在很多場合，由于客觀條件限制，人們不可能進入現場進行直接觀察，只能用適應性更強的電子圖像設備來代替完成，在此背景下發展起來的圖像技術成為人們關注的熱點應用技術之一，它以直觀、信息內容豐富而被廣泛應用于許多場合。在物聯網系統中實現圖像采集，必須要考慮物聯網的以下特點：（1）物聯網節點對價格敏感。物聯網是信息傳感技術的大規模應用，傳感節點數目成百上千，若每個節點的成本提高一點，整個物聯網系統的成本就會提高很多。所以傳感節點圖像采集的成本應盡量低。（2）大部分物聯網應用對圖像質量要求不高。圖像采集主要是幫助用戶不需要到現場就可以觀察現場情況，對于大多數應用只要能分辨出現場場景即可，沒必要采集很高像素的圖像。（3）基于成本考慮，物聯網大多選用RS232，Zigbee，GPRS等傳輸速率不高的聯網方式，圖像傳輸時間較長。但許多監測節點安放的位置固定，采集的圖像是準靜態圖像，也就是說，大部分情況下，圖像是不變的，所以對幀率要求不高。即使圖像采集的速度慢一些，也不會對現場情況的觀察有太大的影響。基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統正是在這樣特定的應用背景下設計的。針對物聯網傳感節點的特性，結合現有的技術條件和實際應用，提出一種用單片機直接與CMOS圖像傳感器相連，采用Flash為圖像存儲器，RS232為圖像傳輸協議，并且多幀圖像拼接成一幅圖像的方法，實現了遠程監控。所選器件價格低廉，硬件連接簡單，從而成本非常低。該系統可單獨作為獨立的圖像采集系統，又能以非常低的成本附加到其他物聯網節點上，應用領域廣泛。1系統總體方案圖像采集系統是根據某種特定的使用目的和應用條件，由圖像采集、圖像存儲、圖像傳輸和系統控制等相關電子設備和傳輸介質組成的一個有機整體。圖1是系統的總體框圖，系統主要由單片機、圖像傳感器、Flash圖像存儲器組成。圖像傳感器負責圖像的采集，采集的圖像數據由單片機實時讀取。圖像傳感器的分辨率為240×320，數據量為150KB，而單片機的內部RAM只有2K，存不下一幀圖像，所以選擇了一款Flash作為圖像存儲器，單片機將讀取的圖像數據轉存人Flash圖像存儲器。由于圖像數據轉存入Flash需要占用數據采集的時間，這就導致單片機會錯過部分數據的采集，根據所采圖像為靜態圖像這一應用背景，錯過的數據可通過下兩幀圖像替代，由此確定了用3幀圖像拼成一幅圖像的算法。等一幅圖像采集轉存完畢，單片機再從Flash圖像存儲器中讀取圖像數據，通過RS232口傳輸到上位機。

