第8期2018年4月No.8April，2018无线互联科技Wireless Internet Technology
液位检测是指用一定的方法对液体的高度进行测量，
被广泛应用于日常生产生活的诸多方面[1-2]。现有的液位检
测手段按其检测方式大致可以分为接触式和非接触式两
种。非接触式液位计主要通过超声波、雷达技术、红外线、
激光等测量手段来进行测量，优点在于测量精度高，尤其适
用于易燃易爆及腐蚀性液体的液位测量，但其对检测环境
的要求较高，且成本高、通用性低、维护麻烦，并未广泛应
用在实际测量中。基于图像处理技术的液位检测系统具有
非接触性、测量精度高、抗干扰性强、成本低、操作方便等
优点。论文设计了采用S3C2440处理器和CMOS图像传感器
的液位测量系统硬件部分，采用ARM9处理器S3C2440搭建
嵌入式系统平台，研究了OV9650驱动的实现过程和开发方
法，并利用平台驱动CMOS图像传感器OV9650达到获取图
像信息的目的。
1 图像采集系统硬件选择1.1 S3C2440处理器
S3C2440芯片具有MMU虚拟内存管理，独立的16 K指
令缓存和16 K数据缓存，支持DSP指令集，支持数据Cache和
质量Cache，LCD控制器，NAND控制器，3通道UART，4通
道DMA，4路带脉宽调制的定时器，I/O端口，具有日历功能
的RTC，8路10位ADC和触摸屏接口，IIC总线接口，IIS总线
接口，USB主机，USB从机，SD卡座和多媒体卡接口，2路SPI
和同步时钟发生器。1.2 存储器
系统的存储空间按其作用可分为程序运行空间与程序
存储空间。为保障程序代码存储器数据在电源正常关闭或
意外瞬间断电等系统掉电情况下不丢失，该系统采用了Flash
芯片作为程序存储器。考虑到程序运行的效率和速度，选用
程序运行空间的运行速度快的SDRAM芯片作为程序运行存
储空间。1.3 CMOS图像传感器
论文采用的是Omnivision公司的OV9650图像传感器。该传感器具有130万像素，包含一个1 300×1 028大小的图像
处理阵列一个模拟处理器和8位A/D转换器。每个有源像素
传感单元都可被单独选址和读出，并且都具有自己的缓冲
放大器。传感器信号要经过放大器放大后才能达到A/D转
换器所需的电压值，经过转换后的模拟电压以数字量的形
式输出。
2 硬件工作原理与电路设计2.1 CPU模块
S3C2440支持从Nandflash启动和从Norflash启动两种模
式，其中Nandflash启动模式下各片选的存储空间分配是不
同的。S3C2440的时钟控制逻辑可以产生FCLK，HCLK和
PCLK 3种时钟信号分别用作CPU时钟、系统总线时钟和外
围总线时钟。如图1所示，S3C2440的中断源是由外设的内部
单元产生，如5个定时器、9个UARTs、2个ADC等共60个中
断源，可发送中断请求供中断控制器接收。S3C2440存在源
等待寄存器（SRCPND）与中断等待寄存器（INTPND）两个
中断等待寄存器，当中断控制器接收到中断请求时，源等待
寄存器和中断等待寄存器的中断源对应位将会被置1。
如图2所示，S3C2440的CAMIF单元由7部分组成：图形多
路选择器、捕获单元、预览缩放器、编码缩放器、预览DMA、
编码DMA、特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）。CAMIF单元的最大输入尺寸为4 096×4 096像素，视
频格式是ITU-RBT.601/656 YCbCr 8位标准格式。CAMIF单元存在两个缩放器用于接收经图像传感器采
集及捕获单元处理后的数据，即预览缩放器和编码缩放器，
前者生成比RGB格式的图像，这种图像比直接获取的图像更
小，此缩放器连接一路DMA通道为预览通道；后者可以产
生编码的图像，如YcbCr4∶2∶0等，编码缩放器连接的DMA
通道是编码通道。预览通道与编码通道均连接在AHB总线
上。捕获图像、设置图像格式等功能的实现需要对特殊功能
寄存器进行设置，具体设置方式如下。
作者简介：张伟（1985— ），男，北京人，讲师，博士；研究方向：机械连接结构设计。基于图像的液位检测系统硬件设计
张 伟1，王郅佶2
（1.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连第八中学，辽宁 大连 116021）
摘 要：液位的测量遍及生产生活的各个领域，传统的液位检测手段存在检测精度低、成本高、适用范围有限等缺点。文章
设计了采用S3C2440处理器和CMOS图像传感器的液位测量系统的硬件部分，研究了OV9650驱动的实现过程和开发方法，说明了图像采集系统硬件工作原理与电路设计，完成了对图像传感器的驱动并实现了图像采集功能。关键词：液位检测；CMOS图像传感器；S3C2440第8期2018年4月No.8April，2018
2.1.1 设置时钟频率
CAMIF的输出时钟频率由时钟分割寄存器中的
CAMCLK_SEL和CAMDIVN决定。当CAMCLK_SEL为1
时，输出频率与UPLL的关系由如下等式决定：CAMCLKOUT=UPLL/[(CAMCLK_DIV)*2]
OV9650传感器的输入时钟为24 MHz，UPLL为
48 MHz。所以需将CAMCLK_DIV置0。代入公式可得
