基于STM32的线阵CCD图像采集系统

基于STM32的空间实验图像采集与显示系统的研究与设计作者：杨芳来源：《科技风》2021年第04期摘要：随着未来中国空间站的建成，后续太空教学活动与搭载项目的日益增多，对实验过程进行图像采集处理显得至关重要。

本文采用OV2640摄像头，通过STM32微控制器进行数据的传输与处理，并将实验图像实时显示在液晶屏上，为空间教育类实验提供适应性广、接口统一的实验平台。

关键词：空间站;教育实验;图像采集随着未来中国空间站的建成，空间站公共实验柜也将为全球科学爱好者开放空间实验资源。

微重力、高真空等独特的太空环境对青少年学生具有特殊的吸引力，随着后续太空教学活动与搭载项目的日益增多，对实验过程进行图像采集处理显得至关重要。

本文的核心在于采用OV2640摄像头采集实验图像，并通过微控制器进行数据处理，为空间教育类实验提供适应性广、接口统一的实验平台。

一、空间教育类实验概述[1]2000—2016年的16年间，“国际空间站”主导开展了大量的太空教学与青少年实验搭载活动。

其中，较为典型的项目如CSI系列“太空生物课”教学活动、Nanorack系列“青少年创意太空实验”活动。

自2007年起，CSI系列教学活动利用国际空间站商业生物实验平台开展了大量的太空教学活动，持续进行了包括种子萌发、线虫培养、植物生长、蝴蝶行为研究等教育类实验，激发了学生对科学的探索欲望和学习热情。

近十年来，我国在青少年太空教学与太空实验搭载方面同样开展了大量工作，成果显著。

2013年6月，在神舟十号执行任务期间，我国首次太空授课活动成功举行，在距离地球表面340千米左右的近地轨道上，女航天员王亚平担任主讲，为全国8万所学校的6000余万师生带来了一堂生动有趣的物理实验课。

二、空间教学实验平台基于空间实验柜的空间教学实验平台，能够满足青少年学生的个性化要求，能够支持各种太空教育类实验，如生物、化学、物理等，同时满足不同规格的标准化实验装置。

实验平台综控系统完成实验过程的无人化控制，实验数据的自动读取、存储，并统一向数据库转发实验数据等操作。

基于STM32F417的图像采集系统设计实现视频图像采集处理系统广泛应用于工业控制、工业检测、医学、机器视觉等领域，并且视频通信是3G时代多媒体应用的重要部分，日常生活中所见到的数码相机、可视电话、电话会议等产品，实时图像采集是其最核心的技术。

图像采集的速度与质量直接影响产品的整体效果。

大多数嵌入式图像采集系统都是基于DSP、ARM技术，一些系统比较复杂、成本高、实时图像处理比较困难。

本文所设计的基于STM32F417的图像采集系统具有采集图像质量无损、实时性好、功耗低、成本低等优势，适合在对信息采集的实时性和图像质量方面有较高要求的系统中应用。

1 系统硬件平台图像采集系统主要由STM32F417微处理器、CMOS摄像头、帧缓存器、SD卡、LCD液晶屏及其他外设组成。

图像采集系统整体框图如图1所示。

1．1 核心微控制器嵌入式微处理器以其高性能、低功耗等优势成为便携式系统的最佳选择。

ST公司开发的STM32F417是基于ARM Cortex-M4内核的32位闪存微控制器。

其主频为168 MHz，在此工作频率下其处理性能可达210 MIPS，且电流消耗仅为38．6 mA；支持多种低功耗工作模式；内部集成DSP和FPU指令，具备高性能的信号处理和浮点运算能力；同时带一个8～14位并行照相机接口。

此外，STM32F417片上集成1 MB的Flash和196 KB的SRAM。

采用STM32F417作为图像采集系统的控制核心，将大大提高系统的性能，降低功耗和成本。

1．2 CMOS摄像头CMOS摄像头选用OmniVision公司的OV7670。

其内嵌一个10位A／D转换器，可输出8位RGB／YCbCr／YUV格式的图像数据，最高帧频可达30帧／s，最大图像分辨率为640480，供电电压为3．3 V。

O7670带有标准SCCB总线接口，并兼容I2C总线接口。

1．3 帧缓存器选用美国AverlogICTechnologies公司的大容量AL422B作为采样处理的共享数据RAM。

0 引言实现星敏感器白天对恒星的探测是实现天文导航系统的全天候工作的关键[1]。

由于受到大气层以及白天强烈天空背景辐射的影响,基于APS CMOS的星敏感器实现在白天对恒星的探测非常困难[2][3]。

由于CCD图像传感器与APS CMOS相比在灵敏度和抗噪声干扰方面都具有明显的优势,研究基于CCD的星敏感器是否可以实现白天对恒星的探测是完成天文导航系统的关键[4]。