　　圖1系統總體框圖

　　2系統硬件設計

　　2．1圖像傳感器系統采用了SP0828CMOS芯片作為圖像傳感器

　　SP0828是一款完整的1/13英寸QVGA格式COMS圖像傳感器芯片。它支持RGB565、YUV422、RawBayer、Format圖像格式，最高像素為240×320，最高幀速率為30幀/s，能夠滿足物聯網傳感節點圖像采集的要求。SP0828可工作在3種模式下：普通sensor、EMI、SPI；3種模式的選擇可通過I2C總線控制內部可編程功能寄存器來實現。該系統采用SPI模式，RGB565格式圖像輸出。2．2STM8單片機STM8單片機是系統的控制中心，協調著整個系統的運作，所以必須要有較高的響應速度和豐富的外設資源。系統選用高性能、低功耗的8位微處理器STM8S207S6。它運行速度快，最高可以達到24M。它的內部資源豐富，擁有32KB的系統內可編程Flash，2KB的內部RAM，l024B的EEPROM，2個可編程的串行UART接口，一個最高速度可達400bit/s的硬件I2C接口，一個可工作在主從模式的最高速度可達10bit/s的硬件SPI接口等。并且它的開發工具簡單，易于使用，價格便宜，開發資料多。因此，選用該款單片機不僅不需要為系統配置額外器件，而且大大降低了整個系統的成本及縮短了開發時間。2．3Flash圖像存儲器STM8S207S6內部RAM為2KB，一幅240×320分辨率圖像的大小為150KB，內部RAM不足以存下該分辨率的圖像，所以系統選用一款Flash存儲器SST25VF020作為外掛圖像存儲器。SST25VF020是SST25VF系列產品中的一員，其芯片具有以下特點：總容量為256KB；單電源讀和寫操作，工作電壓為2．7～3．3V；低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3μA；SPI接口，可接受SPI時鐘頻率高達33MHz，快速編程、快速擦除、快速讀取等，該系列特點滿足圖像存儲的要求。2．4單片機與圖像傳感器、圖像存儲器的連接STM8單片機與SP0828COMS圖像傳感器、SST25VF020Flash圖像存儲器的硬件連接如圖2所示。STM8單片機通過硬件12C接口對圖像傳感器內部寄存器進行初始化，通過硬件SPI接口接收圖像傳感器發送的數據。因為Flash圖像存儲器也是SPI接口，所以圖像存儲器與圖像傳感器分時復用STM8單片機的硬件SPI接口。

　　圖2硬件連接框圖

　　各接口代表的意義如下：SPI_CS：圖像傳感器SPI接口片選，低電平有效，只有該接13為低電平，圖像傳感器才能接收單片機的SPI時鐘，然后往單片機傳送數據。該引腳連接單片機的PD7普通I/O口。ECLK：圖像傳感器的主時鐘輸入引腳，連接單片機的CLK_CCO口。單片機通過該口為圖像傳感器提供16MHz的主時鐘。SPI_RD：圖像傳感器的圖像控制信號輸入腳，該引腳控制圖像傳感器下一幀圖像是否到來，高電平有效，該13連接單片機的PB6普通I/O口。SPI_CLK：圖像傳感器SPI數據輸出的時鐘信號輸入腳，該引腳連接單片機硬件SPI的SPI_SCK口。單片機通過該引腳為圖像傳感器提供采數時鐘，圖像傳感器根據采數時鐘向單片機傳輸數據。SPI_SDA：圖像傳感器SPI數據輸出的數據信號輸出腳，該引腳連接單片機硬件SPI的SPI_MISO口。單片機通過該引腳采集數據。SPI_INT：圖像傳感器的中斷申請信號。圖像傳感器把每幀圖像分成幾次中斷，單片機響應中斷，在中斷服務程序里接收數據。該引腳連接單片機PIM具有外部中斷接收功能的I/O口。SBDA、SCLK：圖像傳感器I2C接口的數據引腳和時鐘引腳，連接單片機硬件I2C接口的I2C_SDA和I2C_SCL，是單片機對圖像傳感器內部寄存器讀寫操作的數據總線和時鐘總線。PWDN：圖像傳感器初始化信號線，該引腳連接單片機的PC2普通I/0口。該信號線要在圖像傳感器上電的過程中拉低，只有該引腳在低電平的情況下，圖像傳感器才能正常工作。SST_CE：FlashSPI接口的片選引腳，低電平有效，該引腳連接單片機的PD0普通I/O口。SST_SO、SST_SI：FlashSPI接口的數據引腳，連接單片機SPI_MISO和SPI_MOSI口，與圖像傳感器的SPI_SDA分時復用SPI_MISO口。SST_SCK：HashSPI接口的時鐘信號輸入引腳，連接單片機的SPI_SCK口，與圖像傳感器的SPI_CLK分時復用SPI_SCK口。

　　3系統軟件設計

　　3．1主程序的設計系統軟件可分為：圖像傳感器模塊、圖像存儲器模塊、圖像的多幀采集和拼接模塊、串口數據傳輸模塊。其基本流程圖如圖3所示。為了盡量提高單片機的處理速度，將系統的時鐘頻率設置為最高，即16MHz。

