基于STM32人員定位檢測硬件系統設計

天津職業技術師范大學工程實訓中心 戴健雄 王自有 劉衛華

0 引言

目前市場上室內檢測人員的熱釋電傳感器只能探測或感應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過（自動門和紅外放到就是運用了這個原理）。因此運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行有人判定。隨著電子技術的發展和電路集成度及工藝的提高，基于嵌入式系統的圖像采集處理平臺的開發日益增多，它具有成本低廉、結構緊湊、功耗低的優點。STM32為ST公司生產的基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，主頻72MHz。OV7670是Omni Vision公司生產的一款1/6寸、有效像素30萬的互補金屬氧化物半導體(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)進行控制，輸出并行的8位圖像數據，VGA圖像輸出最高可達30幀/s。

1 系統總體構成

本設計以室內檢測人員為應用背景設計，因此考慮便于實現把系統劃分由微處理器單元、圖像采集設備、圖像顯示設備組成。其中STM32微控制器是整個系統的核心單元，負責圖像數據的處理和各單元模塊的控制等；OV7670圖像傳感器為檢測元件，負責室內圖像數據的采集；由于圖像傳感器的時鐘達24MHz，通過STM32的IO口來直接讀取采集數據比較困難，容易造成數據丟失，且對CPU會造成較大的負擔，所以使用 AL422B作為先入先出(FIFO)，當一幀圖像緩存完后，STM32才將這一幀圖像寫入顯存或暫存到內存中。2.8寸320×240分辨率的TFTLCD實現圖像顯示和數據處理結果，由于一幀RGB565格式(320×240)尺寸的圖像達150 KB，而STM32的內部SRAM只有64 KB，故外擴1MB的SRAM實現圖像處理。如圖1所示。

圖1 STM32人員定位檢測系統框圖

2 主要硬件電路設計

2.1 攝像頭接口設計

本系統使用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位影像數據。因為OV7670的像素時鐘（PCLK）最高可達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的數據，而是單片機通過讀取FIFO暫存數據實現OV7670的圖像采集功能，FIFO芯片的容量是384K字節，足夠存儲2幀QVGA的圖像數據。OV7670圖像采集電路通過一個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

本設計采用SCCB來實現對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、寫數據時配置為推挽輸出,連接OV7670的OV_SDA管腳，然后根據 SCCB時序圖來編寫驅動程序。寫操作：起始信號→器件地址(0x42)→Ack→寄存器地址→Ack→寫入數據→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→讀出數據→No Ack→停止信號。

本文采用一個外部中斷，來捕捉幀同步信號（VSYNC），然后在中斷里面啟動 OV7670的圖像數據存儲，等待下一次VSHNC信號到來，我們就關閉數據存儲，然后一幀數據就存儲完成了，在主函數里面就可以對這一幀圖像數據處理（如送到LCD顯示），同時開始第二幀數據的存儲與處理，如此循環，實現攝像頭功能。

圖3 TFT接口

2.2 TFT接口設計

Stm32與TFT液晶模塊連接時，僅需將該電路考慮成一個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，本系統中LCD_BL(背光控制)對應PB0,LCD_CS對應PG12即 FSMC_NE4，LCD _RS對應PG0即FSMC_A10，LCD _WR對應PD5即FSMC_NWE，LCD _RD 對應PD4即FSMC_NOE，LCD _D[15:0]則直接連接在FSMC_D15～FSMC_D0，這些連接直接關系到軟件初始化時相關寄存器地址設置。

3 軟件設計

3.1 底層驅動設計

本系統的軟件設計在查閱攝像頭及LCD等模塊控制時序的基礎上, 對模塊進行驅動代碼編寫。系統使用一個外部中斷來捕捉圖像場幀同步信號(VSYNC)，幀中斷時啟動圖像數據幀緩存，待到數據存儲同時將這幀數據讀出并在LCD上進行顯示，完成后清除幀標志等待下一幀圖像的處理，如此循環。

圖4 測試畫面

3.2 軟件代碼功能設計

視頻中的運動目標只有在連續的變化圖像數據中才能體現出來，故運動目標檢測過程其實就是在連續圖像序列中尋找差異，并將其特征提取出來。主要圖像處理：提取視頻圖像轉灰度；圖像處理；圖像分割；提取相關數據。

3.3 系統測試

系統利用STM32平臺上實現了OV7670圖像傳感器采集教室場景圖像并圖像數據顯示到TFT LCD上，同時具有抓拍功能。測試過程中，圖像畫面顯示流暢準確，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據但是不影響檢測。LCD畫面如圖6所示。由圖4的圖像數據，經過單片機對圖像數據進行分割成（以分割成3X3為例）數據從串口發出至上位機，數據如下：0，0，76，9，123，499，0，0，15。其代表：第一行區域數據:0，0，76；第二行區域數據:9，123，499；第三行區域數據:0，0，15。

4 結束語

本文設計的基于STM32和OV7670的圖像采集與顯示系統能實時采集并顯示現場圖像，同時實現教室人員檢測功能。該系統具有低成本、低功耗、小體積等優點，可方便地應用到圖像處理與數據融合控制等項目中，同時，本系統在教室特定的場所取得很好的效果，為后續的圖像處理和識別打下基礎。系統整體不完善的地方還有很多，在今后的研究中，繼續改進圖像算法。