一块钱的单片机挑战——基于STM32F103C6T6的USB相机

在淘宝上能买到最便宜的 STM32F103芯片就是 C6T6系列。

虽然市面上有很多 STM32单片机做的摄像头采集项目，但是基本上都使用了 AL422B 的 FIFO 芯片。这样成本一下就上涨5、6块。本项目尝试 STM32F103芯片直接采集30万 DVP 摄像头芯片的数据，并通过USB 传输到上位机。STM32F103集成了一个USB2.0全速接口，它的通讯速度实测800KB/秒左右。

本项目 CMOS 使用来自比亚迪的 PLCC 封装的 BF3003。分辨率640x480。灵敏度高达10V/Lux-sec ，夜视效果还不错。一帧RAW 格式的数据大小是300KB，理论上每秒可以传2帧图像到上位机。以下简单介绍实现方案。

芯片介绍

STM32F103C6是主流增强型ARM Cortex-M3 MCU，具有32 KB Flash、72 MHz CPU。芯片上提供2个12位ADC、3个16位通用定时器加1个PWM定时器以及标准和高级通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、1个USB和1个CAN。

系统介绍

由于这个系列没有用于采集 DVP 摄像头数据的DCMI 接口，我们需要通过 IO 模拟 DVP 采集过程。IO 模拟的采集效率远低于DCMI 。为了保证采集一帧完整的图像数据，摄像头的外部晶振需要降低到2-300KHz，甚至更低。

TYPE-C USB座，正面连接STM32的USB，反面连接 CH340用于烧写/调试程序

BF3003 内置 LDO，供电相对简单只需要3.3V

最终硬件

SCCB协议

SCCB（Serial Camera Control Bus，串行摄像头控制总线）是由OV（OmniVision的简称）公司定义和发展的三线式串行总线，该总线控制着摄像头大部分的功能，包括图像数据格式、分辨率以及图像处理参数等。

现在SCCB总线大多采用两线式接口总线。OV7725使用的是两线式接口总线，该接口总线包括SIO_C串行时钟输入线和SIO_D串行双向数据线，分别相当于I2C协议的SCL信号线和SDA信号线。SIO_C的最小时间为10us，即最大频率为100K。一般来说，100K-400K之间都可以。SCCB就是改编版的I2C，完全可以按照I2C来理解。

MCU启动后通过SCCB 配置好摄像头参数，就可以按照CMOS时序进行图像采集。

DVP采集

• 配置 XCLK 为PWM输出
• 配置 HREF、VSYNC和 PIXCLK 为中断输入
• 在PIXCLK中断内采集 GPIOB 高8位。
• 在HREF中断内开启 DMA 的 M2M 拷贝可以稍微加快速度

USB通讯

USB 设备如果配置成 UVC 设备，就需要按照 UVC 协议实现。现在我们把它配置成自定义设备，这样可以完全自由定义数据包的内容。STM32F103开启 USB 必须使用外部晶振。USB 时钟频率通过分频配置48MHz。

端点配置

一共开启三个端点，端点0用于枚举，端点1用于向上位机传输图像数据，端点2用于接收上位机指令。

WinUSB

为了让 Windows 系统识别自定义 USB 设备，我们需要配置 WinUSB标识。同时在 USB插上 Windows 系统后，通过Zadig安装驱动。

USB端点使用双缓冲

使用双缓冲能提高 USB 通讯速度，本项目开启后没有提高帧率。

MCU替换

在国内有很多厂家推出了可替换STM32F103的MCU，我们尝试过以下几种：CH32F103C8T6、CH32F203、CH32V203、AIR32F103。微调代码后，没想到主频最低的CH32F103C8T6反而表现最好。

桌面应用

libusb 是一个用C语言开发的跨平台的USB设备访问接口库。使用它，不需要知道操作系统的细节，也不需要底层驱动，只须对USB有足够的了解，所有的工作都可以在用户端完成。

在Node.js的世界里，与USB设备通信并不是一件简单的事情。然而，有了node-usb这个库，我们可以轻松地实现这一目标。node-usb是一个基于libusb的Node.js模块，它提供了与USB设备通信的API，使得在Node.js环境中操作USB设备变得简单而高效。遗憾的是node-usb目前还没有实现isochronous传输。

其它应用

虽然这个 USB 摄像头帧率很低，作为一个简单的延时摄影的相机也是足够的。利用它的低照度性能，我们还可以把它作为导星摄像头应用到天文摄影中，甚至可以实现长时间曝光用它来拍摄深空天体。

如果把采集480行数据减少到10行甚至更少，我们就可以得到一个帧率达到20FPS的线性摄像头。后续有机会我们将尝试做一个基于F103的摄像头巡线小车。

本项目电路使用嘉立创 EDA 设计、嵌入式程序使用VSCode 和PlatformIO环境开发。所有资料完全开源。代码: https://github.com/xeecos/STM32-USB-Cam

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