　　圖3主程序流程圖

　　3．2圖像傳感器模塊軟件設計

　　根據SP0828CMOS數字圖像傳感器的工作原理和工作流程，圖像傳感器模塊包括了圖像傳感器上電初始化、圖像傳感器寄存器初始化、圖像數據采集3個部分。3．2．1圖像傳感器上電初始化圖像傳感器上電初始化，就是圖像傳感器在上電結束但尚未開始工作的時候，對圖像傳感器芯片提供主時鐘、初始化信號線拉低等一系列的操作，以使圖像傳感器能夠正常工作或者獲得最佳的工作狀態。其主要流程如圖4所示。

　　圖4圖像傳感器上電初始化時序圖

　　DVDD28&AVDD連接電源，DVDD28&AVDD拉高即是上電。在上電之后，延時至少10岬，初始化信號線PWDN拉低。然后延時至少110μs，單片機為圖像傳感器提供主時鐘，為使圖像傳感器工作在最快的速度，單片機為圖像傳感器提供最高16MHz的時鐘。最后延時至少20clock，單片機通過I2C接口對圖像傳感器內部寄存器進行初始化。上電結束。3．2．2圖像傳感器內部寄存器初始化CMOS圖像傳感器采用I2C總線控制其各項功能，簡單、快捷。I2C總線也是目前圖像傳感器采用最普遍的控制方式。用戶可以通過I2C總線改變圖像傳感器內部可編程寄存器的缺省參數來設置圖像傳感器的工作方式，如時鐘、幀率、曝光、對比度、亮度等。I2C總線是芯片間串行數據傳輸總線，它只用一根數據線SDA和一根時鐘線SCL即可實現完善的雙工同步數據傳輸。I2C總線規定，主控制器發送起始信號表明一次數據傳輸的開始，然后為尋址字節，尋址字節由高7位地址位和低1位方向位組成。方向位表明主控制器與被控制器之間的數據傳輸方向，當該位為“0”時表明主控制器對被控制器的寫操作，為“1”時表明主控制器對被控制器的讀操作。尋址字節后是按照指定地址讀寫操作的數據字節與應答位。數據傳送完成后主控制器必須發送終止信號。I2C協議的時序如圖5所示。

　　圖5I2C總線的數據傳送時序圖

　　STM8單片機有專門的硬件I2C接口，因此可通過該接口實現與圖像傳感器的通信。該系統中STM8單片機的I2C_SDA數據線和I2C_SCL時鐘線分別連接圖像傳感器的SBDA數據傳輸口和SCLK時鐘傳輸口。通過上述對I2C協議的分析，設計了如圖6所示的I2C總線數據傳輸流程。

　　圖6I2C總線數據傳輸流程

　　I2C總線操作的典型時序信號有起始位信號、終止位信號、發送地址、發送數據、接收數據，所有的時序信號都是通過對單片機硬件I2C內部寄存器的操作實現的。I2C模塊主要功能函數如下：（1）讀取圖像傳感器內部寄存器的值unsignedcharI2C_Read（unsignedcharslave—address,unsignedcharregaddress,unsignedcharslave_read_address）/*slave_address是圖像傳感器的地址+寫操作符“0”，reg_address是圖像傳感器內部寄存器的地址，slave_read_address是圖像傳感器的地址+讀操作符“1”*/{unsignedcharval；I2C_Start（）；//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置lI2C_SendDAdr（slave_address）；//發送圖像傳感器的地址+寫操作符“0”I2C_SendDat（reg_address）；//發送內部寄存器的地址I2C_Start（）；//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置1I2C_SendDAdr（slave_read_address）；//發送圖像傳感器的地址+讀操作符“1”vai=12C_RcvDat（）；//從I2C接口讀取數據I2C_stop（）；//釋放I2C總線，I2C_CR2寄存器次低位置1retunlval；}（2）讀取圖像傳感器內部寄存器的值unsignedcharI2C_Main（unsignedcharslave_address，unsignedcharreg_address，unsignedcharwrite_data）{/*slave_address是圖像傳感器的地址+寫操作符“0”，reg_address是內部寄存器的地址，write_data是要寫入寄存器的數據*/I2C_Start（）；//啟動I2C總線，I2C_CR2寄存器最低位置1I2C_SendDAdr（slave_address）；//發送圖像傳感器的地址+寫操作符“0”I2C_SendDat（reg．_address）；//發送內部寄存器的地址I2C_SendDat（write_data）；//發送內部寄存器要寫入的數據I2C_stop（）；//釋放I2C總線，I2C_CR2寄存器次低位置1