成像系统是星敏感器最主要的组成部分[5]。

本文设计的以STM32F103作为主控制器的CCD成像系统电路结构简单,不需要额外的AD转换模块就可实现将CCD采集到的信号由模拟信号转换为数字信号发送出去的功能。

1 系统结构整个成像系统由软件和硬件组成,硬件主要由STM32控制模块、CCD成像模块、电源转换模块三部分组成,如图1所示。

图像传感器将感应的光线通过STM32F103自带的A\D转换为数字信号传输给数据处理模块。

电源模块提供CCD各个管脚需要的电压以及为STM32提供驱动电压,通过调节STM32F103输出的频率的大小可将CCD图像传感器的性能调节到最优状态。

2 硬件电路设计2.1 CCD成像模块有关天文资料表明,很多恒星的光谱峰值波长都集中在0.7μm～0.9μm之间,本文选择峰值波长在0.6μm～0.9μm之间的G11135-512DE。

由单片机将CLK1、CLK2需要的频率以PWM波的形式发送给CCD;将CCD的12、20、22管脚分别连接到单片机AD转换模块相应的管脚。

2.2 STM32控制模块将STM32F103的最小系统设计出来后,再分别将其AD转换功能及PWM频率输出功能需要的外围电路设计出来完成对CCD的连接即可。

2.3 电源模块CCD图像传感器需要的电压种类较多,有1.2V,4V,5V,STM32F103需要的电压为3.3V。

由5V电源供电,要完成5V/4V,5V/3.3V,5V/1.2V的转换。

3 软件设计软件包括两部分:PWM波输出CCD需要的频率和AD采集将CCD采集到的模拟量转换成数字信号输出,流程如图2示。

基于STM32的图像采集与显示系统工程实训收稿日期：2018-03-22基金项目：杭州电子科技大学2016年度高等教育研究课题《以提高学生实践能力为目标的<嵌入式系统>课程教学模式的探索与实践研究》。

浙江省高等教育教学改革项目（项目编号：jg20160059）基于OBE 及形成性评价的测控技术与仪器专业工程教育模式研究一、引言嵌入式系统工程实训是本学院仪器仪表类专业大学生本科期间必修的一门专业实训课程，其目标是为了让同学们更加熟练地掌握嵌入式系统的实践操作，从而更好地将专业课知识和基本实践操作结合。

国内现在普遍将嵌入式系统定义为以实际应用为核心，计算机技术为基础，软件和硬件具备可移植性，符合系统对费用、尺寸、可靠性、性能高标准的计算机系统。

通常来说，嵌入式系统是一个将控制程序存储在ROM 中的嵌入式处理器控制板。

近些年，微型电子技术和集成电路技术发展迅速，这使得基于嵌入式系统的图像获取与处理方案越来越多。

STM32F103，一款基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，它的时钟频率最为72MHz ，具备耗能低、功能多、体积小、可靠性高等优点。

OV7670，美国OV 公司出的一款（CMOS ）图像传感器，其像素为30万，通过串行摄像头控制总线（SCCB ）进行控制，输出为并行的8位图像数据。

本次嵌入式系统工程实训将STM32F103ZET6微控制器作为主控处理芯片，将OV7670作为图像采集模块，将TFT-LCD 作为图像显示模块，设计图像采集显示系统，并增加按键功能，使采集到的图片可调节光照模式、饱和度、亮度以及对比度。

二、系统总体方案本系统主要分为STM32F103ZET6微控制器模块、OV7670图像采集模块、TFT-LCD 图像显示模块。

主要工作原理为：STM32F103ZET6通过对OV7670寄存器的读写来控制每一帧图像的采集，通过对TFT-LCD 寄存器的读写控制每一帧图像的显示。

基于TMS320C6711的线阵CCD采集与处理系统基于TMS320C6711的线阵CCD采集与处理系统摘要：一种基于DSP的CCD采集与处理系统。

在该系统中DSP （TMS320C6711）进行高速、大数据量的数字信号处理、MCU （89C52）完成人机界面处理。

文中给出该系统在生物医学工程中的应用：静止悬浮式激光散射法血细胞分类计数仪中光电信号的采集和处理。

将该系统做适当修改，同样也可适用于其它光电信号的采集处理。

关键词：TMS320C6711CCD89C52数据采集数据处理引言TMS320C6711是TI公司推出的DSP芯片。

其数据处理功能非常强大，时钟速度可大100M（或者150M），但是其I/O功能要求有限。

因此，采用MCU（89C52）作为人机接口，构成双CPU（MCU 和DSP）系统。

1系统构成本文所介绍的CCD采集系统是在32位浮点DSP（TMS320C6711）上实现的。

如图1所示：单片机89C52负责接受键盘输入，并在液晶显示器上显示处理的结果信息；CCD在光点转换后的数据通过A/D转换器后在异步FIFO中缓存；DSP是系统的信息处理中心，它读取FIFO中的数据后经过处理，将结果传给89C52，由液晶显示器显示信息。

