曾文兵，張國平

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430079）

基于Cotex-M4內(nèi)核的實(shí)時圖像采集系統(tǒng)

曾文兵，張國平

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430079）

為了實(shí)現(xiàn)對傳送帶上的儀器的表面裂紋檢測，研究并設(shè)計了一種基于Cotex-M4內(nèi)核的實(shí)時圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM32F407VET6單片機(jī)、CMOS圖像傳感器OV2640以及以太網(wǎng)收發(fā)芯片LAN8720A構(gòu)成。STM32單片機(jī)持續(xù)地將OV2640采集到的圖像顯示在LCD上面，并通過以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)實(shí)時顯示收到的圖像，并儲存起來供圖像表面裂紋分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可得到較清晰的圖像，網(wǎng)絡(luò)傳輸過程穩(wěn)定，并能夠?qū)崟r地在PC機(jī)上面顯示采集到的儀器圖像，為儀器裂紋檢測提供了一種解決方案。

裂紋檢測；實(shí)時圖像采集系統(tǒng)；OV2640圖像傳感器；實(shí)時顯示

在零件制造加工和使用的過程中不免會產(chǎn)生表面裂紋。其中在零件加工時產(chǎn)生的裂紋會嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的整體質(zhì)量，因此對零件裂紋的檢測顯得尤為重要。傳統(tǒng)的人工檢測依靠人的肉眼識別，效率低，費(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的進(jìn)度。如果使用的基于圖像識別技術(shù)的計算機(jī)自動檢測方法，則會大大提高檢測效率和檢測精度。在這種自動檢測方法中，最重要的是圖像采集和圖像傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)[1]。

圖像采集的速度與質(zhì)量，圖像傳輸?shù)膫鬏斁嚯x和實(shí)時性直接影響產(chǎn)品的檢測結(jié)果。大多數(shù)圖像采集系統(tǒng)都是基于DSP、ARM技術(shù)，一些系統(tǒng)比較復(fù)雜、成本高，在圖像傳輸時使用的是USB串口，傳輸速度慢、傳輸距離近，實(shí)時圖像處理比較困難[2-4]。文中所設(shè)計的圖像采集系統(tǒng)以STM32F407VET6單片機(jī)為核心，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。通過STM32F407VET6的DCMI接口接收圖像傳感器模塊OV2640采集的圖像讓LCD實(shí)時顯示，并通過以太網(wǎng)將圖像上傳到遠(yuǎn)程PC機(jī)進(jìn)行圖像分析，保證了圖像處理的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

整個圖像采集系統(tǒng)的核心在與在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上，保證圖像采集和圖像傳輸?shù)膶?shí)時性。本系統(tǒng)中攝像頭傳感器選用的是OV2640，最大輸出200 W像素的圖像，保證了圖像的質(zhì)量。STM32單片機(jī)作為核心，通過DCMI接口接收OV2640發(fā)出的高速圖像數(shù)據(jù)，保證了圖像數(shù)據(jù)接收的實(shí)時性。在完成數(shù)據(jù)接收之后，STM32F407VET6首先完成圖像在LCD上的顯示，這部分采用DMA方式輸出到LCD，保證了圖像顯示的實(shí)時性[5]。其次，STM32F407VET6將圖像以JPEG格式保存到SD卡，作為備份（若PC發(fā)現(xiàn)器件有裂紋，可以調(diào)用此數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查）[6]。最后，STM32F407VET6通過以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC電腦，電腦即對圖像進(jìn)行裂紋分析，并實(shí)時顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路主要包括：微處理器、攝像頭、以太網(wǎng)模塊、SD卡、TFT屏、RJ45接口等。

2.1 微處理器的選擇

本系統(tǒng)中的微處理器作為核心，應(yīng)具有較高主頻，且內(nèi)部集成高速數(shù)據(jù)處理接口，ST公司的STM32F407VET6正好符合。它的最大主頻168 MHz，具有192KB SRAM和512KB FLASH，且內(nèi)部自帶一個數(shù)字?jǐn)z像頭（DCMI）接口，能夠接收外部最高14位CMOS攝像頭發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流，并能夠進(jìn)行壓縮[7]。在網(wǎng)絡(luò)通信方面，STM32F407芯片自帶以太網(wǎng)模塊，該模塊包括專用DMA控制器的MAC控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)最高100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。這兩大特性保證了整個圖像采集系統(tǒng)的實(shí)時性[8]。

2.2 圖像傳感器的選擇

本系統(tǒng)中的圖像傳感器應(yīng)該體積小 （便于安裝）、功耗低、圖像幀率高且最好自帶圖像處理功能（如圖像壓縮）。文中選用的OV2640總共1 632*1 232個像素，最大輸出200 W像素，最高幀率達(dá)15幀/秒，并且支持圖像壓縮，可以輸出JPEG圖像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)STM32上傳PC的是400*240尺寸的JPEG格式數(shù)據(jù)[9-10]。

2.3 以太網(wǎng)接口的設(shè)計

STM32F407VET6芯片自帶以太網(wǎng)模塊，該模塊包括帶專用 DMA控制器的MAC802.3（介質(zhì)訪問控制）控制器，支持介質(zhì)獨(dú)立接口（MII）和簡化介質(zhì)獨(dú)立接口（RMII），并自帶了一個用于外部PHY通信的SMI接口，通過一組配置寄存器，用戶可以為MAC控制器和DMA控制器選擇所需模式和功能[11]。

