摘 要: 介紹了AT91SAM7S64單片機的主要特點和性能，分析了采用該芯片減少及優化外圍電路，提高精度、實時性和可靠性等方面的優勢。著重闡述了應用該芯片實現紅外控制、自動攝像的軟、硬件設計方案，分析了為提高實時性而在軟硬件設計方面所采取的措施。
關鍵詞: 紅外方式；AT91SAM7S64；圖像采集
隨著社會經濟的發展，人們活水平日益提高。如何保障財產安全成為社會普遍關注的熱點問題。雖然各種報警設備涌人市場，但是其中有很多功能不完善，技術不成熟，達不到有效防盜的功效。紅外線報警系統是目前應用較廣泛的一種報警技術，通過單片機進行智能化控制，大大提高了防盜的效率。單片機控制的紅外線報警系統其工作原理是采用紅外傳感器裝置檢測防區內人體移動輻射的紅外熱能，專用紅外傳感處理集成電路對接收信號進行處理，傳遞給單片機控制器，單片機進行智能控制后，啟動照相機進行拍照。該系統的特點是只要在警戒區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進行自動報警。這種報警裝置具有誤報率低、抗干擾能力強、附帶多種功能用途、安全可靠、安裝使用方便等特點，適合于家庭、辦公室、商場、沿街店面、微型汽車、車庫、倉庫等場合應用。紅外線報警系統設計與視頻采集卡等傳統圖像采集系統相比，嵌入式圖像采集系統具有體積小、成本低、可靠性高等優點，在智能交通、遠距離監控、計算機視覺等領域應用廣泛。本文所設計的嵌入式圖像采集系統是采用以ARM7為內核的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控制先將圖像數據存放入AT45DB041D中，最后將圖像采集結果通過多種通信接口進行傳輸，該圖像采集系統僅用一個ARM芯片就實現了對OV6620的功能控制、時序同步、數據采集與處理等功能，系統結構緊湊，功能強大。
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、手機等外設應用的理想芯片。AT91SAM7S64單片機采用納瓦技術符合業界對低功耗設計的要求。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 A[1-2]。
2 硬件組成
圖像采集報警系統由紅外報警電路、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
該系統處理器采用Atmel公司的AT91SAMS64芯片，與其他系列的單片機實現的電路相比，其外圍擴展電路極少。報警系統中，與上位機的通信由USB完成，該處理器集成了USB設備的端口，使它成為連接外設的理想芯片，如PC機和手機等。此外圖像采集需要傳輸的數據量較大，AT91SAM7S64有64 KB的高速Flash和16 KB的 SRAM，但在OV6620圖像傳感器連續采集圖像并傳輸數據時明顯空間不充裕，所以需要外接存儲器進行數據存儲。紅外傳感器在采集到紅外感應信號后經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
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成的數模混合專用集成電路。可廣泛應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，提高系統的可靠性[3]。在紅外報警電路中，當紅外傳感器接收到信號后經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計圖如圖2所示。
2.3 圖像傳感
OV6620需要5 V的穩定電壓進行供電，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就有一幅圖像產生。它支持連續和隔行2種掃描方式，CIF和QCIF兩種圖像格式，數據格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，能夠滿足一般圖像采集的需求。OV6620內部有50個可編程寄存器，通過AT91SAM7S64的TWI協議對其進行設置，以中斷方式同步圖像數據輸出OV6620的Y0～Y7通道輸出的8位并行數據實時傳送給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，是各種數字語音、圖像、程序代碼和數據存儲應用的理想選擇。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。除了主存儲器外，AT45DB041D還包含2個256/264字節的SRAM緩沖區。緩沖區允許在對主存儲器的頁面重新編程時接收數據，也可寫入連續的數據串。通過獨立的“讀-改-寫”3步操作，可以輕松實現EEPROM仿真（可設置成位或字節）。DataFlash通過RapidS串行接口順序訪問數據，而不像傳統Flash存儲器那樣通過復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量，有利于硬件布局，增強了系統可靠性，將切換噪音降至最小，為了實現簡單的在系統重復編程，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[4]。AT45DB041D可通過片選引腳（/CS）使能，并通過3-wire接口訪問，3-wire由串行輸入（SI）、串行輸出（SO）和串行時鐘（SCK）組成。所有的編程和擦除周期都遵循自時序。
3 系統軟件設計
3.1 系統軟件的總體流程
