基于STM32F407與OV2640的圖像采集系統的設計

楊才生，吳狀肥，萬國義

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

關鍵字：STM32F407；OV2640；嵌入式系統

引言

隨著計算機技術的發展，嵌入式系統越來越多應用在各種微型控制系統中，如智能駕駛系統、機器人視覺系統、場景監控系統等，這些系統中大量使用攝像頭，雖然市面上有很多攝像頭可直接使用，但是具有個性化的攝像頭還是需要用戶自己設計和研究，比如要求攝像頭嵌入到控制系統中、要求具有視頻捕捉功能、要求具有圖像識別、對象跟蹤功能等。在智能駕駛系統中中的圖像采集與處理技術，在汽車主動安全領域具有非常重要的意義。

1 系統結構與功能

一套完善的圖像采集系統由硬件和軟件兩個部分組成，其中硬件部分主要包括微控制器、攝像頭、圖像存儲設備等，軟件部分主要用來驅動攝像頭，并實現圖像的傳輸、存儲與處理等任務。

2 硬件設計

2.1 最小系統

（1）電源電路

電源電路用于給視覺系統提供功率需求，本設計要求電源模塊能將24V車載電源轉化成+5V和+3.3V兩個級別，其中+5V給攝像頭等模塊供電，+3.3V給MCU供電。圖1是24V轉+5V的電路原理圖：

圖1 24伏轉5伏電源電路

圖1中，MURB1620CT用于防止電源反接，SMAJ36A通過吸收浪涌沖擊實現對電路中的元器件的保護，LM2575S型調壓器可輸出高達3A的穩定電流，從而為攝像頭等外設的工作提供了保證。

為了使STM32型微控制器正常運行，需要給其提供3.3V穩定的電壓，圖2所示為采用REG1117-3.3型集成三端穩壓器實現+5V到+3.3V的轉換：

圖2 5伏轉3.3伏電壓

作為常用的降壓型穩壓器，REG1117-3.3可將 4.8～10V的輸入電壓穩定在+3.3V，且保證輸出電流高達 800mA，完全滿足圖像采集系統微處理器的功耗需求。

（2）復位電路

STM32F407是低電平復位的，所設計的復位電路如圖3所示，其中R13和C23構成了上電復位電路：

圖3 復位電路

（3）JTAG調試接口

圖4 JTAG調試接口

通過JTAG調試接口既可對STM32F407內部數據進行監測，又可實現 ISP（In-System Programmer，在系統編程），便于對微控制器的FLASH等器件進行編程。圖4所示為本設計所采用的20引腳JTAG調試接口。

2.2 攝像頭接口

STM32F407自帶數字同步并行攝像頭（DCMI）接口，該接口能夠接收外部8～14位CMOS攝像頭模塊發出的像素數據流。STM32F407為OV2640型攝像頭模塊提供的接口如圖5所示：

圖5

在該接口中使用了微控制器的如下引腳資源：

DCMI（D[0:7]）：用于接 OV2640型攝像頭模塊的數據輸出引腳；

DCMI_HSYNC：用于接OV2640型攝像頭模塊的水平同步信號引腳；

DCMI_VSYNC：用于接OV2640型攝像頭模塊的垂直同步信號引腳；

DCMI_PIXCLK：用于接 OV2640型攝像頭模塊的像素時鐘信號引腳。

2.3 存儲器接口

STM32F407自帶的標準的SD卡接口使用4位SDIO接口驅動，最高通信速度可達 48Mhz（分頻器旁路時）， 最高每秒可傳輸數據 24M字節，完全滿足圖像傳輸速度的要求，SD卡的接口電路如圖6所示：

圖6 SD卡接口電路

3 軟件設計

3.1 攝像頭驅動

OV2640的初始化

OV2640型攝像頭模塊的初始化包括以下幾個方面的配置和操作：

（1）選擇控制對象為圖像傳感器，通過向 RA_DLMT寄存器寫入0x01實現；

（2）軟復位OV2640，通過COM7寄存器寫入0x80實現；

（3）設置圖像參數，包括：輸出模式，白平衡，亮度，對比度，特效，分辨率等。

圖像格式控制

由于YUV422格式的圖像直接讀取其像素的Y分量即可獲得該像素的灰度信息，因此驅動 OV2640時優先考慮YUV422格式圖像數據的輸出。OV2640輸出YUV422格式圖像數據需要依次通過以下配置實現：

（1）通過向RA_DLMT寄存器寫0x00選擇控制對象為攝像頭模塊內置DSP。

（2）通過 IMAGE_MODE寄存器切換攝像頭模塊的數據輸出格式。

（3）通過CTRL0寄存器控制攝像頭模塊的使能。

3.2 圖像的緩存

圖像傳感器采集到的像素數據緩存在 32位數據寄存器DCMI_DR中，然后通過DMA傳輸至外部存儲設備。STM32F407的直接存儲器訪問DMA可以在無需任何CPU操作的情況下通過DMA快速移動數據實現外設與存儲器之間的高速數據傳輸，這樣節省的CPU資源可供其它操作使用。

在本設計中，DCMI每次觸發DMA請求時DMA仲裁器根據當前請求的優先級啟動圖像數據流從 DCMI_DR到FIFO的傳輸。當圖像數據量達到FIFO的閾值時，FIFO中緩存的圖像數據被轉移至外部SRAM中。當數據流項數寄存器達到零時DCMI請求DMA終止當前的數據傳輸事務。

3.3 SD卡的驅動

為了實現大量圖像數據的存儲，圖像緩沖區中的像素數據要被及時轉移至SD卡中，使用SD卡進行圖像存儲主要通過以下函數來實現：

//寫SD卡

//buf:寫數據緩存區

//sector:扇區地址

//cnt:扇區個數

//返回值，錯誤狀態，0，正常，其它，錯誤

u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)

{

u8 sta=SD_OK;

u8 n;

long long lsector=sector;

lsector<<=9;

if((u32)buf%4！=0)

{

for(n=0;n

{

memcpy(SDIO_DATA_BUFFER,buf,512);

sta=SD_WriteBlock(SDIO_DATA_BUFFER,lsector+512*n,512);

buf+=512;

}

}else

{

if(cnt==1)sta=SD_WriteBlock(buf,lsector,512);

else sta=SD_WriteMultiBlocks(buf,lsector,512,cnt);

}

return sta;

}

4 結束語

本文基于STM32F407型微處理器和OV2640型攝像頭加SD卡的設計方案不僅成本低廉，而且功能齊全，整體效果較好，硬件平臺設備較為成熟。在軟件方面，程序流程嚴謹，邏輯嚴密，而且驅動程序較為完善，各個模塊之間不存在耦合性，系統運行穩 定、可靠。