基于OV7670的網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜寶禎 吳志榮 曾佳

(1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工作室,浙江寧波 315800;2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院,浙江寧波 315800)

基于OV7670的網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜寶禎1吳志榮2曾佳2

(1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工作室,浙江寧波 315800;2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院,浙江寧波 315800)

文章提出了一種基于OV7670的網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。該方案構(gòu)建了以Cortex-M3處理器STM32F103RBT6和uCosII 為核心嵌入式軟硬件平臺(tái),通過(guò)OV7670模塊實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題,采用了基于IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的WIZ610wi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模組,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

STM32F103 圖像傳感器 OV7670 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模組

1 引言

近年來(lái),隨著工業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展,人們對(duì)生產(chǎn)檢測(cè)和控制的要求不斷提高,在自動(dòng)化測(cè)量、安全監(jiān)控、設(shè)備檢測(cè)等工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域,都需要有性能良好、成本低廉、可大面積布控的網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器用于現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)采集的工作。鑒于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布控的需求,本文提出了基于STM32F103RBT6及OV7670的網(wǎng)絡(luò)視頻傳感器軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,具有一定的通用性。

圖1 傳感器平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器平臺(tái)軟件體系結(jié)構(gòu)

圖3 wireshark數(shù)據(jù)分析

2 傳感器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要考慮的因素有成本、體積、功耗、擴(kuò)展性、處理能力和抗干擾能力等幾個(gè)方面的因素。由于圖像傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)中承擔(dān)著圖像數(shù)據(jù)采集壓縮和網(wǎng)絡(luò)通訊兩大任務(wù),因此要求傳感器的硬件平臺(tái)要有具有優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)性能和強(qiáng)勁的計(jì)算能力。通過(guò)綜合考慮常用的8位、16位和32位控制器芯片,本文采用了ST公司的STM32F103RBT6,外圍設(shè)備主要包括RAM、FLASH存儲(chǔ)器模塊、OV7670圖像采集模塊以及WIZ610wi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模組等。控制器的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 STM32F103RBT6處理器

STM32F103RBT6采用32位Cortex-M3系統(tǒng)架構(gòu),電壓范圍2.0-3.6V,主鐘頻率72MHz, 片上系統(tǒng)資源和外圍接口非常豐富,包括外部存儲(chǔ)器控制器、電源管理控制器、UART控制器、SDIO控制器、8個(gè)定時(shí)器3通道UART、兩通道SPI同步串行總線、2個(gè)I2C接口、CAN接口(2.0B主動(dòng))、USB 2.0全速接口、4通道DMA、2個(gè)12bit模數(shù)AD轉(zhuǎn)換器(多達(dá)16個(gè)輸入通道)、8個(gè)定時(shí)器、80個(gè)快速IO,具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式。該芯片在功耗方面性能優(yōu)異,性價(jià)比很高,具有實(shí)時(shí)性好、高性能、低功耗、極低成本、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn),在智能家電、汽車電子、醫(yī)療器械、消費(fèi)類電子、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

控制器外圍電路主要由電源模塊、存儲(chǔ)器電路模塊、JATG調(diào)試電路以及通信模塊的等構(gòu)成[2]。存儲(chǔ)器電路模塊采用一片K9F1208芯片(64Mbyte)作為Flash,另外采用采用HY57V561620FTP SDRAM芯片作為系統(tǒng)的內(nèi)存[2]。數(shù)據(jù)采集部分采用OV7670圖像傳感器模塊,通過(guò)SCCB接口與主控制器通信,實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集工作。通信部分采用內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的WIZ610wi模塊,以UARTWifi橋方式,實(shí)現(xiàn)了wifi接口的設(shè)計(jì);同時(shí)設(shè)計(jì)了USBhost接口電路,為近一步實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供接口。

3 視頻傳感器平臺(tái)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 軟件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

目前,幾乎所有嵌入式產(chǎn)品在開發(fā)中都移植了微型操作系統(tǒng),來(lái)管理和調(diào)度軟硬件資源,同時(shí)便于后期產(chǎn)品功能的擴(kuò)展。通過(guò)綜合考慮處理器性能和軟件功能,本文采用了精簡(jiǎn)的UCOS-II作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)支撐。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如下圖2所示,系統(tǒng)的軟件部分最底層為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?主要完成處理器的初始化和各外設(shè)電路模塊的驅(qū)動(dòng)功能;第二層為嵌入式操作系統(tǒng)UCOS-II,主要用于管理系統(tǒng)軟硬件資源、調(diào)度底層接口驅(qū)動(dòng)和為上層應(yīng)用提供API接口[3];第三層為應(yīng)用程序?qū)又饕琌S級(jí)別的系統(tǒng)調(diào)用、控制算法、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通訊等功能實(shí)現(xiàn)。

