基于ARM的可视化多功能门铃系统设计

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[摘 要]目前小区装的猫眼很小，无清楚清晰识别来访者，所以对于这一现状而研究可视门铃系统。此次大学生创新训练项目所研究的基于arm的智能可视化门铃系统属家庭安全系统的一个子系统，主要是对居民住宅的安全进行防范和监控。项目以STM32芯片为研究主体，对ov7670摄像头模块和TFT屏进行了研究，最终实现了可视化的门铃。

[关键词]可视门铃；STM32

中图分类号：TM925.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0346-02

一、系统的总体设计

可视系统采用的都是模拟的摄像头进行图像采集，通过视频线和音频线实现传输功能。系统以单片机作为核心，并配以视频采集及控制、通话控制、通信控制模块。

系统以摄像头传感器获取门外图像信息，信息输入到STM32微控制器，并实时显示到TFT液晶显示屏；对讲模块控制门铃音频信号的输出与输入。

二、硬件系统设计

2.1 OV7670模块

OV7670 是 OV公司生产的一颗 1/6 寸的 CMOS VGA 图像传感器。该传

感器体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB 总

线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影像数据。该产品 VGA

图像最高达到 30 帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。OmmiVision 图

像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、

浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

OV7670 的特点有：

高灵敏度、低电压适合嵌入式应用

标准的 SCCB 接口，兼容 IIC 接口

支持 RawRGB、 RGB（GBR4：2：2， RGB565/RGB555/RGB444）， YUV（4：2：2）和 YCbCr

（4：2：2）输出格式

支持 VGA、CIF，和从 CIF 到 40*30 的各种尺寸输出

支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。

支持闪光灯

支持图像缩放

2.2 TFT彩屏显示模块

本系统使用的真彩屏是一块高画质的3.5寸TFT真彩LCD模块，共分布着320*240个像素点，模块内置LCD控制器以及驱动器，可方便地通过ARM对其进行控制，具有编程方便和易于扩展等良好性能，接口中D0―D7为8位数据总线，CS为片选信号低电平有效，A0为控制寄存器与数据寄存器的选择，RD/WE为读/写信号，SCK与SDO等信号为SPI总线的数据传输，彩屏接口

2.3 对讲模块

对讲模块包括发射语音信号处理，调制，功率放大，接收的低噪放大，语音信号解调，信号处理。体积超小，开发简单，周期短，可做成小型对讲机，又可将该模块嵌入到其它移动手持设备中。

三、软件系统设计

对摄像头该模块，只关心两点：1，如何存储图像数据；2，如何读取图像数据。

因为OV7670的像素时钟（PCLK）最高可达24MHz，我们用STM32F103RBT6的IO口直接抓取，是非常困难的，也十分占耗CPU（可以通过降低PCLK输出频率，来实现IO口抓取，但是有其相应的弊端，不推荐使用）。所以，这里我们并不是采取直接抓取来自OV7670的数据，而是通过FIFO读取，ALIENTEK OV7670摄像头模块自带了一个FIFO芯片，用于暂时存储图像数据，有了这个芯片，我们就可以很方便的获取图像数据了，而不再需要单片机具有高速的IO口，也不会耗费多少CPU，可以说，只要是个单片机，就可以通过ALIENTEK OV7670摄像头模块实现摄像功能。

3.1 存储图像数据

ALIENTEK OV7670 摄像头模块存储图像数据的过程为：等待 OV7670 同步信号FIFO

写指针复位？FIFO 写使能？等待第二个 OV7670 同步信号？FIFO 写禁止。通过以上 5 个步骤，就完成了 1 帧图像数据的存储。

3.2 读取图像数据

在存储完一帧图像以后，就可以开始读取图像数据了。读取过程为：FIFO 读指针复位给FIFO读时钟（FIFO_RCLK）读取第一个像素高字节给 FIFO读时钟读取第一个像素低字节给FIFO读时钟读取第二个像素高字节？循环读取剩余像素结束。

可以看出，ALIENTEK OV7670 摄像头模块数据的读取也是十分简单，比如 QVGA 模式，RGB565 格式，我们总共循环读取 320*240*2 次，就可以读取1帧图像数据，把这些数据写入 LCD 模块，就可以看到摄像头捕捉到的画面了。

3.3 代码设计

我们用一格外部中断来捕捉同步信号（VSYNC），然后在中断里面启动OV7670模块的图像数据存储，等待下一次VSHNC信号到来，我们就关闭了存储，然后一帧的数据就存储完成了，在主函数里面就可以慢慢的将这一帧数据读出来，放到LCD即可显示了，同时开始第二帧数据的存储，如此循环，实现摄像头功能。

这里，我们还有一个小技巧，我们使用的是摄像头模块的QVGA输出（320*240），刚好和ALIENTEK MiniSTM32开发板使用的LCD模块分辨率一样，一帧输出就是一屏数据，提高素速度的同时也不浪费资源。

四、系统调试与测试

4.1 电路板整体调试

在系统的印刷电路板设计和制作出来后，就要焊接相应的器件在电路板上，由于器件的封装几乎都是贴片式的，所以子啊焊接的时候更加小心。当焊接完成后，就要对电路板整体进行调试，具体步骤分以下几点：

1、检查电路元器件的管脚的序号是否接错，尤其是二极管、三极管等一些器件，一旦管脚序号接反，会烧坏器件和电源。

2、检查元器件有没有出现漏焊和虚焊，用万用表进行测试。

3、对照原理图，用万用表检查电路板线路是否与电路原理图上一致，电路有没有出现短路，电源和地会不会出现短路。

4.2 系统整体测试

当所有的模块装配成一个完整的系统后，就要对其进行系统性能测试。系统测试的主要目的是为了更加稳定和安全，排除出错的可能性。针对此系统进行性能上的测试。

为了测试系统性能，在PC机上建立一个模拟超级终端，所有程序的测试都是通过超级终端来实现。

测试的最终目的满足以下几点：

1、系统的图像稳定清晰，声音的效果满足一定质量，监控的录像能够传递到安全中心。

2、为了验证系统的稳定，长时间地进行测试，并多次进行可视对讲通话，发现并没有问题。

3、在不同场合和环境下进行监测。将此系统放至不同小区内测试，并且在不同温度、湿度环境下运行，运行效果良好。

五、总结

基于ARM处理器的STM32芯片并非是很高档的芯片，但是其高性能、低成本、低功耗的特点使得它应用于可视化门铃系统十分的合适。一方面，门铃系统可视化的视屏要求并无需那么高，STM32芯片处理起来游刃有余，可以保证较好的像素及帧数。另一方面，STM32芯片功耗低，不易发热，给可视化门铃系统的稳定性提供了保障

参考文献

[1] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南，机械工业出版社，2012.

[2] 王竹梅.基于ARM9处理器的楼宇控制器设计，北方工业大学硕士学位论文，2010.

[3] Philips Semiconductors.UDA1341 2004.5.