邸 興，張 杰

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

高速攝像機是一種可以很高幀頻對物體的運動影響進行拍攝的攝像機，高速攝像機一般可以每秒1 000～10 000幀的幀頻甚至更高。因此在研究高速運動物體的運動方面有著廣泛的應(yīng)用，例如在汽車碰撞測試過程中、高速攝像可以驗證氣囊的膨脹方式是否對人體產(chǎn)生不良影響；在開發(fā)低噪音的機電設(shè)備過程中，可以通過慢動作圖像分析防噪音零件震動的情況，以制造更加安靜的產(chǎn)品，高速攝像還可以應(yīng)用于對子彈發(fā)射出膛速度進行拍攝測量。

由于高速攝像機拍攝圖像數(shù)據(jù)量非常大，導(dǎo)致高速攝像機不能像普通攝像機那樣長時間記錄工作，一般只能連續(xù)拍攝幾秒鐘至幾分鐘，所以高速攝像機的通常的工作模式采用外部觸發(fā)模式，高速攝像機開機后不立即進行拍攝，只有當(dāng)有外部觸發(fā)信號到來時才進行短時間的拍攝記錄，這樣就能保證可以拍攝到需要關(guān)注的高速影像，在某些特殊應(yīng)用環(huán)境中采用單臺高速攝像機不能滿足要求，需要使用多臺高速攝像機同時工作，這就要求在需要拍攝時實現(xiàn)對多臺高速攝像機進行同步觸發(fā)拍攝影像。這種環(huán)境下通常多臺高速攝像機架設(shè)距離比較遠，無法實現(xiàn)手動對多臺高速攝像機進行同步觸發(fā)，這時就需要實現(xiàn)遠程高速攝像機的同步觸發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

多臺高速攝像機同步觸發(fā)系統(tǒng)是將多臺高速攝像機通過以太網(wǎng)連[1－2]接至監(jiān)控室，監(jiān)控室內(nèi)通過監(jiān)控計算機或高速攝像機觸發(fā)信號發(fā)送器發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包至觸發(fā)信號接收器，觸發(fā)信號接收器接收到UDP數(shù)據(jù)包后，完成對高速攝像機的外部同步觸發(fā)工作。

如圖1所示，高速攝像機遠程同步觸發(fā)系統(tǒng)，由觸發(fā)信號發(fā)送系統(tǒng)和觸發(fā)信號接收系統(tǒng)兩部分組成，遠程同步觸發(fā)有兩種工作模式，第一種使用監(jiān)控計算機使用VC++編寫觸發(fā)軟件，在需要觸發(fā)時使用軟件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送觸發(fā)數(shù)據(jù)，觸發(fā)信號接收器在接收到觸發(fā)數(shù)據(jù)包后，完成對其所控制高速攝像機的觸發(fā)工作。第二種工作模式為使用觸發(fā)信號發(fā)送器完成觸發(fā)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，當(dāng)需要觸發(fā)高速攝像機時，按下觸發(fā)按鈕，當(dāng)觸發(fā)信號發(fā)送器檢測到觸發(fā)按鈕按下時，發(fā)送數(shù)據(jù)給觸發(fā)信號接收器，接收器在接收到觸發(fā)數(shù)據(jù)包后，完成對高速攝像機的同步觸發(fā)。

圖1 高速攝像機遠程同步觸發(fā)系統(tǒng)框圖Fig.1 High speed camera remote synchronous trigger system

2 高速攝像機同步觸發(fā)器設(shè)計

同步觸發(fā)器主要由觸發(fā)信號發(fā)送器和觸發(fā)信號接收器兩部分組成，觸發(fā)信號發(fā)送器主要完成觸發(fā)按鈕信號的檢測和觸發(fā)信號的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)編碼工作，主要由STM32F107VCT6和DP83848以及按鈕檢測部分構(gòu)成，STM32微控制器集成了包含以太網(wǎng)MAC的網(wǎng)絡(luò)模塊，通過RMII接口與外圍PHY芯片DP83848[3]相連,將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)變壓器后輸出。

觸發(fā)信號接收器主要由 STM32F107VCT6、DP83848、高速攝像機觸發(fā)部分組成，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)上的觸發(fā)高速攝像機數(shù)據(jù)時，STM32驅(qū)動繼電器完成對高速攝像機的觸發(fā)功能。

2.1 STM32F107VCT6系列ARM微控制器

STM32F107VCT6使用高性能的 ARM Cortex－M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器 (高達256K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB、一個以太網(wǎng)MAC和一個CAN。供電電壓2.0～3.6 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

本設(shè)計主要使用STM32的以太網(wǎng)MAC控制器完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送，STM32F107VCT6的以太網(wǎng)控制器主要有以下功能[4]：

1)通過外接的PHY接口，支持10/100M位/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率；

2)通過兼容IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的MII接口，外接高速以太網(wǎng)PHY；