CAMCLKOUT=24 MHz。
2.1.2 捕获图像
图像捕获命令是由图像捕获使能寄存器CIIMGCPT产
生，需在其他寄存器设置好之后再定义此寄存器的设置。若
需要同时捕获编码通道和预览通道的数据，可将全局捕获
使能控制位，即CIIMGCPT中的ImgCptEn位设置为1；若需
要单独捕获编码通道或预览通道的一个数据，则可以通过
设置ImgCptEn_CoSc和ImgCptEn_PrSc来实现。
在CAMIF开始捕获图像后，IRQ中断请求由进行图像
捕获的DMA通道在每一个帧同步信号CAMVSYNC的下降
沿发出，在处理器中进行中断处理。可以通过向编码或预览DMA通道控制寄存器的相应位写1来结束图像捕获。
2.1.3 图像格式的设定
为了提高接收到的图像数据的准确率，传感器接收图像
格式要与输入图像格式保证相互匹配，所以CAMIF单元必
须设定接收图像格式。源帧寄存器CISRCFMT是用来确定
源垂直/水平像素数及接收图像的模式分辨率等信息的。通
过设置窗口选择寄存器CIWSOFST，可以把采集到的原始图像的中间部分保留成更低分辨率的图像。首先打开窗口偏移
功能，将CIWSOFST[32]的WinOfsEn置1。图像两侧对中心
的偏移量是通过CIWSOFST[26∶16]来设置；图像上下对中
心的偏移量通过CIWSOFST[10∶0]来确定。经过裁剪的图
像的像素大小为：剪裁后垂直像素值=接收图像的垂直像素
值－2×WinVorOfst；剪裁后水平像素值=接收图像的水平像
素值－2×WinHorOfst。S3C2440 RISC微处理器可以支持一个多主控IIC总线串
行接口。IIC总线的总线主控和外设之间的信息传输由一条双
向的专用串行数据线（Serial Data Line，SDA）和一条双向的
专用串行时钟线（ Safety Check List，SCL）传递连接。在多
主控IIC总线模式中，串行数据可在多个S3C2440 RISC微处
理器与设备之间双向传输。主机S3C2440启动和结束数据传
输的功能可通过使用标准总线仲裁步骤的IIC总线来实现。S3C2440具有130个管脚，可以分为8类多功能输入/输出
端口（GPA~GPJ）。为满足不同的系统配置和性能设计需求，
每个端口都可以简单地由软件配置。需要注意的是，在主程
序未开设时定义完所需的每个引脚的功能，若引脚的复用功
能未使用可将此引脚配置为I/O口。2.2 电源和晶振
系统的电源部分主要分为两块：从外部引入的5V直流电
源为整个系统电路提供的电源是系统总电源；主要为处理器、
存储器、周边设备等提供所需的工作电压是各模块供电源。
总电源可以直接对连接在LCD和USHosts等接口上的
设备供电，也可以通过低压差线性稳压器（Low Dropout 无线互联科技·设计分析图1 中断处理框
图2 CAMIF系统框第8期2018年4月No.8April，2018
Regulator，LDO）芯片将其转成较低的电压对其他模块供
电。选用National公司生产的LM1117芯片作为系统的低压差
线性稳压器。
不同的模块如处理器和存储器，周边设备、图像传感器
等所需的工作电压大小和数量不同，需要各模块供电电源提
供。为保证处理器和存储器运行的稳定性，供电方式其采取
单独供电。SDRAM，JTAG，UART，Flash存储器和复位电
路等周边设备的工作电压为3.3 V；对于处理器S3C2440需要3.3 V和1.3 V两组不同的工作电压。而图像传感器OV9650需
要1.8 V，2.8 V，3.3 V 3组不同的工作电压。2.3 存储模块
根据性能需求该系统采用Nandflash和SDRAM作为系统存储器。Nandflash选用64 MB的KgF1208芯片。SDRAM
存储器系统，由两片16位的K4S561632N并联构建成32位，
两片K4S561632N分别连接32位CPU数据总线的高16位DATA[31∶16]与低16位DATA[15∶0][3]。K4S561632H的地
址总线A[12∶0]与CPU的地址总线ADDR[14∶2]相连；CPU的ADDR24，ADDR25与Bank选择地址BA0相连，
CPU的ADDR25，ADDR26与BA1相连；CPU的SCLK0，
SCLK1时钟线与系统时钟SCLK相连；数据输入/输出掩
码信号LDQM／UDQM分别与CPU写使能nWBE[3∶0] 相
连；nRAS行地址选通信号、nCAS列地址选通信号nWE
允许写入信号分别连接至CPU对应管脚。具体连接如图3所示。
图3 SDRAM电路原理
2.4 摄像头接口电路
为了方便更换和调试图像传感器周围电路和软件驱动
及应用电路，灵活更换不同型号的图像传感器扩展板的需
求，图像传感器硬件电路可设计成扩展板方式。通过20针Camera接口，扩展板中的OV9650管脚与主控制板中CAMIF
的各个接口相连。电路原理如图4所示。
3 结语
文章给出图像采集系统所采用的主要硬件的特点以
及性能，对比了CCD和CMOS图像传感器的特点，并对CMOS图像传感器OV9650的成像原理进行了剖析。分析
了S3C2440处理器各个模块的工作原理以及控制方式，对
整个图像采集系统的电路原理以及具体的电路设计进行
了详细的说明。图4 摄像头接口电路（下转第65页）无线互联科技·设计分析
