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(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

目前傳統(tǒng)的軌距調(diào)整通常是人工撬棍模式，在軌距調(diào)整中首先需要測(cè)量軌道的幾何參數(shù)，一般就是軌距和水平，再與標(biāo)準(zhǔn)軌距、水平相比較從而得出調(diào)整距離和水平?，F(xiàn)階段檢測(cè)軌距、水平所使用的是數(shù)顯軌距尺，如圖1所示，其讀數(shù)模塊如圖2所示。數(shù)顯軌距尺雖然穩(wěn)定性好，但是檢測(cè)人員讀數(shù)不便，測(cè)量數(shù)據(jù)無法保存。在實(shí)際使用時(shí)，每次測(cè)量檢測(cè)人員都需要屈身進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù)，使用十分不便，導(dǎo)致勞動(dòng)力度大，工作效率低，對(duì)于長(zhǎng)距離的軌道檢測(cè)極其不利，特別是在夜間作業(yè)的時(shí)候。在測(cè)量中，軌距的測(cè)量數(shù)據(jù)只作為單次調(diào)整使用，無法保存、上傳分析。隨著工業(yè)發(fā)展，軌距的調(diào)整也必然走向自動(dòng)化。要實(shí)現(xiàn)軌距調(diào)整的自動(dòng)化，首先需要解決的就是軌距尺讀數(shù)的自動(dòng)識(shí)別，獲取可以識(shí)別的圖像就尤為關(guān)鍵，為此，需要將軌距尺的圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸，以便達(dá)到自動(dòng)控制的要求。本文基于這一需求，設(shè)計(jì)了基于STM32的嵌入式圖像采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅方便了讀數(shù)，也實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示與保存，便于以后數(shù)據(jù)的離線分析，以及數(shù)據(jù)處理。

圖1 數(shù)顯軌距尺 圖2 數(shù)顯軌距尺讀數(shù)模塊

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以及功能

基于數(shù)顯軌距尺圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，建立了如圖3所示的系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖。主要由控制器模塊、圖像采集模塊，圖像存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊構(gòu)成。本設(shè)計(jì)的控制器模塊是以基于Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F407ZGT6(以下簡(jiǎn)稱STM32)處理器作為核心，是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元。圖像采集模塊使用OV2640圖像傳感器，用于采集軌距尺顯示的數(shù)據(jù)，STM32通過SCCB總線控制圖像傳感器的讀寫來采集圖像數(shù)據(jù)。為了提取合適的圖像，添加了按鍵控制功能，通過按鍵可以采集當(dāng)前圖像，采集圖像后，將采集到的圖像顯示在LCD屏上。在LCD屏上可以清晰的顯示軌距尺所測(cè)的軌距，水平參數(shù)。SD卡則能夠?qū)D像以文件的形式保存，保存在卡上的圖像可以在PC或其它設(shè)備上查看。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器STM32F4

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所使用的STM32開發(fā)板芯片為STM32F407ZGT6，該芯片擁有先進(jìn)的Cortex-M4內(nèi)核，集成 FPU和 DSP 指令，增強(qiáng)的DSP處理指令[1]。同時(shí)STM32具有SDIO接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取；自帶DCMI接口，能夠接受外部CMOS攝像頭發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流。芯片的配置十分完備，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

STM32F4芯片帶有DCMI同步并行接口，該接口能夠接收外部 8 位、10 位、12 位或 14 位 CMOS 攝像頭模塊發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流，并且可支持不同的數(shù)據(jù)格式的逐行視頻和壓縮數(shù)據(jù) (JPEG)[2]。DCMI 接口的數(shù)據(jù)捕獲支持兩種模式，一種為快照模式，另一種為連續(xù)采集模式[3]。

STM32的SDIO控制器支持SD存儲(chǔ)卡設(shè)備，其主要包括兩個(gè)部分，SDIO適配器和ABP2接口，SD卡連接至總線，即可通過主機(jī)配置數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 圖像傳感器OV2640模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的OV2640圖像傳感器，是由OV(OmniVision)公司生產(chǎn)的1/4寸CMOS UXGA(1632*1232)圖像傳感器。該傳感器具有特點(diǎn)如下：

