基于Cotex-M4內核的實時圖像采集系統

曾文兵，張國平

（華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430079）

基于Cotex-M4內核的實時圖像采集系統

曾文兵，張國平

（華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430079）

為了實現對傳送帶上的儀器的表面裂紋檢測，研究并設計了一種基于Cotex-M4內核的實時圖像采集系統。該系統由STM32F407VET6單片機、CMOS圖像傳感器OV2640以及以太網收發芯片LAN8720A構成。STM32單片機持續地將OV2640采集到的圖像顯示在LCD上面，并通過以太網將圖像數據傳輸到PC機，PC機實時顯示收到的圖像，并儲存起來供圖像表面裂紋分析。實驗結果表明：該系統可得到較清晰的圖像，網絡傳輸過程穩定，并能夠實時地在PC機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；實時圖像采集系統；OV2640圖像傳感器；實時顯示

在零件制造加工和使用的過程中不免會產生表面裂紋。其中在零件加工時產生的裂紋會嚴重影響到產品的整體質量，因此對零件裂紋的檢測顯得尤為重要。傳統的人工檢測依靠人的肉眼識別，效率低，費時費力，嚴重影響產品的進度。如果使用的基于圖像識別技術的計算機自動檢測方法，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的實現[1]。

圖像采集的速度與質量，圖像傳輸的傳輸距離和實時性直接影響產品的檢測結果。大多數圖像采集系統都是基于DSP、ARM技術，一些系統比較復雜、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，實時圖像處理比較困難[2-4]。文中所設計的圖像采集系統以STM32F407VET6單片機為核心，結構簡單，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實時顯示，并通過以太網將圖像上傳到遠程PC機進行圖像分析，保證了圖像處理的實時性和準確性。

1 系統整體設計

整個圖像采集系統的核心在與在系統結構簡單的基礎上，保證圖像采集和圖像傳輸的實時性。本系統中攝像頭傳感器選用的是OV2640，最大輸出200 W像素的圖像，保證了圖像的質量。STM32單片機作為核心，通過DCMI接口接收OV2640發出的高速圖像數據，保證了圖像數據接收的實時性。在完成數據接收之后，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發現器件有裂紋，可以調用此數據進行復查）[6]。最后，STM32F407VET6通過以太網將圖像數據傳輸到遠程PC電腦，電腦即對圖像進行裂紋分析，并實時顯示。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 硬件設計

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

2.1 微處理器的選擇

本系統中的微處理器作為核心，應具有較高主頻，且內部集成高速數據處理接口，ST公司的STM32F407VET6正好符合。它的最大主頻168 MHz，具有192KB SRAM和512KB FLASH，且內部自帶一個數字攝像頭（DCMI）接口，能夠接收外部最高14位CMOS攝像頭發出的高速數據流，并能夠進行壓縮[7]。在網絡通信方面，STM32F407芯片自帶以太網模塊，該模塊包括專用DMA控制器的MAC控制器，能夠實現最高100 Mbit/s的數據傳輸速率。這兩大特性保證了整個圖像采集系統的實時性[8]。

2.2 圖像傳感器的選擇

本系統中的圖像傳感器應該體積小 （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15幀/秒，并且支持圖像壓縮，可以輸出JPEG圖像數據。本系統STM32上傳PC的是400*240尺寸的JPEG格式數據[9-10]。

2.3 以太網接口的設計

STM32F407VET6芯片自帶以太網模塊，該模塊包括帶專用 DMA控制器的MAC802.3（介質訪問控制）控制器，支持介質獨立接口（MII）和簡化介質獨立接口（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，才可以完成以太網通信的，外部PHY芯片可以通過MII/RMII接口與STM32F407VET6內部MAC連接，并且支持SMI（MDIO或MDC）接口配置外部以太網 PHY芯片。文中選用的PHY芯片是LAN8720A，它是低功耗的10/100M以太網PHY層芯片，通過RMII接口與STM32F407VET6以太網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 軟件設計

整個系統的代碼設計是在MDK5集成編譯環境下完成的。其中最主要的是以太網通信模塊的實現和uC/OS-II操作系統的移植。

3.1 單片機以太網通信

本系統中，LAN8720A作為物理層，STM32F407VET6自帶的MAC層相當于數據鏈路層，因此還需要自己實現網絡層和傳輸層的協議。這里引入的是基于 TCP/IP協議的uip協議棧[13]。STM32F407VET6作為TCP服務端，IP地址固定，一直在監聽5050端口。當5050端口有網絡數據時，會對該數據進行解析，如果是發送圖像數據的命令則立即傳輸JPEG格式的圖像數據[14]。整個通信流程如圖4所示。

圖4 以太網通信流程圖

3.2 uC/OS-II操作系統的引入

uC/OS-II實時操作系統是專門為微型計算機設計的。它所采用的應該是搶占式、可剝奪調度思想，也就是任務的運行是由任務的優先級確定的。整個系統被分為幾個任務，每個任務完成一個功能。各任務的功能如表1所示。uC/OS-II的作用就是對多個任務進行調度管理，讓這些任務并發工作，提高系統的實時性[15]。

表1 系統中uC/OS-II任務說明

4 系統測試

在整個系統完成后對系統進行了實際測試。在STM32F407VET6完成初始化之后，在LCD液晶可以看到壓縮后的圖像數據，如圖5所示。

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

圖6中192.168.1.30是STM32F407VET6單片機的網絡地址是可以看出，單片機和電腦之間的網絡連接正常。

為了得到STM32F407VET6通過以太網傳輸到電腦的實際數據，這里使用網絡調試助手進行了查看，如圖7所示。

圖5 LCD界面

圖6 PC端ping單片機網絡界面

圖7 網絡調試助手收到的圖像數據

JPEG格式的圖像數據是以十六進制數0XFFF8開頭，以0XFFF9結尾的。可以看出，圖7中接收到的圖像數據與JPEG規定的格式相同。

為了得出實際的圖像效果，本系統還設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據。

5 結 論

以STM32F407VET6單片機為核心，用LAN8720A以太網模塊，設計了一個簡單實用的遠程圖像采集系統。實際測試表明，系統的LCD液晶能夠實時顯示攝像頭采集到的圖像，并且PC端也能較實時的通過以太網得到圖像數據。

圖8 PC顯示圖像的軟件界面

該系統硬件簡單，成本低，穩定性強，基本上能夠實現圖像采集和圖像數據遠程傳輸的功能，具有一定的實用價值。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行效果處理，這一點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

華中師范大學中央高校基本科研業務費項目資助（CCNU14A02005）

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