隨著社會的發(fā)展，經(jīng)濟的繁榮，現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。運用現(xiàn)代高科技技術(shù)手段，使用周界防盜報警系統(tǒng)，可以有效地防止不法人員通過圍墻進入小區(qū)內(nèi)，對加強治安保衛(wèi)，消除事故隱患，防止犯罪發(fā)生，都有著不可替代的重要作用，是智能化小區(qū)步入現(xiàn)代化管理的重要標志之一。紅外線報警系統(tǒng)是目前應(yīng)用較廣泛的一種報警技術(shù)，通過單片機進行智能化控制，大大提高了防盜的效率。該系統(tǒng)的特點是只要在警戒區(qū)空間或非開放時間探測到非法活動人體，就可以立即啟動系統(tǒng)進行自動報警。在廠區(qū)的圍墻上安裝多對紅外對射探頭，用人眼無法看見紅外光束在廠區(qū)的圍墻上形成嚴密的保護網(wǎng)，一旦有不法人員想通過圍墻翻入小區(qū)，就會立即觸發(fā)報警，并在報警主機上顯示出相應(yīng)的區(qū)域，保安人員可以迅速出動來到事發(fā)地點。本文所設(shè)計的嵌入式圖像采集系統(tǒng)是采用以ARM7為內(nèi)核的AT91SAM7S64-AI作為主控芯片，控制CMOS傳感OV6620進行圖像采集，然后由AT91SAM7S64-AI控制先將圖像數(shù)據(jù)存放入AT45DB041D中，最后將圖像采集結(jié)果通過多種通信接口進行傳輸，ARM7系列處理器是英國ARM公司設(shè)計的主流嵌入式處理器，內(nèi)核是0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，ARM7沒有MMU,ARM720T是MMU的 。

　　1 AT91SAM7S64的特點

　　AT91SAM7S64是Atmel公司的32位單片機，具有高性能、低功耗、全速USB2.0接口及豐富的外圍接口資源等特點，是連接PC、手機等外設(shè)應(yīng)用的理想芯片。AT91SAM7S64單片機采用納瓦技術(shù)符合業(yè)界對低功耗設(shè)計的要求。其工作電壓范圍為2.0 V～5.0 V之間。當頻率為32 kHz、電壓為2.0 V時，工作電流典型值為8.5 A，當頻率為1 MHz、電壓為2.0 V時，典型值為100 A。當電壓為2.0 V時，看門狗定時電流典型值為1。

　　2 硬件組成

　　圖像采集報警系統(tǒng)由紅外報警電路、電源電路、USB接口電路、OV6620圖像傳感器采集電路、CPU接口電路、CPU外部EEPROM等電路組成，如圖1所示。

　　2.1  處理器

　　該系統(tǒng)處理器采用Atmel公司的AT91SAMS64芯片，與其他系列的單片機實現(xiàn)的電路相比，其外圍擴展電路極少。報警系統(tǒng)中，與上位機的通信由USB完成，該處理器集成了USB設(shè)備的端口，使它成為連接外設(shè)的理想芯片，此外圖像采集需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，AT91SAM7S64有64 KB的高速Flash和16 KB的SRAM，但在OV6620圖像傳感器連續(xù)采集圖像并傳輸數(shù)據(jù)時明顯空間不充裕，紅外傳感器在采集到紅外感應(yīng)信號后經(jīng)紅外傳感處理器處理后，輸出信號，該信號由0 V～3.3 V的電壓跳變可直接連接CPU，AT91SAM7S64經(jīng)由通用輸入輸出口接收到信號跳變后，通過I2C與圖像傳感器OV6620進行通信，獲取圖像，進而把圖像通過8條并行接口回傳給CPU,并存入外接存儲器中。

