基于STM32的嵌入式双目图像采集系统设计

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1 引言

随着图像处理技术及嵌入式系统的发展,利用嵌入式系统进行图像处理,已使如视频监控、视频电话和视频会议等应用成为可能。嵌入式系统上进行图像采集则是实现这些应用的前提[1~2]。

双目立体视觉通常由两个摄像头从两个不同的角度,同时获取外界物体的两幅图像,或由单独一个摄像头在不同时间、不同位置获取外界物体的两幅图像,并基于视差的原理来获取外界物体的三维几何信息,复现外界物体的形状和位置。

目前已有很多方案实现在嵌入式平台上的图像采集。本文基于嵌入式的图像采集系统选择了意法半导体(ST)公司生产的STM32F103ZET6芯片为主控芯片,FIFO结构的AL422B芯片实现图像数据缓存,SD卡实现图像存储以及四线制电阻触摸屏实现外部控制[3]。实现通过OV7670双摄像头采集图像数据,经主芯片控制存储、显示[4]。
 


2 嵌入式主控芯片介绍

ARM Cortex-M 处理器是一系列定位于深度嵌入式开发应用设计的。STM32F103ZET6是由意法半导体(ST)公司生产的新一代Cortex-M3内核处理器,具有以下特点:

性能和能效:具有高性能和低动态能耗,在90nm基础上提供了12.5DMIPS/mW 的性能,Cortex-M3处理器确保对于同时需要低能耗和出色性能的应用不存在折衷。

丰富的连接:功能和性能的巧妙组合使基于Cortex-M3的设备可以有效处理多个I/O 通道和协议标准,如USB OTG(On-The-Go)[5]。
 


3 μC/OS-II操作系统介绍

μC/OS-II操作系统实时性有保障,延时可预测,代码可小到2K,完全可以满足设计需要。C/OS-II移植过程中只选择用户和系统两种模式。μC/OS-II包括任务调度、时间管理、内存管理、资源管理(信号量、邮箱、消息队列)四大部分,没有文件系统、网络接口、输入输出界面。它的移植只与4个文件相关:汇编文件(OS_CPU_A.ASM)、处理器相关C文件(OS_CPU.H、OS_CPU_C.C)和配置文件(OS_CFG.H)[6~7]。
 


4 系统硬件设计

系统采用ARM 处理器作为核心,负责对系统设备初始化、数据总线仲裁、承载操作系统运行;为了弥补图像传输过程中的时钟偏差和图像显示不流畅等缺点,采用AL422B图像缓存芯片;图像经主芯片控制将于液晶屏显示,并存贮于SD卡中。系统结构图如图1所示[8]。

 

4.1 核心器件选型

系统的核心ARM 处理器使用由意法半导体公司生产的新一代Cortex-M3内核的STM32F103ZET6,具有高性能和低动态能耗,带有FSMC 外设可以外挂NAND FLASH、SRAM等,支持代码从扩展的外部存储器中直接运行,而不需要首先调入内部SRAM,便于系统的数据传输[9]。

图像传感器采用Ommivision公司的OV7670 CMOS摄像头,较CCD 摄像头具有较高的性价比,具有标准的SCCB接口,兼容I2 C接口,其高灵敏度和自动画面控制功能满足检测系统的精度要求[10]。

4.2 检测电路设计

系统采用集成了A/D和DSP的图像传感器模块,通过SCCB总线,由STM32完成定义相应寄存器和初始化;通过寄存器可设置图像数据输出格式,系统选择RGB565格式输出,一个像素点占16位,而像素数据总线为D0-D7,因此用两个PCLK时钟周期分别输出高8位和低8位;

图2 图像传感器模块接口

XCLK是由CPLD 提供的输入时钟;VSYNC、HREF分别在每帧、每行开始和结束时电平发生跳变,供CPLD 判断[11]。图像传感器模块接口如图2所示。

4.3 数据缓存电路设计

数据缓存使用AverLogic公司推出的一个存储容量为393216字节×8位的FIFO存储芯片AL422B,其所有的寻址、刷新等操作都由集成在芯片内部的控制系统完成。数据缓存接口如图3所示,DO0-DO7是8位写出数据总线;DI0-DI7是8位写入数据总线;CE引脚为片选,OE为输出控制,WE是写操作控制;通过STM32的FSMC与外设连接。采用AL422B芯片对连续的数据流进行缓存,防止在进机和存储操作时丢失数据;数据集中起来进行进机和存储,避免了频繁的总线操作,减轻CPU的负担。

图3 数据缓存接口图

4.4 实时显示电路设计

系统的实时显示采用了ILI9325主控的2.4寸65536色TFT液晶屏,兼容系统需要的16位总线宽度的RGB格式图像,最高可显示320*240 分辨率;内部集成图像RAM,因而将其接入STM32的FSMC外设控制器,采用LCD8080i接口方式;CS为片选,RD、RW 分别为读写控制,RS是寄存器选择引脚,如图4所示[13]。
 


5 系统软件设计

STM32F103ZET6编程在Keil uVision4环境下通过C语言实现。系统的主流程如图5所示。

图5 系统的软件流程

5.1 文件OS_CPU.H的编写

1)μC/OS-II不使用C语言中的short、int、long等于处理器相关的数据类型,而是以移植性更强的整数数据类型代替,这样直观、便于移植。所以必须对操作系统和ARM体系结构的数据类型进行统一。

2)虽然ARM 处理器对堆栈向上及向下的两种增长模式都予以支持,但是通常系统仅支持堆栈从上往下长,并且是满递减堆栈,所以文件中定义堆栈增长方式的常量OS_STK_GROWTH的值应为1.

3)定义声明使能中断、结束中断、任务切换等函数。

5.2 文件OS_CPU.C的编写

1)任务堆栈初始化函数OSTaskStkInit()堆栈的概念在ARM 体系结构和系统移植中非常重要,是在ARM 处理器中利用有限的寄存器完成数据和状态记录的载体。在编写堆栈初始化函数OSTaskStkInit()之前,必须根据处理器的结构特点确定堆栈的结构,所以需要对ARM 体系结构有充分的认识。根据ARM 体系结构每种运行模式14个通用寄存器,有一个或两个状态寄存器,很容易该写出OSTaskStkInit()的代码。

TCB结构体中OSTCBStkPtr总是指向用户堆栈最高地址,该地址空间内存放用户堆栈长度,其上空间存放系统堆栈映像,即:用户堆栈空间大小=系统堆栈空间大小+1。

2)μC/OS-II分别使用OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()来开中断和开中断,可以直接在C语言编程中应用。

3)可以根据ARM特点和移植目标,增加应用函数。例如处理器模式转换函数、人物初始指令集函数、钩子函数等。

5.3 文件OS_CPU_A.ASM 的编写

这个文件采用汇编语言编写。完成了系统软中断的地址分配、相应的存储区域等,编写了任务级任务切换函数OS_TASK_SW()、中断级任务切换函数OSIntCtxSw()、启动最高优先级任务函数0SStartHighRdy()等函数。完成了C语言和机器硬件语言的对接。

6 结语

本文在基于STM32核心嵌入式μC/OS-II平台上利用的、双向的、可靠的、无重复的数据连接,加上Vxworks系统自身的实时性强和可靠性高等优点,该通信方式完全满

足某型车载武器系统的高速实时网络通信要求,在实际的操作使用中,取得了良好的效果。
 

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意法半导体/ST/STM

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