葉何

摘 要：本文介紹了一種基于嵌入式STM32F4的馬賽克運動控制系統(tǒng)，通過正反面識別模塊、顆粒顏色識別模塊、鋪貼控制模塊的設(shè)計可實現(xiàn)馬賽克自動鋪貼，經(jīng)過實驗測試，本系統(tǒng)具有鋪貼效率高、運行穩(wěn)定等特點。

關(guān)健詞：嵌入式STM32F4；馬賽克；運動控制系統(tǒng)

1 前言

陶瓷馬賽克作為當代極具觀賞和使用價值的裝飾藝術(shù)，被廣泛應(yīng)用于高端會所、別墅、星級酒店等高雅場所。圖1為生活中常見的馬賽克產(chǎn)品，筆者通過走訪佛山部分馬賽克廠家發(fā)現(xiàn)，此類馬賽克產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化程度不高，雖然市場上有部分機械能實現(xiàn)馬賽克的自動鋪貼，但由于其售價過高、性價比較低，很難在一般的生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)推廣應(yīng)用，本文基于一款性價比極高的嵌入式芯片設(shè)計了一套馬賽克全自動鋪貼系統(tǒng)，對用到的硬件設(shè)備進行了精簡的設(shè)計，同時也保證了鋪貼效果。

馬賽克產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)過程可簡述為圖2中的五個步驟，分別為顆粒的制備、顆粒的鋪貼、紙貼的敷貼、烘干和打包；筆者通過在佛山地區(qū)部分企業(yè)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，馬賽克產(chǎn)品的諸多環(huán)節(jié)依舊靠人工完成，如按預(yù)設(shè)圖案鋪貼馬賽克的環(huán)節(jié)和打包等工作。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

STM32F407采用ARM公司先進的Cortex-M4內(nèi)核框架設(shè)計，該系列存儲器擁有高達1M字節(jié)的片上閃存和196K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM，并集成了多種實用的外設(shè)接口，如本系統(tǒng)用到的FSMC、DCMI及SDIO接口等；圖3為本系統(tǒng)各功能模塊與STM32內(nèi)部資源連接關(guān)系，其內(nèi)部集成的DCMI外設(shè)接口能讓攝像頭獲取的圖像數(shù)據(jù)快速傳入MCU進行處理，此接口使得控制器能在單位時間內(nèi)處理更多的圖像數(shù)據(jù)，有利于提高運動系統(tǒng)的鋪貼效率和識別精度。STM32F4能通過鎖相環(huán)PLLCLK時鐘倍頻到168Mhz的頻率，此頻率比普通的51單片高15倍左右，因而在刷新速度和工作效率上可以取得更加優(yōu)秀的效果。

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用如圖4所示的方案，馬賽克顆粒在振動盤的驅(qū)動下沿其滑道向前運動，經(jīng)過正反面識別模塊的篩選，只有反面朝上的馬賽克顆粒繼續(xù)向前移動，到達顏色識別區(qū)域后，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)圖案選擇指定顏色的馬賽克顆粒通過識別區(qū)域，其余不滿足要求的馬賽克則通過氣嘴吹入振動盤，經(jīng)過篩選合格的馬賽克顆粒會進入顆粒鋪貼系統(tǒng)，鋪貼胎膜可按產(chǎn)品尺寸（mm）定制為10 × 10、20 × 20、25 × 25等不同規(guī)格，鋪貼系統(tǒng)主要由一個XY方向的移動平臺構(gòu)成。通過圖5所示的流程完成顆粒篩選工作。

3 系統(tǒng)各關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計

3.1馬賽克正反面識別模塊

馬賽克顆粒在振動送料器的驅(qū)動下會沿其滑道移動，由于馬賽克顆粒是隨機堆放在振動盤中的，因而從滑道中出來的馬賽克顆粒會出現(xiàn)正面朝上和反面朝上兩種狀態(tài)；實際鋪貼過程中，一般將馬賽克顆粒按預(yù)定順序正面朝下鋪設(shè)在胎膜中，這樣鋪貼完畢后可直接進入下一道紙貼敷貼工序。

