基于STM32F103的图像采集系统设计

马经权，王中刚，康国旗

（武汉信息传播职业技术学院，湖北 武汉 430223）

基于STM32F103的图像采集系统设计

马经权，王中刚，康国旗

（武汉信息传播职业技术学院，湖北 武汉 430223）

本设计以STM32F103为控制核心，设计了一个图像采集系统。该系统使用CMOS摄像头来OV7670获取图像数据，在微控制器的控制下，将图像信息经缓存器缓存后存入到SD卡中，并通过LCD实时显示。该系统硬件资源精简，采集的图像显示清晰、实用性强，适合便携式图像采集系统使用。

STM32F103；图像传感器；图像采集；LCD

本设计图像采集系统在便携式电子装备、机器视觉等一些领域被广泛使用，其核心技术是实时图像的采集技术。采集图像处理的速度及质量会影响产品的整体性能。现阶段较多的图像采集系统都用ARM，DSP技术，但系统较复杂而且成本高，应用较困难。本项目设计的图像采集系统是基于STM32F103，具有图像质量好，功耗低、实时性好、成本低等优点。

1 硬件平台

本设计的图像采集系统主要由STM32F103微处理器、OV7670摄像头、AL422B帧缓存器、TFT类液晶屏、SD存储卡及其他传输外设构成。图像采集系统的整体设计如图1所示。

图1 图像采集系统整体设计

1.1 主控制器

ST公司基于ARMCortex- M3内核的设计的STM32F103是一款32位的MCU，其工作频率可以达到72 MHz，在正常的工作频率下，其指令的处理速度可以达到1.25 MIPs/ MHz，但其电流消耗量较低，仅为27 mA；将STM32F103作为图像采集系统的控制核心，可极大地提高图像采集系统的性能。

1.2 CMOS摄像头

本设计选用OmniVision公司的OV7670。OV7670可以输出8位图像数据，3中不同的RGB /YCbCr /YUV的图像格式，在图像数据的传输过程中帧频可以达到30帧/S的高速率，能够支持的图像分辨率可以达到640×480 ppi，电压与主控的供电电压一致为3.3 V。OV7670带有标准的SCCB总线传输数据，而SCCB接口是兼容I2C接口。

1.3 FIFO帧缓冲器

本设计将AL422B作为数据处理的RAM。AL422B是一款FIFO存储芯片，存储容量可达到384 K×8 B，工作频率可以达到50 MHz。在此系统中，一个完整帧图像包含的像素点的个数为320×240，存储完整一帧图像的像素点所需要的存储空间为153 600字节，所以AL422B的性能指标是满足系统的设计需求。

1.4 SD卡存储器

SD卡存储器被广泛地使用在电子装备产品中。本设计选用金士顿4G的SD卡作为存储器来使用，存储卡可以将帧图像的像素点的信息加以存储，为后期的信息处理提供方便。

1.5 TFT液晶屏及其他外设

本设计将3.2寸TFT液晶屏作为显示屏来使用，此TFT液晶屏分辨率为240×320 ppi，将STM32的FSMC总线与液晶屏的数据引脚直接相连。其他的外设主要包括复位电路、晶振电路、JTAG 调试电路及WiFi无线传输模块等。

1.6 图像采集电路设计

本设计用24 MHz晶振给图像传感器OV7670提供系统时钟。为了解决STM32与OV7670两者间的数据传输速率不一致，现将FIFO作为帧缓存器连接在两者之间，摄像头将采集的像素数据先缓存到AL422B后再送到MCU。为将摄像头采集的图像数据自动地写到缓存中，采用了一个74HC00与非门芯片，来产生符合AL422B 写时序的信号。图像采集模块与STM32F103的接口电路如图2所示。

本设计主控通过I2C总线产生控制信号来模拟SCCB总线通信，从而来对OV7670寄存器进行初始化，此外还需要对行场同步信号、开窗及输出格式进行配置。

1.7 存储模块

本设计中SD采用SPI总线，将SD卡的CMD引脚、CLK引脚、DATA0引脚、DATA3引脚分别与与STM32F103的SPI3_ MOSI引脚、SPI3_SCK引脚，SPI3_MOS引脚相连，其中DATA3作为片选CS，党SD卡收到复位指令时，如果片选CS信有效则会启动SPI总线，SD存储卡在 SPI3_SCK引脚的控制下，通过数据口DATA0来完成图像像素数据的写入。

