基于STM32的空間實(shí)驗(yàn)圖像采集與顯示系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘?要：隨著未來中國空間站的建成，后續(xù)太空教學(xué)活動(dòng)與搭載項(xiàng)目的日益增多，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行圖像采集處理顯得至關(guān)重要。本文采用OV2640攝像頭，通過STM32微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理，并將實(shí)驗(yàn)圖像實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，為空間教育類實(shí)驗(yàn)提供適應(yīng)性廣、接口統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：空間站;教育實(shí)驗(yàn);圖像采集

隨著未來中國空間站的建成，空間站公共實(shí)驗(yàn)柜也將為全球科學(xué)愛好者開放空間實(shí)驗(yàn)資源。微重力、高真空等獨(dú)特的太空環(huán)境對(duì)青少年學(xué)生具有特殊的吸引力，隨著后續(xù)太空教學(xué)活動(dòng)與搭載項(xiàng)目的日益增多，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行圖像采集處理顯得至關(guān)重要。本文的核心在于采用OV2640攝像頭采集實(shí)驗(yàn)圖像，并通過微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為空間教育類實(shí)驗(yàn)提供適應(yīng)性廣、接口統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

一、空間教育類實(shí)驗(yàn)概述[1]

2000—2016年的16年間，“國際空間站”主導(dǎo)開展了大量的太空教學(xué)與青少年實(shí)驗(yàn)搭載活動(dòng)。其中，較為典型的項(xiàng)目如CSI系列“太空生物課”教學(xué)活動(dòng)、Nanorack系列“青少年創(chuàng)意太空實(shí)驗(yàn)”活動(dòng)。自2007年起，CSI系列教學(xué)活動(dòng)利用國際空間站商業(yè)生物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展了大量的太空教學(xué)活動(dòng)，持續(xù)進(jìn)行了包括種子萌發(fā)、線蟲培養(yǎng)、植物生長、蝴蝶行為研究等教育類實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)的探索欲望和學(xué)習(xí)熱情。

近十年來，我國在青少年太空教學(xué)與太空實(shí)驗(yàn)搭載方面同樣開展了大量工作，成果顯著。2013年6月，在神舟十號(hào)執(zhí)行任務(wù)期間，我國首次太空授課活動(dòng)成功舉行，在距離地球表面340千米左右的近地軌道上，女航天員王亞平擔(dān)任主講，為全國8萬所學(xué)校的6000余萬師生帶來了一堂生動(dòng)有趣的物理實(shí)驗(yàn)課。

二、空間教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于空間實(shí)驗(yàn)柜的空間教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠滿足青少年學(xué)生的個(gè)性化要求，能夠支持各種太空教育類實(shí)驗(yàn)，如生物、化學(xué)、物理等，同時(shí)滿足不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜控系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)過程的無人化控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取、存儲(chǔ)，并統(tǒng)一向數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等操作。

三、空間實(shí)驗(yàn)圖像采集與顯示系統(tǒng)

空間實(shí)驗(yàn)圖像采集與顯示系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，通過對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)監(jiān)控等功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)由STM32系列、電源DC/DC轉(zhuǎn)化模塊、OV2640攝像頭、觸摸液晶屏等組成。

本系統(tǒng)采用OV2640攝像頭采集實(shí)驗(yàn)過程圖像，然后通過STM32系列控制器處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過5寸電容觸摸屏進(jìn)行顯示。控制原理見圖所示：

（一）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集[2-3]

本系統(tǒng)選用圖像傳感器OV2640采集實(shí)驗(yàn)圖像，OV2640是一款CMOS圖像傳感器，具有體積小，重量輕、功耗低等特點(diǎn)，分辨率最大可以達(dá)到1600×1200。該款圖像傳感器可直接輸出JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量大幅降低，因此速度可達(dá)15幀/秒，使圖像數(shù)據(jù)的傳輸更加高效。通過控制SCCB總線接口，對(duì)其進(jìn)行編程從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)白平衡、曝光控制等圖像處理功能。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸

為了使實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)能夠高效快速的進(jìn)行處理與傳輸，本系統(tǒng)選用STM32-F7系列控制器，該款芯片自帶一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭接口DCMI。DCMI接口是同步并行接口，可采集由JPEG格式壓縮的數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)54MB/秒的數(shù)據(jù)采集。

DMA，即直接存儲(chǔ)區(qū)訪問（Direct Memory Access）為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速在外設(shè)寄存器與存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間傳輸提供了高效的方法。STM32F7系列的DMA功能齊全，工作模式眾多，支持I2C、DCMI等外設(shè)到存儲(chǔ)器傳輸、存儲(chǔ)器到外設(shè)傳輸和存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器傳輸三種傳輸模式。DMA的功能是可以快速移動(dòng)內(nèi)存數(shù)據(jù)。

（三）實(shí)驗(yàn)圖像的顯示

實(shí)驗(yàn)圖像采用5寸液晶屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，使用I2C通信，該液晶屏的分辨率為800×480，支持RGB888格式，顯示圖像范圍較大。

四、軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件由多個(gè)子功能模塊相互協(xié)作完成系統(tǒng)功能要求，如攝像頭模塊、DMA傳輸模塊、液晶屏顯示模塊以及軟件看門狗模塊等。在主函數(shù)中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。攝像頭部分，調(diào)用相關(guān)函數(shù)初始化DCMI接口和I2C接口，接下來調(diào)用讀取攝像頭ID函數(shù)檢查底板是否正常連接OV2640攝像頭，如函數(shù)返回正常則對(duì)DCMI的工作模式及DMA進(jìn)行初始化，再向攝像頭寫入寄存器配置，接下來DCMI開始采集數(shù)據(jù)，通過DMA將攝像頭采集的實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上面。

五、總結(jié)與思考

在本系統(tǒng)中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與改進(jìn)，最終成功將OV2640采集到的實(shí)驗(yàn)圖像信息實(shí)時(shí)顯示在5寸液晶屏上。在程序編寫和調(diào)試過程中，總結(jié)出以下兩點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）圖像傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，不同的圖像傳感器在性能、參數(shù)方面差異較大，因此需要根據(jù)圖像采集需求選擇合適的圖像傳感器。本系統(tǒng)選用的OV2640圖像傳感器由于自帶DCMI接口，且可采集JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)，方便快捷。

（2）在使用OV2640圖像傳感器過程中，值得注意的是首先應(yīng)當(dāng)調(diào)用GPIO引腳初始化程序，并使能DCMI時(shí)鐘，對(duì)DCMI的所有信號(hào)線進(jìn)行初始化，使其成為復(fù)用模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜，李得天，周暉.國際空間站植物培養(yǎng)裝置與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013（11）：234-238.

[2]黃健，羅國平，杜麗君.基于STM 32F407平臺(tái)OV2640驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].通訊世界，2015（19）：252-253.

[3]楊宇，賈永興，榮傳振.基于STM 32F407的圖像采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015（08）：30-32.

作者簡介：楊芳（1989—?），女，江西南昌人，碩士研究生，畢業(yè)于北京理工大學(xué)，研究方向：空間機(jī)電設(shè)備研發(fā)。