馬賽克正反面識別模塊采用如圖6設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)，其中ST188是一種單光束反射式光電傳感器，它主要由一個高發(fā)射功率紅外光電二極管和一個高靈敏度光電接收二極管組成，通過合理的外圍電路設(shè)計，其檢測距離在5 ～ 15 cm之間。TDA2822是意法半導體公司開發(fā)的一款雙通道單片功率放大器，其具有電路簡單、電壓寬度廣、工作穩(wěn)定等特點。在圖6所示的電路中，通過ST188輸出的檢測信號經(jīng)過TDA2822的放大處理后可直接驅(qū)動S9013來控制繼電器的吸合。

3.2馬賽克顏色設(shè)別模塊

TCS230是一款性價比很高的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它由美國TAOS公司推出，該芯片上集成了RGB三種濾光器，可將不同顏色的光信號輸出為數(shù)字量[1]。文獻[2]介紹的顏色識別方案正是基于以上工作原理實現(xiàn)的，通過對此方案進一步研究發(fā)現(xiàn)，TCS230在實際工作過程中容易受周圍環(huán)境光線的影響，而且其識別精度與馬賽克顆粒通過識別區(qū)域的速度有關(guān)，針對以上幾點，本文提出了一種基于OV2640攝像頭模塊的識別方案，通過圖7所示的原理圖連接至系統(tǒng)[3]。

OV2640是美國OmmiVision公司生產(chǎn)的一款1/4寸CMOS圖像傳感器，該傳感器能輸出高達15幀/秒的UXGA圖像，通過SCCB接口編程可控制圖像的輸出模式、幀頻等參數(shù)，支持自動曝光控制、自動消除燈紋和自動白平衡等和圖像識別相關(guān)的關(guān)鍵功能[4]。在本系統(tǒng)中OV2640連接至STM32的DCMI數(shù)字圖像接口可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的傳輸要求，通過軟件設(shè)置將OV2640的圖像輸出為RGB565格式，通過讀取攝像頭指定區(qū)域的RGB數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)換為HSV模型處理，HSV模型能更加清晰地表達色彩的明暗、色調(diào)以及鮮艷程度，從而在實際運用中更有利于顏色的比對[5]。

OV2640識別部分關(guān)鍵代碼如下：

void OV2640_RGB565_Mode（void）

{ u16 i=0；

for（i=0； i<（size of（ov2640_rgb565_reg_tbl）/2）； i++）

{ CCB_WR_Reg（ov2640_rgb565_reg_tbl[i][0]，

ov2640_rgb565_reg_tbl[i][1]）； }

} //設(shè)置：RGB565輸出

LCD_DrawRectangle（215，375，265，425）；

Rs=0； Gs=0； Bs=0；

for（i=1； i<=50； i++）

{ for（j=1； j<=50； j++）

{ masic=LCD_ReadPoint（i+215， j+375）； R=masic>>11；

G=（0x07e0&masic）>>5； B=0x001f&masic； Rs=Rs+R； Gs=Gs+G； Bs=Bs+B } //獲取顏色數(shù)據(jù)

}

4 結(jié)論與展望

筆者設(shè)計的馬賽克自動鋪貼控制系統(tǒng)通過采用OV2640攝像頭模塊可快速判別進入識別區(qū)域的馬賽克顆粒，解決了多色馬賽克顆粒的分選技術(shù)。通過后續(xù)升級可將馬賽克產(chǎn)品打包線集成至本系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 張松燦， 肖本賢. 高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應(yīng)用[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2005（3）：44-46.

[2] 蔡晨暉， 王興波等. 馬賽克自動鋪貼機的控制電路設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 佛山陶瓷， 2016， 26（5）：38-41.

[3] 葉何. 一種基于視覺識別的多顏色馬賽克顆粒分選機構(gòu)[P].中國CN206104397U， 2016.

[4] 王建， 梁振濤， 鄭文斌，等. STM32和OV2640的嵌入式圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2014（9）：46-48.

[5] 唐光艷. VB中RGB顏色模型與HSV顏色模型轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)[J]. 科技信息， 2009（2）：125-126.endprint