基于STM32人員定位檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心 戴健雄 王自有 劉衛(wèi)華

0 引言

目前市場上室內(nèi)檢測人員的熱釋電傳感器只能探測或感應(yīng)移動體溫人體的熱源，必須要移動才能感知到有人的存在或者有人經(jīng)過（自動門和紅外放到就是運(yùn)用了這個(gè)原理）。因此運(yùn)用這種傳感器做出來的探測器只能探測到移動的人，而難以判別其偵測范圍是否有人的存在（靜止不動的人），因此無法直接使用這種傳感器作為進(jìn)行有人判定。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電路集成度及工藝的提高，基于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集處理平臺的開發(fā)日益增多，它具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。STM32為ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，主頻72MHz。OV7670是Omni Vision公司生產(chǎn)的一款1/6寸、有效像素30萬的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，它通過美國Omni Vision公司定制的2線/3線制串行攝像頭控制總線(serial camera control bus,SCCB)進(jìn)行控制，輸出并行的8位圖像數(shù)據(jù)，VGA圖像輸出最高可達(dá)30幀/s。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本設(shè)計(jì)以室內(nèi)檢測人員為應(yīng)用背景設(shè)計(jì)，因此考慮便于實(shí)現(xiàn)把系統(tǒng)劃分由微處理器單元、圖像采集設(shè)備、圖像顯示設(shè)備組成。其中STM32微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的處理和各單元模塊的控制等；OV7670圖像傳感器為檢測元件，負(fù)責(zé)室內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的采集；由于圖像傳感器的時(shí)鐘達(dá)24MHz，通過STM32的IO口來直接讀取采集數(shù)據(jù)比較困難，容易造成數(shù)據(jù)丟失，且對CPU會造成較大的負(fù)擔(dān)，所以使用 AL422B作為先入先出(FIFO)，當(dāng)一幀圖像緩存完后，STM32才將這一幀圖像寫入顯存或暫存到內(nèi)存中。2.8寸320×240分辨率的TFTLCD實(shí)現(xiàn)圖像顯示和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，由于一幀RGB565格式(320×240)尺寸的圖像達(dá)150 KB，而STM32的內(nèi)部SRAM只有64 KB，故外擴(kuò)1MB的SRAM實(shí)現(xiàn)圖像處理。如圖1所示。

圖1 STM32人員定位檢測系統(tǒng)框圖

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 攝像頭接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用IO口模擬SCCB總線控制OV7670，使其可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。因?yàn)镺V7670的像素時(shí)鐘（PCLK）最高可達(dá)24Mhz，用STM32F103的IO口直接抓取困難，也占CPU資源。所以不是采取直接抓取來OV7670的數(shù)據(jù)，而是單片機(jī)通過讀取FIFO暫存數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)OV7670的圖像采集功能，F(xiàn)IFO芯片的容量是384K字節(jié)，足夠存儲2幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)。OV7670圖像采集電路通過一個(gè)的雙排排針與外部通信，與外部的通信信號如圖2所示：

圖2 OV7670接口

本設(shè)計(jì)采用SCCB來實(shí)現(xiàn)對OV7670的控制，stm32中的PD3配置為推挽輸出,連接OV7670的OV_SCL管腳，PG13配置為為上拉輸入、寫數(shù)據(jù)時(shí)配置為推挽輸出,連接OV7670的OV_SDA管腳，然后根據(jù) SCCB時(shí)序圖來編寫驅(qū)動程序。寫操作：起始信號→器件地址(0x42)→Ack→寄存器地址→Ack→寫入數(shù)據(jù)→Ack→停止信號。讀操作:起始信號→器件地址(0x42)→Ack→寄存器地址→Ack→停止信號→起始信號→器件地址(0x43)→Ack→讀出數(shù)據(jù)→No Ack→停止信號。

本文采用一個(gè)外部中斷，來捕捉幀同步信號（VSYNC），然后在中斷里面啟動 OV7670的圖像數(shù)據(jù)存儲，等待下一次VSHNC信號到來，我們就關(guān)閉數(shù)據(jù)存儲，然后一幀數(shù)據(jù)就存儲完成了，在主函數(shù)里面就可以對這一幀圖像數(shù)據(jù)處理（如送到LCD顯示），同時(shí)開始第二幀數(shù)據(jù)的存儲與處理，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)攝像頭功能。

圖3 TFT接口

2.2 TFT接口設(shè)計(jì)

Stm32與TFT液晶模塊連接時(shí)，僅需將該電路考慮成一個(gè)SRAM模式即可，具體連接方式見圖3所示。連接中需要注意的是，液晶模塊與STM32的FSMC控制器的連接，本系統(tǒng)中LCD_BL(背光控制)對應(yīng)PB0,LCD_CS對應(yīng)PG12即 FSMC_NE4，LCD _RS對應(yīng)PG0即FSMC_A10，LCD _WR對應(yīng)PD5即FSMC_NWE，LCD _RD 對應(yīng)PD4即FSMC_NOE，LCD _D[15:0]則直接連接在FSMC_D15～FSMC_D0，這些連接直接關(guān)系到軟件初始化時(shí)相關(guān)寄存器地址設(shè)置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層驅(qū)動設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在查閱攝像頭及LCD等模塊控制時(shí)序的基礎(chǔ)上, 對模塊進(jìn)行驅(qū)動代碼編寫。系統(tǒng)使用一個(gè)外部中斷來捕捉圖像場幀同步信號(VSYNC)，幀中斷時(shí)啟動圖像數(shù)據(jù)幀緩存，待到數(shù)據(jù)存儲同時(shí)將這幀數(shù)據(jù)讀出并在LCD上進(jìn)行顯示，完成后清除幀標(biāo)志等待下一幀圖像的處理，如此循環(huán)。

圖4 測試畫面

3.2 軟件代碼功能設(shè)計(jì)

視頻中的運(yùn)動目標(biāo)只有在連續(xù)的變化圖像數(shù)據(jù)中才能體現(xiàn)出來，故運(yùn)動目標(biāo)檢測過程其實(shí)就是在連續(xù)圖像序列中尋找差異，并將其特征提取出來。主要圖像處理：提取視頻圖像轉(zhuǎn)灰度；圖像處理；圖像分割；提取相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)利用STM32平臺上實(shí)現(xiàn)了OV7670圖像傳感器采集教室場景圖像并圖像數(shù)據(jù)顯示到TFT LCD上，同時(shí)具有抓拍功能。測試過程中，圖像畫面顯示流暢準(zhǔn)確，從圖片中可以清晰地看出抓圖過程中因抖動形成的重影的圖像數(shù)據(jù)但是不影響檢測。LCD畫面如圖6所示。由圖4的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割成（以分割成3X3為例）數(shù)據(jù)從串口發(fā)出至上位機(jī)，數(shù)據(jù)如下：0，0，76，9，123，499，0，0，15。其代表：第一行區(qū)域數(shù)據(jù):0，0，76；第二行區(qū)域數(shù)據(jù):9，123，499；第三行區(qū)域數(shù)據(jù):0，0，15。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于STM32和OV7670的圖像采集與顯示系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集并顯示現(xiàn)場圖像，同時(shí)實(shí)現(xiàn)教室人員檢測功能。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、小體積等優(yōu)點(diǎn)，可方便地應(yīng)用到圖像處理與數(shù)據(jù)融合控制等項(xiàng)目中，同時(shí)，本系統(tǒng)在教室特定的場所取得很好的效果，為后續(xù)的圖像處理和識別打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)整體不完善的地方還有很多，在今后的研究中，繼續(xù)改進(jìn)圖像算法。