圖2 STM32F407VET6以太網(wǎng)框圖

從圖2可以看出，STM32F407VET6必須外接PHY芯片，才可以完成以太網(wǎng)通信的，外部PHY芯片可以通過MII/RMII接口與STM32F407VET6內(nèi)部MAC連接，并且支持SMI（MDIO或MDC）接口配置外部以太網(wǎng) PHY芯片。文中選用的PHY芯片是LAN8720A，它是低功耗的10/100M以太網(wǎng)PHY層芯片，通過RMII接口與STM32F407VET6以太網(wǎng)MAC層通信[12]。LAN8720A與STM32F407VET6的連接方式如圖3所示。

圖3 LAN8720A與STM32F407VET6連接電路圖

3 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的代碼設(shè)計是在MDK5集成編譯環(huán)境下完成的。其中最主要的是以太網(wǎng)通信模塊的實(shí)現(xiàn)和uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植。

3.1 單片機(jī)以太網(wǎng)通信

本系統(tǒng)中，LAN8720A作為物理層，STM32F407VET6自帶的MAC層相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層，因此還需要自己實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的協(xié)議。這里引入的是基于 TCP/IP協(xié)議的uip協(xié)議棧[13]。STM32F407VET6作為TCP服務(wù)端，IP地址固定，一直在監(jiān)聽5050端口。當(dāng)5050端口有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時，會對該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，如果是發(fā)送圖像數(shù)據(jù)的命令則立即傳輸JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)[14]。整個通信流程如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)通信流程圖

3.2 uC/OS-II操作系統(tǒng)的引入

uC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)是專門為微型計算機(jī)設(shè)計的。它所采用的應(yīng)該是搶占式、可剝奪調(diào)度思想，也就是任務(wù)的運(yùn)行是由任務(wù)的優(yōu)先級確定的。整個系統(tǒng)被分為幾個任務(wù)，每個任務(wù)完成一個功能。各任務(wù)的功能如表1所示。uC/OS-II的作用就是對多個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理，讓這些任務(wù)并發(fā)工作，提高系統(tǒng)的實(shí)時性[15]。

表1 系統(tǒng)中uC/OS-II任務(wù)說明

4 系統(tǒng)測試

在整個系統(tǒng)完成后對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試。在STM32F407VET6完成初始化之后，在LCD液晶可以看到壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，如圖5所示。

接下來到將單片機(jī)的網(wǎng)口和電腦用網(wǎng)線連接起來，并對電腦的本地連接屬性進(jìn)行配置。配置完成后首先進(jìn)行了ping命令檢測，如圖6所示。

圖6中192.168.1.30是STM32F407VET6單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址是可以看出，單片機(jī)和電腦之間的網(wǎng)絡(luò)連接正常。

為了得到STM32F407VET6通過以太網(wǎng)傳輸?shù)诫娔X的實(shí)際數(shù)據(jù)，這里使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行了查看，如圖7所示。

圖5 LCD界面

圖6 PC端ping單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)界面

圖7 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手收到的圖像數(shù)據(jù)

JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)是以十六進(jìn)制數(shù)0XFFF8開頭，以0XFFF9結(jié)尾的?？梢钥闯觯瑘D7中接收到的圖像數(shù)據(jù)與JPEG規(guī)定的格式相同。

為了得出實(shí)際的圖像效果，本系統(tǒng)還設(shè)計了一個圖像顯示軟件，如圖8所示。軟件是使用C++語言編寫的，這里篇幅有限，就不詳細(xì)介紹了。在圖8中，軟件較清楚地顯示了攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

以STM32F407VET6單片機(jī)為核心，用LAN8720A以太網(wǎng)模塊，設(shè)計了一個簡單實(shí)用的遠(yuǎn)程圖像采集系統(tǒng)。實(shí)際測試表明，系統(tǒng)的LCD液晶能夠?qū)崟r顯示攝像頭采集到的圖像，并且PC端也能較實(shí)時的通過以太網(wǎng)得到圖像數(shù)據(jù)。

圖8 PC顯示圖像的軟件界面

該系統(tǒng)硬件簡單，成本低，穩(wěn)定性強(qiáng)，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)圖像采集和圖像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?，具有一定的?shí)用價值。遺憾的是，由于時間倉促，PC軟件代碼方面并沒有對接收到的圖像進(jìn)行效果處理，這一點(diǎn)將在以后的工作中完善。

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A real-time image acquisition system based on Cotex-M4 kernel

ZENG Wen-bing，ZHANG Guo-ping
（College of Physical Science and Technology in Central China Normal University，Wuhan 430079，China）

A real-time image acquisition system based on Cotex-M4 kernel is researched and designed in order to detect the surface crack of the instrument on the conveyor belt.The system is composed of STM32F407VET6 MCU，CMOS image sensor OV2640 and Ethernet transceiver chip LAN8720A.STM32 MCU continuouslydisplays the imagescollected by OV2640，and transmits image data to the PC through Ethernet，then the PC would display the image immediately and store the image data for the analysis of surface cracks.Experimental results show that the system can get a clear image，and the transmission process of network is stable，also the PC can display the collected imagein real time，which it provides a solution for crack detection of instrument.

crack detection； RS485； real-time image acquisition system； OV2640 image sensor； show in real-time

TN919.82

：A

：1674－6236（2017）14-0175-04

2016-05-26稿件編號：201605254

華中師范大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目資助（CCNU14A02005）

曾文兵（1989—），男，湖南懷化人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。