1)高靈敏度可以在低亮度條件下工作。

2)低操作電壓適合嵌入式應(yīng)用。

3)標(biāo)準(zhǔn)的 SCCB 接口。

4)具有圖像質(zhì)量控制功能，包括飽和度、色相、伽馬、銳度等設(shè)置。

5)支持閃光燈和LED。

6)支持圖像縮放、平移和窗口設(shè)置，支持圖像壓縮，即可輸出 JPEG 圖像數(shù)據(jù)。

7)自帶嵌入式微控制器。

從其特點(diǎn)可以看出該圖像傳感器具有的體積小，高靈敏度，工作電壓低的優(yōu)點(diǎn)，十分適合應(yīng)用于本設(shè)計(jì)中。

OV2640 的圖像數(shù)據(jù)的輸出是在 VSYNC、HREF/ HSYNC和PCLK的控制下，通過Y[9:0]進(jìn)行傳輸?shù)?。在行輸出時(shí)序，在 HREF 為高電平時(shí)，圖像數(shù)據(jù)輸出，當(dāng) HREF 變高電平，每一個(gè) PCLK 時(shí)鐘，輸出一個(gè) 8 位/10位數(shù)據(jù)[4]。本設(shè)計(jì)采用的是8位接口，即一個(gè)PCLK 輸出1個(gè)字節(jié)，幀時(shí)序的數(shù)據(jù)輸出原理也是類似，STM32只要按照這個(gè)時(shí)序去讀取攝像頭模塊數(shù)據(jù)即可得到對(duì)應(yīng)的RGB圖像數(shù)據(jù)。如果要輸出數(shù)據(jù)是JPEG數(shù)據(jù)，輸出方式也是相同的，其數(shù)據(jù)讀取方法也相同，輸出的數(shù)據(jù)是壓縮后的 JPEG 數(shù)據(jù)，輸出的 JPEG 數(shù)據(jù)以：0XFF,0XD8 開頭，以 0XFF,0XD9 結(jié)尾，0XFF,將OXEF，0XD8～0XFF,0XD9 之間的數(shù)據(jù)，保存為.jpg或者.jpeg 文件，即可在PC端直接查看圖片。

OV2640的輸出通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/10位影像數(shù)據(jù)[5]。用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像質(zhì)量、傳輸方式以及數(shù)據(jù)格式進(jìn)行控制[4]。通過SCCB接口編程可以實(shí)現(xiàn)圖像的處理，包括白平衡、對(duì)比度、色度等。通過編程控制從而可以采集到清晰穩(wěn)定的彩色圖像。

SCCB接口控制圖像傳感器芯片的運(yùn)作，SCCB時(shí)序和I2C時(shí)序類似，SCCB也是兩線式串行總線，用于連接微控制器和外圍設(shè)備，是由數(shù)據(jù)線SIO_D和時(shí)鐘SIO_C構(gòu)成的串行總線，SIO_D是串行雙向數(shù)據(jù)傳輸線，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

為了使OV2640與STM32F4進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)了OV2640圖像傳感器模塊。該模塊焊接了有源晶振，可以產(chǎn)生24 MHz時(shí)鐘，將其作為OV2640的XVCLK輸入，同時(shí)該模塊也添加了RT9193-2.8以及XC6219B芯片，用于產(chǎn)生2.8 V以及1.3 V電壓源，為OV2640供電。最終引出一個(gè)29的雙排排針。與外部通信，該模塊的通信信號(hào)引腳以及作用如下： VCC接口為模塊供電腳，接3.3 V電源。GND為模塊接地線，DCMI_SCL為SCCB總線通信時(shí)鐘信號(hào)，DCMI_SDA為SCCB總線通信數(shù)據(jù)信號(hào)，DCMI_D[7:0]為8為數(shù)據(jù)輸出引腳，DCMI_PCLK為像素時(shí)鐘輸出引腳，DCMI_PWDN引腳的作用是使能掉電，DCMI_VSYNC為幀同步信號(hào)輸出引腳，DCMI_HRE為行同步信號(hào)輸出引腳

