4、图像采集与预处理移植（上）：CIS驱动时序适配、DMA传输配置、图像数据格式转换（RGB565转灰度图）

各位工程师，大家好。欢迎来到第四章。

这一章，我们开始真正碰硬件了。图像采集，说白了就是让CIS（接触式图像传感器）老老实实地把钞票的影像“吐”出来。这一步要是没做好，后面算法再牛也白搭。我个人习惯把这一章分成三块：CIS的时序怎么伺候好、DMA怎么把数据高效搬走、以及拿到RGB565数据后怎么转成灰度图。咱们一个一个来。

4.1 CIS驱动时序适配：让传感器“听话”

CIS这玩意儿，说简单也简单，说复杂也复杂。它本质上就是一排感光单元，外加一个模拟前端。你需要给它提供正确的时钟、行同步信号，它才会乖乖地输出一行一行的像素数据。

核心信号就那么几个：

  • CLK（主时钟）：CIS的“心跳”。频率决定了每行像素的读出速度。我见过不少新手上来就把CLK拉到最高，结果图像全是噪点。为什么？因为模拟前端跟不上。
  • SI（行起始信号）：告诉CIS“开始新的一行”。这个脉冲的宽度和时序位置，每个厂家、每个型号都有细微差别。
  • SP（采样时钟）：在SI之后，每个CLK周期输出一个像素。SP的边沿要对齐像素数据的有效窗口。
  • VOUT（模拟视频输出）：这是CIS输出的模拟信号，需要经过ADC转换成数字量。

嗯，这里要注意。不同厂家的CIS，比如Toshiba、Hamamatsu、或者国产的一些品牌，它们的时序参数表（Datasheet）里，对SI的建立时间、保持时间要求完全不同。我曾经在一个项目中，因为SI的脉冲宽度差了0.1微秒，导致整张图像出现了周期性的条纹。排查了整整两天，最后用示波器一量，才发现是时序没对齐。

避坑指南： 移植CIS驱动时，不要迷信“通用驱动”。一定要拿着Datasheet，对着示波器，一个一个参数去核对。特别是SI的下降沿到第一个SP上升沿之间的延迟，这个值错了，图像就会“歪”。

我建议的适配步骤：

  1. 读Datasheet：找到CIS的时序图，把CLK频率、SI脉宽、SP与SI的关系画出来。
  2. 配置MCU的定时器：用定时器的PWM或比较输出模式，精确生成SI和SP信号。别用软件延时去模拟，精度不够。
  3. 示波器验证：把SI和SP接到示波器上，调整定时器的参数，直到波形和Datasheet上的图一模一样。
  4. 看输出：接上ADC，看看VOUT引脚上有没有稳定的模拟波形。如果没有，回头检查供电和复位。

4.2 DMA传输配置：让CPU“歇着”

CIS一旦开始工作，数据是源源不断的。以一张A4大小的钞票为例，假设CIS分辨率是200DPI，一行就有约1700个像素。如果每个像素是16位（RGB565），一行就是3400字节。如果每秒采集100行，那就是340KB/s的数据量。

如果让CPU一个字节一个字节地去读ADC的结果，那CPU就别干别的了。所以，必须用DMA（直接存储器访问）。

DMA配置的几个关键点：

  • 源地址：ADC的数据寄存器地址。注意，有些ADC是16位的，有些是8位的。要配置对数据宽度。
  • 目的地址：内存中的缓冲区地址。我习惯用双缓冲（ping-pong buffer）。一个缓冲区在接收数据，另一个缓冲区让CPU处理。这样流水线作业，效率最高。
  • 传输长度：一行像素的字节数。每次CIS输出一行，DMA就传输一次。传输完成后触发中断。
  • 触发源：DMA的传输由谁触发？通常是ADC的转换完成事件。ADC每转换完一个像素，就触发DMA搬运一次。
核心经验： 我在移植时，最常踩的坑是DMA的“突发传输”配置。有些MCU支持突发传输（Burst），一次可以搬4个或8个数据。这确实能提高效率，但如果CIS的输出时序和DMA的突发节奏不匹配，就会丢数据。我的建议是：初期先用单次传输（Single Transfer），跑通了再优化成突发。

