基于UCOSIII 的嵌入式无线照片采集系统设计

夏祥祥

（菏泽学院 机电工程学院，山东 菏泽274015）

1 概述

照片采集已经成为人们生活中必不可少的一部分, 传统基于单片机裸机的照片采集系统实时性不强，使用体验效果较差[1]，早已不能满足人们多功能、高画质的需求，现阶段均采用嵌入式及数字信号处理技术完成[2]。本设计以STM32 为核心，嵌入UCOSIII 操作系统和STemWin 图形用户界面设计，开发体验效果好、低成本的嵌入式无线照片采集系统[3]。在银行、政务大厅采集用户照片后，需要工作人员进行审核才能进行下一步操作，这些交互式的照片采集场合可以作为部分应用场景。

2 系统总体方案设计

系统以STM32 为核心，辅以摄像头、TFTLCD、WIFI 等必要模块，完成照片的拍摄、存储、显示、远传等功能，系统总体框架如图1 所示。STM32 核心控制器嵌有UCOSIII 系统和STemWin操作界面，控制OV7670 摄像头采集照片并在本地TFTLCD 上显示，利用FAT 文件系统将照片保存在TF 卡中；同时通过ESP8266 无线WIFI 技术将照片信息发送至手机或PAD，方便工作人员查看信息。UCOSIII 操作系统的使用可提高系统的实时性，StemWin 技术使操作界面美观友好，提高人机体验效果。由于系统运行数据量较大，STM32 自带的存储区域有限，需要外扩SRAM和Flash，LED、按键等辅助硬件用于系统运行指示和用户交互。

图1 系统设计原理框图

3 系统硬件电路设计

3.1 照片采集模块电路设计

照片采集模块采用OV7670 摄像头，照片数据经图像缓存器件AL422B 缓冲后再送给微控制单元，可大大减少对采集速度的要求[4]，电路原理如图2 所示。STM32 的PC6 和PC4 管脚模拟IIC 时序，通过SCCB 总线对SIOD、SIOC 引脚进行模式设置。由于使用的3.0 寸R61509VN 电阻式触摸屏像素为240*400，可设置OV7670 输出QVGA（图像尺寸每行320 个像素，共240 行）、RGB565 格式，此时FIFO（first in first out）图像缓冲器可存储2 帧QVGA 图片。

图2 OV7670 电路原理图

3.2 TF 卡电路设计

摄像头采集的照片保存在TF 卡中，TF 卡小巧便携，作为外扩存储设备得到了广泛应用。TF 卡使用SPI 驱动模式，控制器的PB13、PB14、PB15 管脚配置为SPI2 模式进行数据读写，如图3 所。TF 卡属于大容量存储器，需搭配FAT 文件系统，利用FAT文件系统进行照片文件的创建、数据读写、文件信息查看等功能，FAT 文件系统免费开源，专门为小型嵌入式系统设计，容易移植和使用，使我们可以更为方便高效地组织数据[5]。

3.3 WIFI 电路设计

随着移动互联技术的发展，越来越多的设备要求具有无线通讯功能，免布线安装方便。ESP8266 是比较成熟的WIFI 解决方案。本设计ESP8266 工作于AP 模式，即ESP8266 作为热点，手机或PAD 通过WIFI 直接与模块通信，实现局域网无线控制，如图4 所示。图中PA3、PA2 引脚连接控制器的UART2（串行通信2），控制器通过UART2 将数据传输给ESP8266，经过终端天线将数据发送给手机或PAD 端。PE6、PG7 引脚分别为ESP8266的复位和使能端，串口型WIFI 仅需4 根线控制，虽然速度比较低，但能够满足几千字节内的数据传输，完全能够满足照片传输要求。

图3 TF 卡电路原理图

图4 WIFI 电路原理图

4 嵌入式系统软件设计

早期单片机程序不带实时操作系统（RTOS），采用一个死循环和若干个中断服务程序的方式[7]，该模式开发工作量大，当功能复杂时系统实时性不好。本系统使用UCOSIII 操作系统，通过系统内核进行多任务管理，大大提高系统实时响应速度。将拍照功能划分为5 个任务，每个任务负责实现其中的一部分功能，各任务详细功能如下：

开始任务：用于创建其他任务，创建完成后就挂起自身。

LED1 任务：系统正常工作指示灯，每400 毫秒闪烁一次，指示系统正常运行。

TFT 触摸任务：支持TFTLCD 的触摸屏任务，会在触摸的位置显示箭头。

触摸屏按键扫描任务：扫描触摸屏上的按钮，并执行相应的功能。

实体按键扫描任务：扫描4 个实体按键，进行拍照、保存、浏览等功能。

5 实验结果与分析

采用STM32F103ZET6 进行实验，系统时钟工作频率为72MHz。采集的照片能够实现本地显示与保存，也能通过按键进行浏览查看，效果如图5 所示。理论上，OV7670 输出VGA 格式图像时可达30 帧/秒，由于TFTLCD 是慢速显示设备，实际显示速率约为12 帧/秒。该系统仅适用于对采集时间要求不高的照像场合，不能用于视频监控。如想提高存储速率，TF 卡可以采用SDIO 驱动，无线通信也可换成并口型WIFI。UCOSIII 没有任务数目限制，利用该技术开发的嵌入式无线照片采集系统可以扩展更多复杂的任务，后期维护方便。

图5 系统调试效果图