3.2 OV7670圖像傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)

OV7670是一款適用于嵌入式領(lǐng)域的高靈敏度低照度的CMOS傳感器,其內(nèi)部集成有640x480的感光陣列、模擬信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、測(cè)試圖案發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)處理器、圖像縮放、時(shí)序發(fā)生器等驅(qū)動(dòng)模塊,采用標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口通信方式,兼容I2C接口,因此極大的精簡(jiǎn)了硬件設(shè)計(jì)且編碼控制功能非常豐富[4,5]。在圖像采集前,首先調(diào)用unsigned char OV7670_init(void)函數(shù)實(shí)現(xiàn)OV7670內(nèi)部芯片的初始化,主要是調(diào)用ov7670_GPIO_Init();SCCB_GPIO_Config();CLK_init_ON()等函數(shù)完成基本配置,程序判斷返回值1,則表示初始化成功。另外 攝像頭的圖像幀頻、輸出分辨率、數(shù)據(jù)格式等參數(shù)都可以通過(guò)寫OV7670內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn),具體寫操作函數(shù)為uchar wrOV7670Reg(uchar IDreg,uchar Dat)函數(shù)。圖像采集主要以中斷函數(shù)void ov7670_Interrupts(void)實(shí)現(xiàn),在這之前通過(guò)void Interrupts_Config(void) 完成中斷優(yōu)先級(jí)和中斷向量的配置。圖像采集的數(shù)據(jù)先緩存到FIFO中,之后再周期性批量轉(zhuǎn)存儲(chǔ)到FLASH,完成圖像數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)工作。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模組設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)線通信模塊可以采用,藍(lán)牙、紅外、射頻、zigbee、wifi等方案,從主流程度、技術(shù)成熟度以及未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等角度考慮,本文直接采用支持wifi通信的網(wǎng)關(guān)模塊,實(shí)現(xiàn)通過(guò)MII、UART到IEEE802.11b/g wifi的無(wú)線通信[6,7]。經(jīng)過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,本文采用WIZ610wi模組作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的核心模塊,該模塊內(nèi)置ARM微控制器和TCP/IP協(xié)議棧的固件程序,最大程序降低傳感器MPU的軟硬件負(fù)擔(dān),可直接作為網(wǎng)關(guān)模塊提供RS-23 2 C到IEEE802.11b/g的無(wú)線通信的橋接,且最大傳輸速度為25Mbps。WIZ610wi模組使用要注意,將其設(shè)置為Client模式,并需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、奇偶校驗(yàn)位、流控制選項(xiàng),與傳感器串口輸出相匹配。網(wǎng)絡(luò)通訊采用TCP協(xié)議方式,并將該節(jié)點(diǎn)設(shè)置為web server模式,端口號(hào)為20000。完成配置以后,WIZ610wi將作為UART-Wifi橋,通過(guò)串口接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù),再通過(guò)自身wifi模塊,將數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。

圖3為使用截包工具wireshark,對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器發(fā)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包數(shù)據(jù)分析圖。結(jié)果表明,傳感器節(jié)點(diǎn)與客戶端握手成功,圖片數(shù)據(jù)發(fā)送正常。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了基于STM32F103RBT6微控制器和OV7670網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,構(gòu)建了系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái),對(duì)OV7670模塊的驅(qū)動(dòng)方法、WIZ610wi配置方式進(jìn)行了詳細(xì)論述。目前,基于圖像和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)傳感器研發(fā)是測(cè)控領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果證明,該方案是可行的,可滿足普通圖像網(wǎng)絡(luò)化采集的需要,應(yīng)用前景廣闊。

[1]STMicroelectronics Co.Ltd. STM32F103VE DATASHEET [DB/OL].[2011-04-05].http://www.st.com/inte rne t/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00191185.pdf.

[2]周立功,王祖麟,陳計(jì)明,等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3] 周立功.uCOS-II微小內(nèi)核分析與程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[4]邵華等.基于嵌入式系統(tǒng)的高分辨率圖像處理系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊,2012,(1).

[5]魏旭可.基于STM32單片機(jī)的光譜儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[D].中國(guó)海洋大學(xué),2012.

[6]張衛(wèi)華.基于STM32的灌區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.

[7]劉磊.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué),2011.

A hardware and software?platform design scheme based on OV7670 image network sensor node was proposed. The program was built embedded hardware and software platform,using the Cortex-M3 processor STM32F103RBT6 as core,running the uCosII operating system, using OV7670 image sensor to capture image data.Meanwhile,the WIZ610wi wireless network module based on IEEE802.11b/g standard was adopted to facilitate the remote data transmission.

STM32F103; Image Sensor;OV7670;Wireless network module

寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院2013年科研項(xiàng)目資助,項(xiàng)目編號(hào)NZ13028ZF;課題負(fù)責(zé)人:杜寶禎。

杜寶禎(1985—),男,單位:寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,教師,學(xué)歷:碩士研究生,研究方向:嵌入式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)。