　　3．2．3圖像數據的采集

　　單片機通過SPI協議采集CMOS圖像傳感器的圖像數據。SPI總線是一種同步串行外設接口，允許MCU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信。SPI總線一般采用4根線：串行時鐘線SCK、主機輸入從機輸出數據線MISO、主機輸出從機輸入數據線MOSI、低電平有效的使能信號線SS。因為在系統的SPI數據傳輸過程中，單片機只采集圖像傳感器的數據，沒有向圖像傳感器的數據輸出，所以系統選用SPl只接收模式，這樣只需要一根串行時鐘線SCK和一根主機輸入從機輸出數據線MISO即可，節省硬件資源。SPI接口的最大特點是由主設備時鐘信號的出現與否來決定主從設備之間的通信。在從設備被使能時，一旦檢測到主設備的時鐘信號，數據開始傳輸，時鐘信號無效后，傳輸結束。在系統中，單片機作為主設備，圖像傳感器作為從設備，圖像傳感器在時鐘的下降沿變數，單片機在時鐘的上升沿采集數據，圖像傳感器接收單片機的時鐘信號SPI協議的時序如圖7所示。

　　圖7SPI總線的數據傳送時序圖

　　STM8單片機有專門的硬件SPI接口，因此可通過該接1：2采集圖像數據。圖像傳感器SPI時鐘輸入引腳連接單片機的SPI_SCK口，圖像傳感器圖像數據輸出引腳連接單片機SPI_MISO口，片選SPI_CS引腳連接單片機的普通I/O口PD7。然后對硬件SPI的參數進行配置，主要包括時鐘頻率、工作模式、主從模式、空閑時候電平狀態、觸發邊沿等，這些參數都可以通過單片機硬件SPI的內部寄存器的配置實現。SPI總線讀取圖像數據的流程如下：unsignedcharspinet_byte（void）{while（！（SPI_SR&0x02））；//等待總線空閑SPI_DR=Oxff；//產生時序信號硬件SPI在且僅在發送數據的時候才產生SCK時鐘while（！（SPI_SR&0x01））；//等待數據接收完畢returnSPI_DR；//將接收到的數據返回}3．3Flash模塊軟件設計SST25VF020是一款2MbitSPISerialNOR型Flash芯片，在系統中作為圖像存儲器使用。該Flash通過SPI的串口接收指令和數據，支持3/4的SPI協議，其工作時序如圖8所示。