3)支持全雙工和半雙工操作；

4)在發(fā)送時插入前導(dǎo)符和幀開始數(shù)據(jù)(SFD)，在接收時去掉這些域；

5)以幀為單位，自動計算CRC和產(chǎn)生可控制的填充位；

6)在接收幀時，自動去除填充位/CRC為可選項；

7)可對幀長度進行編程，支持最長為16K字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)幀；

8)可對幀間隙進行編程(40～96位，以8位為單位改變)；

2.2 DP83848以太網(wǎng)PHY芯片

DP83848是美國國家半導(dǎo)體公司退出的10/100位/秒的單路以太網(wǎng)物理層器件，它具有低功耗性能，內(nèi)部包含一個智能電源，具有關(guān)閉狀態(tài)能量檢測模式。能量檢測模式提供了當(dāng)器件未連接到激活的鏈接對象時節(jié)能的機制。當(dāng)沒有電纜存在或者電纜連接到電源處于關(guān)閉狀態(tài)的對象的時候，能夠設(shè)置DP83848自動進入低功耗狀態(tài)。一旦插上電纜器件便可繼續(xù)工作，當(dāng)嘗試與遠端對象建立活動鏈接的時候，DP83848能夠自動上電進入全功能工作狀態(tài)。

當(dāng)進入到低功耗能量檢測狀態(tài)時，DP83848通過禁止除能量檢測電路以外的所有接收電路來減少其功率消耗。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電源部分硬件設(shè)計

電源使用金升陽LH05－13B05 AC－DC電源，它可將220 V交流電源直接轉(zhuǎn)換成直流5 V輸出，具有寬輸入電壓：85～305VAC/120～430VDC， 軍工級低溫工作范圍：－40～70 ℃，轉(zhuǎn)換效率高達 87%，滿足 IEC60950、EN60950、UL60950安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具有輸出短路、過壓、過流等保護功能。

由于由STM32F107VCT6和DP83848均采用3.3 V供電，需要使用LDO將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，這里我們選用國家半導(dǎo)體公司的LM1085－3.3，它具有最大3 A的輸出電流，完全滿足本設(shè)計的要求。電源電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 遠程同步觸發(fā)器電源電路Fig.2 Power circuit of remote synchronous trigger

3.2 網(wǎng)絡(luò)接口部分硬件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)接口使用部分使用STM32通過RMII接口與DP83848連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，DP83848的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)接口接入RJ45插座，經(jīng)過內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離后與交換機相連，電路設(shè)計如圖3所示。

3.3 高速攝像機觸發(fā)接口部分硬件設(shè)計

當(dāng)觸發(fā)信號接收器接收到網(wǎng)絡(luò)上送出的觸發(fā)數(shù)據(jù)時，驅(qū)動繼電器接通高速攝像機的觸發(fā)管腳，觸發(fā)高速攝像機完成影像的拍攝，圖中的IN4007用作續(xù)流二極管，防止繼電器斷開時產(chǎn)生反向電動勢，觸發(fā)接口電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

高速攝像機同步觸發(fā)器設(shè)計過程中軟件部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧移植了LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[5－7]，實現(xiàn)了UDP數(shù)據(jù)包的發(fā)送，LwIP是Light Weight(輕型)IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行。LwIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，它只需十幾KB的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。

4.1 觸發(fā)信號發(fā)送器軟件設(shè)計

圖3 遠程同步觸發(fā)器網(wǎng)絡(luò)接口電路Fig.3 Network interface circuit of remote synchronous trigger

圖4 高速攝像機觸發(fā)接口電路Fig.4 Trigger circuit of high speed camera

觸發(fā)信號發(fā)送器主要在檢測觸發(fā)按鍵是否按下，當(dāng)確認(rèn)觸發(fā)按鍵按下時，向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送觸發(fā)高速攝像機的UDP數(shù)據(jù)包，STM32首先完成硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的初始化，在初始化完成后就循環(huán)檢測按鍵是否按下，如果按下就發(fā)送一次數(shù)據(jù)，程序流程圖如圖5所示。

圖5 觸發(fā)信號發(fā)送器軟件流程圖Fig.5 The software flow chart of transmitter

4.2 觸發(fā)信號接收器軟件設(shè)計

觸發(fā)信號接收器在接收到要求觸發(fā)高速攝像機的數(shù)據(jù)時，驅(qū)動繼電器完成對高速攝像機的觸發(fā)，STM32首先完成硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的初始化，然后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的特定端口的數(shù)據(jù)，如果接收到觸發(fā)高速攝像機的數(shù)據(jù)，驅(qū)動繼電器完成觸發(fā)后，繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖6所示。

圖6 觸發(fā)信號接收器軟件流程圖Fig.6 The software flow chart of receiver

5 結(jié)論

基于以太網(wǎng)的遠程高速攝像機同步觸發(fā)系統(tǒng)，借用高速攝像機本身的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)無人值守的多臺高速攝像機同步觸發(fā)，有效的解決了影像測量帶中多臺高速攝像機同步觸發(fā)拍攝的問題，可以實現(xiàn)高速攝像機的遠程網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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