基于AVR單片機(jī)圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張鵬孟旭

1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 2320012.北京航空航天大學(xué)，北京 232001

基于AVR單片機(jī)圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張鵬1孟旭2

1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 2320012.北京航空航天大學(xué)，北京 232001

設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的圖像采集系統(tǒng)，主要用于煤礦井下圖像監(jiān)控。便于發(fā)生礦難時(shí)及時(shí)了解救生艙內(nèi)人員狀況和周圍環(huán)境，建立有效的營(yíng)救措施。圖像采集模塊由OV7670圖像傳感器和FIFO組成，采集RGB565格式QVGA大小的BMP圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)RS485通信上傳至上位機(jī)顯示，同時(shí)將上傳的圖像以BMP格式保存在SD卡中。

AVR；OV7670；上位機(jī)

引言

我國(guó)作為煤炭能源大國(guó)，煤炭生產(chǎn)安全關(guān)系著社會(huì)穩(wěn)定和能量持續(xù)的供給。而在我國(guó)每年發(fā)生礦難事故頻繁，特別是小煤礦。因此需要對(duì)煤礦建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，保障煤礦安全生產(chǎn)，提供煤炭開(kāi)采效率。

煤礦井下發(fā)生礦難時(shí)，為便于建立有效營(yíng)救措施，因此需要全面了解井下事故情況和周圍環(huán)境?；贏VR單片機(jī)的圖像采集系統(tǒng)，主要用于煤礦井下監(jiān)控。以便發(fā)生礦難時(shí)，地面人員通過(guò)上位機(jī)了解井下人員情況以及設(shè)備狀況，為建立積極有效的救援措施提供保證。

1 系統(tǒng)的工作原理

AVR單片機(jī)采用選進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，是一款低功耗、高性能的8位處理器。本設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)基礎(chǔ)，通過(guò)配置和初始化OV7670寄存器，采集圖像大小為QVGA、RGB565格式。所采集的圖像數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)RS485通信，上傳至上位機(jī)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下救生艙圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。AVR及外圍電路設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和支持在線編程的JTAG接口電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)需要用到+5V、和+2.8V電源，而AVR的工作電壓為+5V，OV7670圖像傳感器所需要工作電壓為+2.8V。通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-2.85可將+5V轉(zhuǎn)換成+2.8V電壓。

串行通信接口主要用于與上位機(jī)與外圍設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)接收到上位機(jī)指令時(shí)，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)RS485通信接口輸出至上位機(jī)顯示。為減小系統(tǒng)通信干擾、系統(tǒng)使用ADM2483型號(hào)的通信芯片，該芯片最高傳輸速率可達(dá)500Kbps，采用限擺驅(qū)動(dòng)器，減少了終端匹配和接頭產(chǎn)生的誤碼。

SD卡主要用于存儲(chǔ)圖像，STM32以SPI模式讀寫SD卡，SD卡電路供電電源為+3.3V。

AL422B[2]作為FIFO。由于容量大，可以完整存儲(chǔ)整幀圖像信息。

OV7670圖像傳感器主要按裝在煤礦井下救生艙艙室內(nèi)，用于觀察艙室內(nèi)環(huán)境狀況和人員情況。該傳感器使用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過(guò)減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的彩色圖像[1]。STM32通過(guò)SCCB總線通信向OV7670圖像傳感器中寫入指令進(jìn)行初始化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為降低成本總是盡可能的利用軟件資源代替硬件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本。系統(tǒng)采用模塊化C語(yǔ)言編程，包括上位機(jī)代碼和系統(tǒng)圖像采集處理代碼。PC機(jī)通過(guò)JTAG接口，對(duì)AVR進(jìn)行在線編程和調(diào)試。上位機(jī)通過(guò)串行通信接口與STM32進(jìn)行通信，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制指令時(shí)，上位機(jī)開(kāi)始接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)并顯示。STM32圖像采集系統(tǒng)控制程序由主程序和中斷服務(wù)程序組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)上電后對(duì)OV7670圖像傳感器進(jìn)行初始化，等待OV7670場(chǎng)中斷信號(hào)和行中斷信號(hào)。進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序開(kāi)始對(duì)Flag置標(biāo)志為1，下位機(jī)根據(jù)該標(biāo)志信號(hào)決定是否向上位機(jī)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)子程序主要與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)互換和圖像數(shù)據(jù)輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種煤礦井下救生艙圖像傳輸系統(tǒng)，解決了地面控制室通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)觀察井下救生艙艙室內(nèi)環(huán)境狀況以及發(fā)生礦難時(shí)人員狀況，保證救援人員及時(shí)建立有效的救援措施。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、圖像清晰，證明了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性。

[1]Omnivision.OV7670技術(shù)手冊(cè)[M].Sunnyvale，CA，USA：Omnivision，2006.

[2]劉京城，廖智勇，朱木健，劉俊.一種基于服務(wù)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，29(11):31-35.

[3]張安元，曲效成.煤礦井下移動(dòng)救生艙的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(6):803-808.

[4]汪聲，金龍哲，栗婧.國(guó)外礦用應(yīng)急救生艙技術(shù)現(xiàn)狀[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(4)：119-123.

[5]張促禮.適用煤礦產(chǎn)品的微控制器-STM32[J].煤炭技術(shù),2010,29(6):50-51.

Design of Control System of Boring Machine Based on AVR

Zhang Peng1, Meng Xu2
1.Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China 2.Beihang University, Beijing 100191, China

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.18.037

張鵬（1986-），男，江西贛州人，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)

孟旭（1981-）女，北京人，北京航天測(cè)控技術(shù)是有限公司，主管工程師，北京航空航天大學(xué)。

AbstractDesign of a single chip microcomputer based on AVR image acquisition system, mainly used for coal mine monitoring.For mining accidents timely understanding of lifesaving cabin staff and the surrounding environment, establish an effective rescue measures.The image acquisition module consists of a OV7670 image sensor and FIFO composition, collection RGB565 format QVGA size BMP image by RS485 communication, data uploaded to the computer display, at the same time will upload the image is saved in BMP format in the SD card.

KeywordsAVR; OV7670; PC