一種數(shù)字圖像采集報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的繁榮，現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用現(xiàn)代高科技技術(shù)手段，使用周界防盜報(bào)警系統(tǒng)，可以有效地防止不法人員通過(guò)圍墻進(jìn)入小區(qū)內(nèi)，對(duì)加強(qiáng)治安保衛(wèi)，消除事故隱患，防止犯罪發(fā)生，都有著不可替代的重要作用，是智能化小區(qū)步入現(xiàn)代化管理的重要標(biāo)志之一。紅外線報(bào)警系統(tǒng)是目前應(yīng)用較廣泛的一種報(bào)警技術(shù)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，大大提高了防盜的效率。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是只要在警戒區(qū)空間或非開(kāi)放時(shí)間探測(cè)到非法活動(dòng)人體，就可以立即啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。在廠區(qū)的圍墻上安裝多對(duì)紅外對(duì)射探頭，用人眼無(wú)法看見(jiàn)紅外光束在廠區(qū)的圍墻上形成嚴(yán)密的保護(hù)網(wǎng)，一旦有不法人員想通過(guò)圍墻翻入小區(qū)，就會(huì)立即觸發(fā)報(bào)警，并在報(bào)警主機(jī)上顯示出相應(yīng)的區(qū)域，保安人員可以迅速出動(dòng)來(lái)到事發(fā)地點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的嵌入式圖像采集系統(tǒng)是采用以ARM7為內(nèi)核的AT91SAM7S64-AI作為主控芯片，控制CMOS傳感OV6620進(jìn)行圖像采集，然后由AT91SAM7S64-AI控制先將圖像數(shù)據(jù)存放入AT45DB041D中，最后將圖像采集結(jié)果通過(guò)多種通信接口進(jìn)行傳輸，ARM7系列處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，內(nèi)核是0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線和馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，ARM7沒(méi)有MMU,ARM720T是MMU的 。

　　1 AT91SAM7S64的特點(diǎn)

　　AT91SAM7S64是Atmel公司的32位單片機(jī)，具有高性能、低功耗、全速USB2.0接口及豐富的外圍接口資源等特點(diǎn)，是連接PC、手機(jī)等外設(shè)應(yīng)用的理想芯片。AT91SAM7S64單片機(jī)采用納瓦技術(shù)符合業(yè)界對(duì)低功耗設(shè)計(jì)的要求。其工作電壓范圍為2.0 V～5.0 V之間。當(dāng)頻率為32 kHz、電壓為2.0 V時(shí)，工作電流典型值為8.5 A，當(dāng)頻率為1 MHz、電壓為2.0 V時(shí)，典型值為100 A。當(dāng)電壓為2.0 V時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)電流典型值為1。

　　2 硬件組成

　　圖像采集報(bào)警系統(tǒng)由紅外報(bào)警電路、電源電路、USB接口電路、OV6620圖像傳感器采集電路、CPU接口電路、CPU外部EEPROM等電路組成，如圖1所示。

　　2.1  處理器

　　該系統(tǒng)處理器采用Atmel公司的AT91SAMS64芯片，與其他系列的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電路相比，其外圍擴(kuò)展電路極少。報(bào)警系統(tǒng)中，與上位機(jī)的通信由USB完成，該處理器集成了USB設(shè)備的端口，使它成為連接外設(shè)的理想芯片，此外圖像采集需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，AT91SAM7S64有64 KB的高速Flash和16 KB的SRAM，但在OV6620圖像傳感器連續(xù)采集圖像并傳輸數(shù)據(jù)時(shí)明顯空間不充裕，紅外傳感器在采集到紅外感應(yīng)信號(hào)后經(jīng)紅外傳感處理器處理后，輸出信號(hào)，該信號(hào)由0 V～3.3 V的電壓跳變可直接連接CPU，AT91SAM7S64經(jīng)由通用輸入輸出口接收到信號(hào)跳變后，通過(guò)I2C與圖像傳感器OV6620進(jìn)行通信，獲取圖像，進(jìn)而把圖像通過(guò)8條并行接口回傳給CPU,并存入外接存儲(chǔ)器中。

　　2.2  紅外信號(hào)處理

　　BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。它能自動(dòng)快速開(kāi)啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門(mén)、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。