图2 图像采集模块与STM32F103接口电路示意

2 图像采集系统软件设计

在软件的系统设计过程中，对每个功能模块的初始化是非常关键的步骤，在开始实现图像采集的功能之前，必须确保对各个功能模块成功初始化。图像采集系统的初始化主要指对MCU，OV7670、通讯SCCB总线、AL422B等模块的初始化。各模块初始化完成后，STM32F103检测VSYNC引脚上的电平变化，通过其引脚上产生的中断信号来控制缓冲器对图像像素数据的读写。

2.1 配置SCCB总线的相关参数

对摄像头的寄存器参数的配置要通过SCCB接口总线来完成，所以必须优先设计SCCB总线通讯的程序。SCCB总线的主要函数模块设计如下。

（1）SCCB接口初始化的函数。

Void InitSCCBBus( ){

GPIO_Init TypeDef GPIO_InitStructure;}//将GPIO引脚进行初始化

（2）SCCB接口的开始信号产生的函数。Void startSCCBBus(){

SCCBBus_SID_H();}//将SCCB的数据线配置成高电平。

2.2 摄像头的寄存器的参数配置

当完成SCCB总线能够正常工作后，然后再配置摄像头的相关参数，相关参数主要是关于增益控制、显示模式的选择、输出格式的控制等参数。OV7670的寄存器参数配置函数如下。

Const char changereg[CHANGE_REG_NUM] []={{0x12,0x14}; //将显示模式设置为VGA

{0x40,0xd0};...} //将输出格式设置为RGB565。

2.3 缓冲器AL422B的初始化

在图像数据传输过程中，OV7670输出的图像数据要先存到AL422B进行缓存，所以必须要对AL422B完成初始化操作。缓冲器初始化函数如下。

Void AL422B_GPIO_Init(){

RCC-＞APB2ENR|=1＜＜2;...}//将系统时钟进行使能操作。

在系统完成初始化后，然后进行打开中断的操作，来开始图像像素数据的采集。当VSYNC上面检测到中断信号时，系统开始采集图像像素数据，控制器直接控制缓冲器的读写使能信号，来进行图像像素数据的实时采集，与此同时将采集到的图像数据存放到SD存储卡中。

3 结语

LCD显示图片像素为240×320。本设计了实现了对图像的实时采集功能，采集的图像质量好，LCD预览效果好。本系统的整个产品小巧便携带、系统能耗较低、图像采集的效率高，特别是具有良好的可扩展性。用户可以把采集到的像素数据经过压缩编码处理后，然后利用WiFi模块传输到上位机，从而达到远程采集图像信息的目的。

[1]黄智伟，于红利，宁志刚，等.基于STM32F147的图像采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（10）：48-51.

[2]曾浩，张祺，郑斯凯.基于STM32F407的图像远程采集终端[J].工业控制计算机，2014（11）：81-83.

[3]蒋薇，原明亭.指针式仪表图像数据采集与显示系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2013（8）：96-97.

Design of image acquisition system based on STM32F103

Ma Jingquan, Wang Zhonggang, Kang Guoqi
（Wuhan Vocational College of Communications and Publishing, Wuhan 430223, China）

An image acquisition system taking STM32F103 as the control core is designed. The system uses CMOS camera to obtain image data OV7670, under the control of the micro controller the image information is stored in the SD card after the buffer is cached and real-time displays it through LCD. The image information is buffered by the cache and stored in the SD card, and real-time display through the LCD. The system hardware has reduced resource, the image captured is clear and has strong practicability, which is suitable for use in portable image acquisition system.

STM32F103; image sensor; image acquisition; LCD

马经权（1988— ），男，湖北荆州，硕士；研究方向：嵌入式工业控制及智能便携式装备。