OV7670 camera as image sensor, memory chip  AL422  as transfer station ,processing chip STM32 as the control core of image acquisition ,TFT LCD screen as image display ,achieve STM32 processing display system  camera-based image acquisition ,to complete a rapid image acquisition ,storage ,data processing and image display .Firstly camera collects images ,collected information is stored in the AL422 through transmission line, and then passes to the STM32 to deal ; Secondly the STM32 establishes two-dimensional coordinate ,image acquisition to coordinate positioning ;Finally the STM32 analysis of information to the appropriate processing ,the TFT image display after the treatment of the information.

攝像頭(CAMERA)又稱為電腦相機(jī)，電子眼等，是一種電子設(shè)備，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)控等方面。普通的人也可以彼此通過攝像頭在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有影像、有聲音的交談和溝通。另外，人們還可以將其用于當(dāng)前各種流行的數(shù)碼影像，影音處理。攝像頭分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。數(shù)字?jǐn)z像頭可以將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過特定的視頻捕捉卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接捕捉影像，然后通過串、并口或者USB接口傳到計(jì)算機(jī)里。由于個(gè)人電腦的迅速普及，模擬攝像頭的整體成本較高等原因，USB接口的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串口、并口的速度，因此現(xiàn)在市場(chǎng)熱點(diǎn)主要是USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭。基于攝像頭有這么廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)以及更加廣闊的發(fā)展 ，所以各個(gè)公司都在大力投入資金以及人力資源在這方面開發(fā)發(fā)展。

本項(xiàng)目是基于STM32單片機(jī)做的，之前做的很多實(shí)物都是基于ATmegal 16單片機(jī)，在這個(gè)項(xiàng)目中，可以在做項(xiàng)目的過程中學(xué)習(xí)一塊新的單片機(jī)，開拓自己視野，增長(zhǎng)自己知識(shí)；同時(shí)，攝像頭在社會(huì)上應(yīng)用廣泛，涉及攝像頭這一塊，也是更加好的了解社會(huì)電子行業(yè)的最新發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)社會(huì)上的狀況有所了解，對(duì)自己的以后就業(yè)有一定的幫助；同時(shí)攝像頭采用那個(gè)系列的，其他系列有哪些缺點(diǎn)，經(jīng)過這個(gè)項(xiàng)目，也會(huì)有所了解。

本項(xiàng)目研究主要內(nèi)容有：基于攝像頭OV7670采集圖樣，存儲(chǔ)在AL422內(nèi)部，然后通過STM32處理，最后控制TFT液晶顯示屏將采集的圖像進(jìn)行顯示。

第一章，通過攝像頭OV7670采集圖像，通過傳輸線路把采集到的圖像信息數(shù)值信號(hào)存儲(chǔ)于AL422中，即圖像采集。

第二章，存儲(chǔ)于AL422中的圖像，經(jīng)過圖像處理模塊STM32對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，將圖像的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后STM32經(jīng)過建立二維坐標(biāo)，把采集到的圖像進(jìn)行坐標(biāo)定位，即圖像數(shù)據(jù)處理。

第三章，將采集處理后到的圖像通過液晶顯示屏TFT顯示出來。，即圖像顯示。

OV7670攝像頭、STM32處理芯片、AL422存儲(chǔ)器、TFT液晶顯示屏分別如圖1-1、圖1-2、圖1-3和圖1-4所示。

設(shè)計(jì)主要由幾個(gè)模塊組成：

1). 圖像采集模塊：OV7670攝像頭通過設(shè)置參數(shù)采集圖像，將采集到的圖像存儲(chǔ)在AL422里；

2). 控制處理模塊：STM32將存儲(chǔ)在AL422內(nèi)部的數(shù)字代碼提取出來，同時(shí)控制液晶顯示屏TFT；

3). TFT液晶顯示模塊：經(jīng)過STM32處理后的數(shù)據(jù)在TFT上顯示。

總體設(shè)計(jì)方案流程圖如圖2-1所示。

優(yōu)點(diǎn)：成本低（LM1881只要10元，攝像頭只要45元）；方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單（只需根據(jù)幾個(gè)同步信號(hào)，開啟AD連續(xù)采集即可）；

缺點(diǎn)：需要A/D速度支持，以獲得高分辨率。A/D速度與MCU總線時(shí)鐘有關(guān)，所以需要超頻，但MCU穩(wěn)定性必須犧牲。

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)典的圖像采集方案，為各視頻采集卡和其他產(chǎn)品所應(yīng)用，能完整采集整幅圖像。攝像頭兼容性好，可以隨時(shí)更換更好的攝像頭，獲得更清晰圖像，而采集部分軟硬件不需要做太大改變；

缺點(diǎn)：方案復(fù)雜，涉及大量邏輯操作，一般用CPLD或FPGA配合。在智能車比賽中，規(guī)定不能使用可編程器件，使用74做邏輯功能，控制幾個(gè)芯片較為復(fù)雜，體積、可靠性都很難保證，制作難度較大。涉及IIC操作，增加調(diào)試時(shí)間難度。

優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字?jǐn)z像頭方案，采集簡(jiǎn)單，無需A/D；

缺點(diǎn)：與模擬攝像頭+AD類似，采集分辨率與MCU頻率相關(guān)。數(shù)字?jǐn)z像頭信號(hào)輸出頻率可高達(dá)13.5MHz，沒有DMA功能MCU從IO讀信號(hào)再寫入內(nèi)存，速度跟不上，同樣需要犧牲穩(wěn)定性進(jìn)行超頻使用。因?yàn)闆]有引入PCLK視頻同步信號(hào)，直接采集CMOS數(shù)據(jù)口，有可能會(huì)采集到不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)（即CMOS數(shù)據(jù)口狀態(tài)正在改變時(shí)）這一點(diǎn)可能造成嚴(yán)重的干擾。