　　圖8SST25VF020的工作時序圖

　　從上圖可以看出，CE#f氐電平使能芯片正常工作，該芯片在SCK的上升沿讀入信號，在SCK下降沿的時候輸出信號。STM8單片機有專門的硬件SPI接口，但是圖像傳感器也需要單片機的硬件sPI接口與之通信，所以系統設計了一種分時復用單片機硬件SPI接口的方式。CE#片選連接單片機的普通I/O口PD0，該I/O口在不同的時刻與圖像傳感器的片選PD7分別選中，如此，一個硬件SPI接口便可操作2個SPI設備。SPI時鐘輸入引腳連接單片機的SPI_SCK口，SI讀人信號連接單片機的SPI_MOSI，SO輸出信號連接單片機的SPI_MISO。硬件SPI配置與前文所述圖像數據采集Sial一致。此外，與圖像采集相比，在程序部分還要多加一個單片機輸出信號函數。Flash模塊主要功能函數如下：voidsst_send_byte（unsignedcharbyte）{while（！（SPI_SR&0x02））；//等待總線空閑SPI_DR=byte；//將要寫入的數據byte存入SPI_DRwhile（！（SPI_SR&0x01））；//等待數據發送完畢完畢tmp=SPI_DR；//清空接收緩沖區voidflashwrite_byte（unsignedlongaddr，unsignedchardata）//向緩沖區l的指定位置（0—263）寫入指定字節}write_en（）；//寫使能命令mss0（）；//片選端選中，低電平有效send（0x02）；//寫命令send（（unsignedchar）（addr》》16））；//發送數據的地址send（（unsignedchar）（addr》》8））；send（（unsignedchar）addr）；send（data）；//發送要寫入的數據mssl（）；//釋放片選}unsignedcharflashreadbyte（unsignedlongaddr）}unsignedcharbyte；mss0（）；//片選端選中，低電平有效send（0x03）；//讀命令send（（unsignedchar）（addr》》16））；//發送數據的地址send（（unsignedchar）（addr》》8））；send（（unsignedchar）addr）；byte=get（）；//讀取數據mssl（）；//釋放片選returnbyte；}3．4圖像的多幀采集和拼接模塊軟件設計為保存圖像數據，系統引入Flash存儲器，而數據轉存入Flash存儲器需要占用中斷響應時間，這就導致了中斷響應時間不夠的問題。為解決這個問題，根據所采圖像為靜態圖像這一應用背景，提出一種多幀圖像的部分采集與拼接算法，在中斷響應時間中，只讀取圖像傳感器中的圖像數據，而后占用兩次中斷的時間，把圖像數據轉存入Flash。每幀圖像有160次中斷，每幀圖像只取其1/3，取3幀圖像的數據，即可拼接成一幅完整的圖像。多幀采集方法如圖9所示。圖中，實線表示捕獲到的中斷，虛線表示因轉存人Flash錯過的中斷。

　　圖9多幀采集圖像方法示意

　　單片機把采集的數據按照采集時間的順序轉存入Flash數據在Flash中的排列順序如圖10所示。

　　圖1O圖像數據在Flash中的存儲順序

　　在Flash中讀取圖像數據的時候，按照中斷次數的先后順序讀出，即第l幀第1次中斷、第2幀第2次中斷、第3幀第3次中斷、第1幀第4次中斷、第2幀第5次中斷……第2幀第158次中斷、第3幀第159次中斷、第1幀第160次中斷。這樣，3幀圖像的數據拼接成一幅完整的圖像。在讀取圖像數據的同時，單片機以2個字節為單位，拼接成一個無符號整型，即一個像素點，通過RS232接口傳送至上位機。

　　4試驗及分析
??? 圖11是系統的實物圖，硬件系統面積是（7．5×7．5）cm2，雙層PCB板，系統結構簡單，運行穩定。系統對圖像的處理速度是4幀/s，滿足實時性的要求。圖12為采集的一幅圖像，大小為240×320，圖像格式為bmp，像素格式為RGB565，該圖像是3幀圖像拼接而成，是單片機通過RS232接口傳輸至上位機，并在顯示器上顯示的。

　　圖11系統實物圖

　　圖12試驗結果圖像

　　5結束語

　　介紹了基于STM8單片機的低成本CMOS圖像采集系統的硬軟件構成，與其他嵌入式圖像采集系統相比，有3點優勢：第一，價格低廉，有較強的市場競爭力；第二，方法新穎，提出了一種多幀圖像拼接成一幅圖像的方法，解決了單片機處理速度慢的問題，取得了很好的試驗效果；第三，系統體積小，結構簡單，實時性好，能以非常低的成本附加到其他物聯網傳感節點上，使物聯網節點具有采集和傳輸圖像的功能，更大程度上方便用戶使用