一个典型的DMA配置代码片段（伪代码）：

// 假设ADC数据寄存器地址为 ADC1_DR
// 缓冲区为 uint16_t buffer[LINE_WIDTH]

DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;

// 使能DMA时钟
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

// 配置DMA通道
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)buffer;
DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = LINE_WIDTH;
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址不变
DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;         // 内存地址递增
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 16位
DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; // 每次传输一行，用循环模式也行
DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStruct.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;

DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStruct);

// 使能DMA传输完成中断
DMA_ITConfig(DMA1_Channel1, DMA_IT_TC, ENABLE);

// 使能DMA通道
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);

你想想看，配置好DMA之后，CPU只需要在中断里处理一帧完整的数据，中间的过程完全不用管。这才是嵌入式开发的优雅之处。

4.3 图像数据格式转换：RGB565转灰度图

CIS输出的原始数据，通常是RGB565格式。也就是每个像素用16位表示，高5位是红色，中间6位是绿色，低5位是蓝色。为什么是565？因为人眼对绿色最敏感，所以绿色多给1位。

但我们的识别算法，大部分是基于灰度图的。因为灰度图计算量小，而且对光照变化不那么敏感。所以，第一步就是把RGB565转成灰度图。

转换公式（标准加权法）：

Gray = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B

这个公式模拟了人眼对亮度的感知。但注意，在嵌入式平台上，浮点运算太慢了。我们要用整数运算来近似。

我常用的整数近似方法：

// 输入：RGB565像素值 (uint16_t)
// 输出：灰度值 (uint8_t)
uint8_t RGB565ToGray(uint16_t rgb565)
{
    // 提取RGB分量
    uint8_t r = (rgb565 >> 11) & 0x1F; // 5位
    uint8_t g = (rgb565 >> 5)  & 0x3F; // 6位
    uint8_t b = rgb565 & 0x1F;          // 5位

    // 扩展到8位（左移高位补0）
    r = (r << 3) | (r >> 2);
    g = (g << 2) | (g >> 4);
    b = (b << 3) | (b >> 2);

    // 整数加权：Gray = (77*R + 150*G + 29*B) >> 8
    // 系数来源：0.299*256 ≈ 76.5，取77；0.587*256 ≈ 150.3，取150；0.114*256 ≈ 29.2，取29
    uint16_t gray = (77 * r + 150 * g + 29 * b) >> 8;

    return (uint8_t)gray;
}
性能优化小技巧： 如果CIS输出的像素是连续的，可以用查表法。提前算好一个256字节的表（因为R和B只有5位，G有6位，但扩展后都是8位），把每个可能的RGB值对应的灰度值存进去。这样转换一个像素只需要几次查表和加法，比乘法快得多。我在一个高速点钞机项目里，就是用查表法把转换时间从5微秒降到了0.5微秒。

为什么不用平均值法（R+G+B）/3？

因为人眼对绿色更敏感。平均值法会把绿色和红色、蓝色等同对待，导致图像看起来“发灰”，对比度不够。你想想看，如果一张钞票上的红色图案和绿色图案亮度一样，平均值法就分不出来了。而加权法能保留更多的细节。

好了，这一章的内容就到这里。我们搞定了CIS的时序、DMA的配置、以及RGB565到灰度图的转换。下一章，我们会继续深入图像预处理，聊聊滤波和边缘增强。这些东西，在识别脏污、残损的钞票时特别有用。

记住，硬件驱动是地基。地基不稳，楼盖得再高也得塌。动手去调吧，别怕示波器上的波形乱，乱了才能学会怎么把它调顺。

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