優(yōu)點(diǎn)：采用FIFO作為緩沖，可以采集完整圖像。圖像采集分辨率與FIFO容量有關(guān)；

缺點(diǎn)：FIFO容量大，若使用視頻FIFO，性價(jià)比較高。

選擇方案：經(jīng)過對(duì)以上幾種方法的比較，方案四可行性比較高，同時(shí)價(jià)格也相對(duì)來說比較便宜，而且數(shù)字信號(hào)相對(duì)于模擬信號(hào)來說利用更加簡(jiǎn)單，對(duì)于現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)更方便。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于ATmega16的使用比較熟練；

缺點(diǎn)：ATmega16的flash相對(duì)較小，處理速度較慢，不適宜快速處理圖像信息，對(duì)信息由一定的延時(shí)顯示。

優(yōu)點(diǎn)：flash相對(duì)于ATmega16的較大，處理速度也更加的快；

缺點(diǎn)：價(jià)格相對(duì)于ATmega16來說較貴。

選擇方案：為了更好地處理圖像信息，使數(shù)據(jù)信息更好地采集，采用STM32系列芯片來作為處理芯片。

優(yōu)點(diǎn)：2.4寸TFT液晶顯示屏，大小為240X320，顯示圖像范圍較大；

缺點(diǎn)：TFT供電是3.3V，單片機(jī)供電為5V，需要外圍轉(zhuǎn)換電路。

優(yōu)點(diǎn)：顯示程序簡(jiǎn)單，可以供給5V電壓，與單片機(jī)供電電壓相同；

缺點(diǎn)：顯示圖像較小。

選擇方案：由于STM32采集的數(shù)據(jù)為240X320X2的數(shù)據(jù)，剛好是2.4寸的TFT液晶顯示屏的數(shù)據(jù)，所以使用TFT液晶顯示屏比5110顯示屏更加的好，這樣就不需要去設(shè)置一些數(shù)據(jù)，免去一些麻煩。

由于速度及程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間的限制,要存儲(chǔ)每秒30幀,640×480像素大小的一副圖像,是相當(dāng)困難的，而FIFO 芯片AL422的出現(xiàn),解決了這一難題。AL422是 Aver Logic 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。AL422是一款容量很大，而且可存儲(chǔ)一幅圖像的完整信息的幀存儲(chǔ)器芯片，AL422的工作頻率可達(dá)50MHZ。

具有以下特點(diǎn)：

（5）工作電壓為5V或3.3V，采用標(biāo)準(zhǔn)的28腳SOP封裝。

選擇方案：為了讀取一幅完整的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)AL422價(jià)格相對(duì)來說比較便宜，因此選擇AL422作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

對(duì)于處理芯片的設(shè)計(jì)，開始考慮自己設(shè)計(jì)處理芯片整體PCB布局，考慮到可能出現(xiàn)雙面板的問題，因此直接購買了處理芯片部分。處理芯片原理圖見附加pdf文件。

基于攝像頭與AL422的配合使用，把攝像頭與AL422直接放在一個(gè)模塊上比較穩(wěn)定，減少其他干擾因素(連線問題、電產(chǎn)生的磁場(chǎng))的影響，因此把攝像頭與AL422放置在一起。原理圖如圖2-2所示。

在這次設(shè)計(jì)中，經(jīng)過不斷地調(diào)試與改進(jìn)，基于STM32的視頻處理并將采集到的圖像信息顯示在TFT液晶顯示屏上成功完成。在制作的過程中，遇到許多的問題，大概如下：

（1）在前期準(zhǔn)備過程中，由于對(duì)于攝像頭的原理及種類選擇了解甚少，所以在對(duì)攝像頭的種類選擇過程中舉棋不定；

（2）在對(duì)攝像頭的基礎(chǔ)知識(shí)有了一定了解后，對(duì)攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)如何處理這個(gè)問題上又有了比較大的問題，是直接處理數(shù)據(jù)，還是先把采集到的圖像信息存儲(chǔ)起來再進(jìn)行處理。經(jīng)過比較，我們采用了后者；后者的優(yōu)點(diǎn)在于把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，一方面可以防止數(shù)據(jù)丟失，另外一方面可以避免一下處理太大的數(shù)據(jù)；

（3）對(duì)于攝像頭方面的問題有了大概解決辦法后，對(duì)于處理芯片的選擇又有問題了；在前期準(zhǔn)備用DSP作為處理芯片，由于是第一次接觸并應(yīng)用，對(duì)于復(fù)雜的DSP來說，在短期內(nèi)把它學(xué)懂并且用來做項(xiàng)目是有一定困難的，其次對(duì)于DSP的購買能力也是一定的，因此，最后采用了綜合效果較好的STM32作為處理芯片。

（4）在一步步把程序調(diào)通之后圖像顯示比較清晰，但為了精度能更高一點(diǎn)，于是對(duì)軟件和硬件進(jìn)行

經(jīng)過這次項(xiàng)目，對(duì)于攝像頭的處理方面的一些知識(shí)也有了很大的提升，另外對(duì)于處理芯片STM32的知識(shí)掌握也有很大提高，讓自己也多學(xué)會(huì)了一款單片機(jī)，對(duì)于自己以后的學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。