　　紅外信號(hào)處理部分采用BISS0001紅外信號(hào)傳感處理器，它是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐??？蓮V泛應(yīng)用于多種傳感器和延時(shí)控制器。BISS0001利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM（≈0.5 VDD）后，送到有比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH≈0.7 VDD、VL≈0.3 VDD，所以，當(dāng)VDD=5 V時(shí)，可有效地抑制±1 V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。在紅外報(bào)警電路中，當(dāng)紅外傳感器接收到信號(hào)后經(jīng)BISS0001處理后由BISS0001的引腳2輸出，在此芯片中由于信號(hào)輸出時(shí)測(cè)量其引腳為3.3 V故可將該引腳直接連接CPU。紅外信號(hào)傳感電路其電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

　　2.3  圖像傳感

　　OV6620需要5 V的穩(wěn)定電壓進(jìn)行供電，它是彩色/黑白圖像傳感器，通過(guò)I2C與CPU之間進(jìn)行通信，最高像素為352 ×288幀速率為26 fps，一幀2場(chǎng)，每秒約為50場(chǎng)，即每20 ms就有一幅圖像產(chǎn)生。它支持連續(xù)和隔行2種掃描方式，CIF和QCIF兩種圖像格式，數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，能夠滿足一般圖像采集的需求。OV6620內(nèi)部有50個(gè)可編程寄存器，通過(guò)AT91SAM7S64的TWI協(xié)議對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，以中斷方式同步圖像數(shù)據(jù)輸出OV6620的Y0～Y7通道輸出的8位并行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給CPU。

　　2.4  外存儲(chǔ)器

　　AT45DB041D是一款2.5 V或2.7 V、串行接口的Flash存儲(chǔ)器，是各種數(shù)字語(yǔ)音、圖像、程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的理想選擇。AT45DB041D支持RapidS串行接口，適用于要求高速操作的應(yīng)用。RapidS串行接口兼容SPI，最高頻率可達(dá)66 MHz。AT45DB041D的存儲(chǔ)容量為4 325 376位，組織形式為2 048頁(yè)，每頁(yè)256或264字節(jié)。除了主存儲(chǔ)器外，AT45DB041D還包含2個(gè)256/264字節(jié)的SRAM緩沖區(qū)。緩沖區(qū)允許在對(duì)主存儲(chǔ)器的頁(yè)面重新編程時(shí)接收數(shù)據(jù)，也可寫(xiě)入連續(xù)的數(shù)據(jù)串。通過(guò)獨(dú)立的“讀-改-寫(xiě)”3步操作，可以輕松實(shí)現(xiàn)EEPROM仿真（可設(shè)置成位或字節(jié)）。DataFlash通過(guò)RapidS串行接口順序訪問(wèn)數(shù)據(jù)，而不像傳統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器那樣通過(guò)復(fù)用總線和并行接口隨機(jī)存取。簡(jiǎn)單順序訪問(wèn)機(jī)制極大地減少了有效引腳的數(shù)量，有利于硬件布局，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，將切換噪音降至最小，為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的在系統(tǒng)重復(fù)編程，AT45DB041D并不需要高輸入電壓來(lái)支持編程。AT45DB041D工作在獨(dú)立的2.5 V～3.6 V或者2.7 V～3.6 V電壓下，用于編程和讀取操作。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1  系統(tǒng)軟件的總體流程

　　紅外方式數(shù)字圖像采集報(bào)警系統(tǒng)由紅外傳感器探測(cè)出信號(hào)跳變通知CPU，從而控制圖像傳感處理器。由于AT91SAM7S64有32個(gè)I/O服用端口故選取其中一個(gè)端口PA18作為紅外信號(hào)接收端口，在CPU中首先設(shè)置其為輸入端口上電后其端口為高電平當(dāng)紅外接收信號(hào)觸發(fā)時(shí)經(jīng)處理后是由低電平向高電平的跳變，在芯片初始化后可通過(guò)PIO控制器引腳數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器判斷PA18是否為0。若為0則控制OV6620，否則應(yīng)繼續(xù)判斷，直到端口為低電平為止，然后進(jìn)行通信并設(shè)置OV6620，當(dāng)其響應(yīng)后進(jìn)行圖像獲取，并把數(shù)據(jù)傳送給外存儲(chǔ)器。其系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。