紅外方式數字圖像采集報警系統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中首先設置其為輸入端口由于上電后其端口為高電平當紅外接收信號觸發時經處理后是由低電平向高電平的跳變，所以在I/O端口處應是高電平向低電平的跳變，在芯片初始化后可通過PIO控制器引腳數據狀態寄存器判斷PA18是否為0。若為0則控制OV6620，否則應繼續判斷，直到端口為低電平為止，然后進行通信并設置OV6620，當其響應后進行圖像獲取，并把數據傳送給外存儲器。其系統主程序框圖如圖3所示。
3.2 圖像傳感處理
3.2.1 OV6620的寄存器設置
TWI的數據發送為單字節發送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置相應的寄存器，可以使OV6620工作于不同模式，在TWI數據發送時由于從機地址與從機子地址的存在所以應在TWI_MMR中寫入從機地址并設置內部地址長度，在TWI_IADR中寫入從機子地址，由于TWI_THR保存發送的數據為8位，故設置OV6620為低分辨率、曝光時間、自動白平衡和設置幀時鐘周期，其控制程序如下：
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x14，0x20)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x10，0x9A)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x24，0x33)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x25，0x97)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x1，0x02)
AT91_F_TWI_Write_Byte( )為控制設置寄存器函數，它的第1個參數是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個參數為OV6620的內部寄存器地址，第4個參數為相應的寄存器設定的值。
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(奇數場同步信號)、HREF(水平同步信號)、PCLK(像素同步信號)。當采用連續掃描方式時，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，相應的中斷服務程序分別為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對應的中斷，等待CPU讀取一幀的圖像在VSYNCIRQ( )中斷服務程序中判斷是否已取得一幀圖像數據。若不是，繼續等待知道完全傳送一幀圖像數據為止。完成后把每接收到一幀的數據再存儲到外存儲器中。
3.2.3 圖像提取過程
圖像提取的過程為：當采集數據已經存放在外存儲器中，利用CPU取出數據，再傳輸給上位機。先對外存儲器進行讀復位，使外存儲器的指針指向首地址，再根據OV6620所輸出RGB數據的格式進行讀取。其中，提取過程最重要的是OV6620所輸出RGB數據格式，它影響到提取圖像的準確性。本系統應用的是8位輸出，其數據格式如表1所示。
從表1中可以看出，第一行Y通道是無效數據應該去除。從第二行開始讀取，在一行之內，B、R數據只在奇次項出現，G數據只在偶次項出現。而在每一行內，偶數點的R數據、B數據可通過分別對其兩側的2個點的R和B數據求平均值得到。這樣，一幅圖像就提取完了，可以直接存成二進制文件。
4 軟件設計的難點與不足點
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,所以不免存在某些資源有限的問題。在軟件設計過程中程序空間不足是設計的瓶頸，此外在紅外信號處理部分并不是無間斷的連續紅外感應而是需要間隔一段時間，但是間隔的時間約為10s左右，考慮到該系統為報警防盜系統的實際情況其時間間隔應在合理的范圍內。在圖像傳感及處理部分，圖像的去噪堯黑線提取等只在設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。所以在以上這些方面還需要不斷完善。本設計采用AT91SAM7S64 單片機，它具有豐富的外設，同時集成了USB 接口模塊，減少了外圍電路、降低了成本遙利用硬件平臺。AT91SAM7S64 和OV6620 攝像頭進行圖像采集，以及將采集到的圖像數據存儲到外存儲器、與普通的視頻采集卡相比，該嵌入式圖像采集系統極大地簡化了系統結構，降低了系統設計成本，縮短了開發周期曰圖像數據的采集與處理均由ARM 芯片完成，因而降低了數據中轉過程中傳輸錯誤的幾率，提高了系統的可靠性。
參考文獻
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[2] 馬忠梅.AT91 系列ARM 核微控制器結構與開發[M].北京院航空航天大學出版社，2003.
[3] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京:郵電出版社，2004.
[4] AT45DB041D Data Sheet.ATMEL Corporation.2007.
[5] 吳晴，周建.嵌入式圖像采集的系統的設計與實現[J].電子測量技術，2007,30(6):89-92.
[6] OV6620 Data Sheet. OMNIVISION Technologies Inc.1999.