DSP（TMS320C6711）是整个硬件系统的信号处理中心。

它接受CCD传来的采集信号，加以处理并将结果传给单片机。

DSP还完成对Flash和SDRAM的控制。

MCU（89C52）主要充当人机界面的角色，接受外部键盘的输入，将DSP传输未来的结果用数据和图文的形式在液晶显示器上显示出来。

*8KB的可编程FlashMemory；*可以写/擦1000次以上；*内置256×8位RAM；*32个可编程I/O口。

图3信号双向缓冲器隔离图由于DSP计算能力很强，但I/O控制能力有限，因此89C52的以上性能可以保障系统控制能力，提供人机接口之便。

CCD（TCD132D）是一种新型的固体成像器件。

基于线阵CCD传感器的图像采集系统设计吴德君【摘要】本图像采集系统采用高灵敏线阵CCD传感器,以DSP芯片TMS32OF2812作为图像处理器,能迅速采集现场信息送回处理器作出相应处理.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】2页(P67-68)【关键词】线阵CCD;CPLD;图像采集系统【作者】吴德君【作者单位】陕西国防工业职业技术学院,陕西,西安,710300【正文语种】中文【中图分类】TP391.41本设计采用线阵CCD传感器采集图像信息，结合实际应用需要，以TI公司的TMS 320 F2812 DSP作为图像处理器，控制视频信息的读入并对其进行处理，将此系统可应用于目标跟踪系统对物体的采集与识别中。

1 图像采集系统构成系统主要由线阵CCD、复杂可编程逻辑器件CPLD及DSP等部分组成。

CCD采用Toshiba的TCD1703C，CPLD采用Altera公司MAX7000系列EPM7064芯片。

物体经物镜成像在线阵CCD光敏元件阵列上，基于CPLD的CCD驱动电路发出信号，CCD完成一次扫描。

CCD输出的电信号经低通滤波器滤波再进行放大，按照应用系统对图像分辨率的要求由A/D转换电路进行数字化处理后再传入存储器，经TMS320F2812读取存储器数据，将处理结果送入主控制器。

系统构成原理图如图1所示。

图1 图像采集系统构成框图2 CCD传感器外围电路设计2.1 线阵CCD传感器选用系统采用TCD1703C线阵CCD作为图像传感器。

TCD1703C是日本TOSHIBA公司生产的线阵CCD图像传感器芯片，具有灵敏度高、暗电流低的特点。

该芯片有7 500个像元，像元尺寸及间距为7 μm×7 μm；工作电压为单一的5 V，为二相输出的线阵CCD器件。

TCD1703C输出端OS输出的视频信号具有负极性、含周期性复位脉冲串扰以及有效信号幅值较小的特点。

其特点决定了它不能够直接送入机器人主控制器进行软件处理，必须先从硬件上对其进行量化处理。

基于STM32的便携式线阵CCD测量系统设计
刘珍珍;汪涛;郑雪丽
【期刊名称】《微型机与应用》
【年(卷),期】2016(035)011
【摘要】为了提高电荷耦合器件(CCD)一维尺度非接触测量系统的集成性和便携程度,设计了以STM32为核心的测量系统.使用3.7 V锂电池供电,用STM32产生线阵CCD驱动信号,内嵌边缘检测算法并设计了LCD液晶触摸屏操作界面,实现了一款高精度便携式非接触测量仪.系统功能完整、操作方便、可靠性高.
【总页数】4页(P97-100)
【作者】刘珍珍;汪涛;郑雪丽
【作者单位】重庆大学物理学院,重庆401331;重庆大学物理学院,重庆401331;重庆大学物理学院,重庆401331
【正文语种】中文
【中图分类】TP216
【相关文献】
1.基于STM32驱动线阵CCD的矿浆粒度检测系统设计 [J], 刘玉娟;郝成;刘旭;吕晶
2.基于STM32驱动线阵CCD的矿浆粒度检测系统设计 [J], 刘玉娟; 郝成; 刘旭; 吕晶
3.基于STM32和FreeRTOS的便携式多功能测距系统设计 [J], 马全海;李显鹏;刘宇程;魏嘉宁
4.基于STM32的便携式追日发电系统设计 [J], 罗嘉良;周建华;盘姿君;商凯源
5.基于STM32的复合便携式车辆应急启动电源的系统设计 [J], 杨忠亮;林龙福;李晓波;林海;佘楚云;吴杰
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。