　　3.2 圖像傳感處理

　　3.2.1  OV6620的寄存器設(shè)置

　　TWI的數(shù)據(jù)發(fā)送為單字節(jié)發(fā)送OV6620功能寄存器的地址是0x00～0x50，其中不少是保留寄存器通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可以使OV6620工作于不同模式，在TWI數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)由于從機(jī)地址與從機(jī)子地址的存在所以應(yīng)在TWI_MMR中寫(xiě)入從機(jī)地址并設(shè)置內(nèi)部地址長(zhǎng)度，在TWI_IADR中寫(xiě)入從機(jī)子地址，由于TWI_THR保存發(fā)送的數(shù)據(jù)為8位，故設(shè)置OV6620為低分辨率、曝光時(shí)間、自動(dòng)白平衡和設(shè)置幀時(shí)鐘周期，其控制程序如下：

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　　（const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x14，0x20）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x10，0x9A）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x24，0x33）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x25，0x97）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　　（const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x1，0x02）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte（ ）為控制設(shè)置寄存器函數(shù)，它的第1個(gè)參數(shù)是TWI的映射地址。在AT91SAM7S64中的宏定義地址為0Xfffb8000，OV6620_addr為宏定義的從機(jī)芯片地址0XC0《16,第3個(gè)參數(shù)為OV6620的內(nèi)部寄存器地址，第4個(gè)參數(shù)為相應(yīng)的寄存器設(shè)定的值。

　　3.2.2  OV6620的采集過(guò)程

　　OV6620有4個(gè)同步信號(hào)：VSYNC（垂直同步信號(hào)）、FODD（奇數(shù)場(chǎng)同步信號(hào)）、HREF（水平同步信號(hào)）、PCLK（像素同步信號(hào)）。當(dāng)采用連續(xù)掃描方式時(shí)，只使用VSYNC和HREF、PCLK 3個(gè)同步信號(hào)[5-6]。AT91SAM7S64的1個(gè)外部中斷引腳VSYNC信號(hào)的輸入，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序分別為VSYNC_IRQ（ ），HREF接AT91SAM7S64的普通I/O口。圖像采集的過(guò)程為：當(dāng)用TWI初始化0V6620后，使能VSYNC對(duì)應(yīng)的中斷，等待CPU讀取一幀的圖像在VSYNCIRQ（ ）中斷服務(wù)程序中判斷是否已取得一幀圖像數(shù)據(jù)。若不是，繼續(xù)等待知道完全傳送一幀圖像數(shù)據(jù)為止。

　　3.2.3  圖像提取過(guò)程

　　圖像提取的過(guò)程為：當(dāng)采集數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在外存儲(chǔ)器中，利用CPU取出數(shù)據(jù)，再傳輸給上位機(jī)。先對(duì)外存儲(chǔ)器進(jìn)行讀復(fù)位，使外存儲(chǔ)器的指針指向首地址，再根據(jù)OV6620所輸出RGB數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行讀取。其中，提取過(guò)程最重要的是OV6620所輸出RGB數(shù)據(jù)格式，它影響到提取圖像的準(zhǔn)確性。其數(shù)據(jù)格式如表1所示。

　　從表1中可以看出，第一行Y通道是無(wú)效數(shù)據(jù)應(yīng)該去除。從第二行開(kāi)始讀取，在一行之內(nèi)，B、R數(shù)據(jù)只在奇次項(xiàng)出現(xiàn)，G數(shù)據(jù)只在偶次項(xiàng)出現(xiàn)。而在每一行內(nèi)，偶數(shù)點(diǎn)的R數(shù)據(jù)、B數(shù)據(jù)可通過(guò)分別對(duì)其兩側(cè)的2個(gè)點(diǎn)的R和B數(shù)據(jù)求平均值得到。

　　4 軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與不足點(diǎn)

　　由于AT91SAM7S64 芯片的價(jià)格低廉，且在圖像采集過(guò)程中消耗MCU 的資源大，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中程序空間不足是設(shè)計(jì)的瓶頸，此外在紅外信號(hào)處理部分并不是無(wú)間斷的連續(xù)紅外感應(yīng)而是需要間隔一段時(shí)間，但是間隔的時(shí)間約為10s左右，在圖像傳感及處理部分，圖像的去噪堯黑線提取等只在設(shè)置寄存器中不斷試驗(yàn)從而達(dá)到最好的效果，并沒(méi)有在程序中自動(dòng)完成。AT91SAM7S64 和OV6620 攝像頭進(jìn)行圖像采集，以及將采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外存儲(chǔ)器、與普通的視頻采集卡相比，該嵌入式圖像采集系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期曰圖像數(shù)據(jù)的采集與處理均由ARM 芯片完成，因而降低了數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)過(guò)程中傳輸錯(cuò)誤的幾率，提高了系統(tǒng)的可靠性。