基于STM32F407与OV2640的图像采集系统的设计

杨才生，吴状肥，万国义

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

关键字：STM32F407；OV2640；嵌入式系统

引言

随着计算机技术的发展，嵌入式系统越来越多应用在各种微型控制系统中，如智能驾驶系统、机器人视觉系统、场景监控系统等，这些系统中大量使用摄像头，虽然市面上有很多摄像头可直接使用，但是具有个性化的摄像头还是需要用户自己设计和研究，比如要求摄像头嵌入到控制系统中、要求具有视频捕捉功能、要求具有图像识别、对象跟踪功能等。在智能驾驶系统中中的图像采集与处理技术，在汽车主动安全领域具有非常重要的意义。

1 系统结构与功能

一套完善的图像采集系统由硬件和软件两个部分组成，其中硬件部分主要包括微控制器、摄像头、图像存储设备等，软件部分主要用来驱动摄像头，并实现图像的传输、存储与处理等任务。

2 硬件设计

2.1 最小系统

（1）电源电路

电源电路用于给视觉系统提供功率需求，本设计要求电源模块能将24V车载电源转化成+5V和+3.3V两个级别，其中+5V给摄像头等模块供电，+3.3V给MCU供电。图1是24V转+5V的电路原理图：

图1 24伏转5伏电源电路

图1中，MURB1620CT用于防止电源反接，SMAJ36A通过吸收浪涌冲击实现对电路中的元器件的保护，LM2575S型调压器可输出高达3A的稳定电流，从而为摄像头等外设的工作提供了保证。

为了使STM32型微控制器正常运行，需要给其提供3.3V稳定的电压，图2所示为采用REG1117-3.3型集成三端稳压器实现+5V到+3.3V的转换：

图2 5伏转3.3伏电压

作为常用的降压型稳压器，REG1117-3.3可将 4.8～10V的输入电压稳定在+3.3V，且保证输出电流高达 800mA，完全满足图像采集系统微处理器的功耗需求。

（2）复位电路

STM32F407是低电平复位的，所设计的复位电路如图3所示，其中R13和C23构成了上电复位电路：

图3 复位电路

（3）JTAG调试接口

图4 JTAG调试接口

通过JTAG调试接口既可对STM32F407内部数据进行监测，又可实现 ISP（In-System Programmer，在系统编程），便于对微控制器的FLASH等器件进行编程。图4所示为本设计所采用的20引脚JTAG调试接口。

2.2 摄像头接口

STM32F407自带数字同步并行摄像头（DCMI）接口，该接口能够接收外部8～14位CMOS摄像头模块发出的像素数据流。STM32F407为OV2640型摄像头模块提供的接口如图5所示：

图5

在该接口中使用了微控制器的如下引脚资源：

DCMI（D[0:7]）：用于接 OV2640型摄像头模块的数据输出引脚；

DCMI_HSYNC：用于接OV2640型摄像头模块的水平同步信号引脚；

DCMI_VSYNC：用于接OV2640型摄像头模块的垂直同步信号引脚；

DCMI_PIXCLK：用于接 OV2640型摄像头模块的像素时钟信号引脚。

2.3 存储器接口

STM32F407自带的标准的SD卡接口使用4位SDIO接口驱动，最高通信速度可达 48Mhz（分频器旁路时）， 最高每秒可传输数据 24M字节，完全满足图像传输速度的要求，SD卡的接口电路如图6所示：

图6 SD卡接口电路

3 软件设计

3.1 摄像头驱动

OV2640的初始化

OV2640型摄像头模块的初始化包括以下几个方面的配置和操作：

（1）选择控制对象为图像传感器，通过向 RA_DLMT寄存器写入0x01实现；

（2）软复位OV2640，通过COM7寄存器写入0x80实现；

（3）设置图像参数，包括：输出模式，白平衡，亮度，对比度，特效，分辨率等。

图像格式控制

由于YUV422格式的图像直接读取其像素的Y分量即可获得该像素的灰度信息，因此驱动 OV2640时优先考虑YUV422格式图像数据的输出。OV2640输出YUV422格式图像数据需要依次通过以下配置实现：

（1）通过向RA_DLMT寄存器写0x00选择控制对象为摄像头模块内置DSP。

（2）通过 IMAGE_MODE寄存器切换摄像头模块的数据输出格式。

（3）通过CTRL0寄存器控制摄像头模块的使能。

3.2 图像的缓存

图像传感器采集到的像素数据缓存在 32位数据寄存器DCMI_DR中，然后通过DMA传输至外部存储设备。STM32F407的直接存储器访问DMA可以在无需任何CPU操作的情况下通过DMA快速移动数据实现外设与存储器之间的高速数据传输，这样节省的CPU资源可供其它操作使用。

在本设计中，DCMI每次触发DMA请求时DMA仲裁器根据当前请求的优先级启动图像数据流从 DCMI_DR到FIFO的传输。当图像数据量达到FIFO的阈值时，FIFO中缓存的图像数据被转移至外部SRAM中。当数据流项数寄存器达到零时DCMI请求DMA终止当前的数据传输事务。

3.3 SD卡的驱动

为了实现大量图像数据的存储，图像缓冲区中的像素数据要被及时转移至SD卡中，使用SD卡进行图像存储主要通过以下函数来实现：

//写SD卡

//buf:写数据缓存区

//sector:扇区地址

//cnt:扇区个数

//返回值，错误状态，0，正常，其它，错误

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 结束语

本文基于STM32F407型微处理器和OV2640型摄像头加SD卡的设计方案不仅成本低廉，而且功能齐全，整体效果较好，硬件平台设备较为成熟。在软件方面，程序流程严谨，逻辑严密，而且驱动程序较为完善，各个模块之间不存在耦合性，系统运行稳 定、可靠。