　　2.2  紅外信號處理

　　BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。

　　紅外信號處理部分采用BISS0001紅外信號傳感處理器，它是由運算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰？蓮V泛應(yīng)用于多種傳感器和延時控制器。BISS0001利用運算放大器OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM（≈0.5 VDD）后，送到有比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH≈0.7 VDD、VL≈0.3 VDD，所以，當VDD=5 V時，可有效地抑制±1 V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。在紅外報警電路中，當紅外傳感器接收到信號后經(jīng)BISS0001處理后由BISS0001的引腳2輸出，在此芯片中由于信號輸出時測量其引腳為3.3 V故可將該引腳直接連接CPU。紅外信號傳感電路其電路設(shè)計圖如圖2所示。

　　2.3  圖像傳感

　　OV6620需要5 V的穩(wěn)定電壓進行供電，它是彩色/黑白圖像傳感器，通過I2C與CPU之間進行通信，最高像素為352 ×288幀速率為26 fps，一幀2場，每秒約為50場，即每20 ms就有一幅圖像產(chǎn)生。它支持連續(xù)和隔行2種掃描方式，CIF和QCIF兩種圖像格式，數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，能夠滿足一般圖像采集的需求。OV6620內(nèi)部有50個可編程寄存器，通過AT91SAM7S64的TWI協(xié)議對其進行設(shè)置，以中斷方式同步圖像數(shù)據(jù)輸出OV6620的Y0～Y7通道輸出的8位并行數(shù)據(jù)實時傳送給CPU。

　　2.4  外存儲器

　　AT45DB041D是一款2.5 V或2.7 V、串行接口的Flash存儲器，是各種數(shù)字語音、圖像、程序代碼和數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用的理想選擇。AT45DB041D支持RapidS串行接口，適用于要求高速操作的應(yīng)用。RapidS串行接口兼容SPI，最高頻率可達66 MHz。AT45DB041D的存儲容量為4 325 376位，組織形式為2 048頁，每頁256或264字節(jié)。除了主存儲器外，AT45DB041D還包含2個256/264字節(jié)的SRAM緩沖區(qū)。緩沖區(qū)允許在對主存儲器的頁面重新編程時接收數(shù)據(jù)，也可寫入連續(xù)的數(shù)據(jù)串。通過獨立的“讀-改-寫”3步操作，可以輕松實現(xiàn)EEPROM仿真（可設(shè)置成位或字節(jié)）。DataFlash通過RapidS串行接口順序訪問數(shù)據(jù)，而不像傳統(tǒng)Flash存儲器那樣通過復(fù)用總線和并行接口隨機存取。簡單順序訪問機制極大地減少了有效引腳的數(shù)量，有利于硬件布局，增強了系統(tǒng)可靠性，將切換噪音降至最小，為了實現(xiàn)簡單的在系統(tǒng)重復(fù)編程，AT45DB041D并不需要高輸入電壓來支持編程。AT45DB041D工作在獨立的2.5 V～3.6 V或者2.7 V～3.6 V電壓下，用于編程和讀取操作。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1  系統(tǒng)軟件的總體流程

　　紅外方式數(shù)字圖像采集報警系統(tǒng)由紅外傳感器探測出信號跳變通知CPU，從而控制圖像傳感處理器。由于AT91SAM7S64有32個I/O服用端口故選取其中一個端口PA18作為紅外信號接收端口，在CPU中首先設(shè)置其為輸入端口上電后其端口為高電平當紅外接收信號觸發(fā)時經(jīng)處理后是由低電平向高電平的跳變，在芯片初始化后可通過PIO控制器引腳數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器判斷PA18是否為0。若為0則控制OV6620，否則應(yīng)繼續(xù)判斷，直到端口為低電平為止，然后進行通信并設(shè)置OV6620，當其響應(yīng)后進行圖像獲取，并把數(shù)據(jù)傳送給外存儲器。其系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。

　　3.2 圖像傳感處理

　　3.2.1  OV6620的寄存器設(shè)置

　　TWI的數(shù)據(jù)發(fā)送為單字節(jié)發(fā)送OV6620功能寄存器的地址是0x00～0x50，其中不少是保留寄存器通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可以使OV6620工作于不同模式，在TWI數(shù)據(jù)發(fā)送時由于從機地址與從機子地址的存在所以應(yīng)在TWI_MMR中寫入從機地址并設(shè)置內(nèi)部地址長度，在TWI_IADR中寫入從機子地址，由于TWI_THR保存發(fā)送的數(shù)據(jù)為8位，故設(shè)置OV6620為低分辨率、曝光時間、自動白平衡和設(shè)置幀時鐘周期，其控制程序如下：

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x14，0x20）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x10，0x9A）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x24，0x33）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　　（const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x25，0x97）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte

　?。╟onst TWI_Mapped，OV6620_addr，0x1，0x02）

　　AT91_F_TWI_Write_Byte（ ）為控制設(shè)置寄存器函數(shù)，它的第1個參數(shù)是TWI的映射地址。在AT91SAM7S64中的宏定義地址為0Xfffb8000，OV6620_addr為宏定義的從機芯片地址0XC0《16,第3個參數(shù)為OV6620的內(nèi)部寄存器地址，第4個參數(shù)為相應(yīng)的寄存器設(shè)定的值。

　　3.2.2  OV6620的采集過程

　　OV6620有4個同步信號：VSYNC（垂直同步信號）、FODD（奇數(shù)場同步信號）、HREF（水平同步信號）、PCLK（像素同步信號）。當采用連續(xù)掃描方式時，只使用VSYNC和HREF、PCLK 3個同步信號[5-6]。AT91SAM7S64的1個外部中斷引腳VSYNC信號的輸入，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序分別為VSYNC_IRQ（ ），HREF接AT91SAM7S64的普通I/O口。圖像采集的過程為：當用TWI初始化0V6620后，使能VSYNC對應(yīng)的中斷，等待CPU讀取一幀的圖像在VSYNCIRQ（ ）中斷服務(wù)程序中判斷是否已取得一幀圖像數(shù)據(jù)。若不是，繼續(xù)等待知道完全傳送一幀圖像數(shù)據(jù)為止。

　　3.2.3  圖像提取過程

　　圖像提取的過程為：當采集數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在外存儲器中，利用CPU取出數(shù)據(jù)，再傳輸給上位機。先對外存儲器進行讀復(fù)位，使外存儲器的指針指向首地址，再根據(jù)OV6620所輸出RGB數(shù)據(jù)的格式進行讀取。其中，提取過程最重要的是OV6620所輸出RGB數(shù)據(jù)格式，它影響到提取圖像的準確性。其數(shù)據(jù)格式如表1所示。

　　從表1中可以看出，第一行Y通道是無效數(shù)據(jù)應(yīng)該去除。從第二行開始讀取，在一行之內(nèi)，B、R數(shù)據(jù)只在奇次項出現(xiàn)，G數(shù)據(jù)只在偶次項出現(xiàn)。而在每一行內(nèi)，偶數(shù)點的R數(shù)據(jù)、B數(shù)據(jù)可通過分別對其兩側(cè)的2個點的R和B數(shù)據(jù)求平均值得到。

　　4 軟件設(shè)計的難點與不足點

　　由于AT91SAM7S64 芯片的價格低廉，且在圖像采集過程中消耗MCU 的資源大，在軟件設(shè)計過程中程序空間不足是設(shè)計的瓶頸，此外在紅外信號處理部分并不是無間斷的連續(xù)紅外感應(yīng)而是需要間隔一段時間，但是間隔的時間約為10s左右，在圖像傳感及處理部分，圖像的去噪堯黑線提取等只在設(shè)置寄存器中不斷試驗從而達到最好的效果，并沒有在程序中自動完成。AT91SAM7S64 和OV6620 攝像頭進行圖像采集，以及將采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲到外存儲器、與普通的視頻采集卡相比，該嵌入式圖像采集系統(tǒng)極大地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)設(shè)計成本，縮短了開發(fā)周期曰圖像數(shù)據(jù)的采集與處理均由ARM 芯片完成，因而降低了數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)過程中傳輸錯誤的幾率，提高了系統(tǒng)的可靠性。