DCMI_RESET是復(fù)位信號(hào)接收引腳。

OV2640模塊與STM32的DCMI接口電路如4所示。

圖4 DCMI接口與OV2640模塊接線圖

2.3 LCD顯示屏模塊設(shè)計(jì)

LCD顯示屏即薄膜晶體管液晶顯示器，也叫真彩液晶顯示器，因?yàn)轶w積小、厚度波特別適用于數(shù)控機(jī)床、PDA、掌上電腦、游戲機(jī)等產(chǎn)品[6]。本設(shè)計(jì)LCD顯示屏模塊選用的是一款高性價(jià)比的薄膜晶體管液晶顯示屏，具有高分辨率(800480)、高可靠性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可以顯示高質(zhì)量圖像，顯示模式為16位真彩色，即RGB565格式，可以采用串行方式或并行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)中利用STM32的FSMC接口控制液晶顯示屏。在設(shè)計(jì)中為了加大數(shù)據(jù)傳輸速度，采用16并口方式與外設(shè)連接。LCD模塊與STM32接口電路如圖5所示。

圖5 LCD模塊與STM32接口電路

2.4 SD卡模塊設(shè)計(jì)

SD卡即安全數(shù)碼卡(secure digital memory card)，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，廣泛運(yùn)用在便攜式裝置上[7]。本系統(tǒng)使用的是4 GB大容量SD卡，用于存儲(chǔ)數(shù)顯軌距尺的測(cè)量數(shù)據(jù)。SDIO控制器的SDIO適配器模塊可以用于數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)多媒體卡連接至總線，則SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于數(shù)據(jù)傳輸。要實(shí)現(xiàn)STM32與SD卡通信，首先需要將SD卡與SDIO總線的連接，實(shí)現(xiàn)SD卡初始化，然后通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的讀寫。SD卡接口與STM32的SDIO接口連接原理圖如圖6所示。

圖6 SD卡與SDIO接口連接電路

3 軟件設(shè)計(jì)

基于數(shù)顯軌距尺圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在Keil Vision5開發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫，使用了模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，每個(gè)外設(shè)相當(dāng)于一個(gè)模塊，本系統(tǒng)的模塊包括：基于OV2640的圖像采集模塊、SD卡的存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊以及按鍵控制模塊。軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)各個(gè)模塊的初始化。主要包括:對(duì)OV2640模塊的初始化(包括SCCB總線初始化)、DCMI的初始化、SD卡模塊，LCD顯示屏的初始化。本設(shè)計(jì)詳細(xì)闡述了各個(gè)模塊初始化以及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

3.1 基于OV2640的圖像采集模塊初始化

為了實(shí)現(xiàn)OV2640的圖像數(shù)據(jù)采集功能，首先需要初始化OV2640，包括SCCB總線、相關(guān)I/O口，其中最主要的是完成OV2640的寄存器序列初始化。在OV2640 的寄存器數(shù)量較多，配置十分困難，本設(shè)計(jì)中使用的是 OV公司提供了參考配置，首先將用到的配置序列，存放在一個(gè)2維初始化數(shù)組里面，存儲(chǔ)初始化序列寄存器及其對(duì)應(yīng)的值，通過該數(shù)組對(duì)寄存器進(jìn)行賦值，即可實(shí)現(xiàn)OV2640的內(nèi)部寄存器的初始化。

SCCB的初始化較為簡(jiǎn)單，首先初始化STM32控制器的I/O口。然后設(shè)置SCCB的讀寫函數(shù)[8]。

OV2640模塊的初始化主要是設(shè)置輸出格式，大小的設(shè)置，首先初始化I/O口，上電并復(fù)位，執(zhí)行初始化序列，然后即可完成初始化。在OV2640的初始化中，本設(shè)計(jì)使用了幾個(gè)重要函數(shù)，其功能如下：

OV2640_Win函數(shù)，該函數(shù)用于設(shè)置圖像傳感器輸出窗口，其大小可以設(shè)置為22到16321220中的任意值；OV2640_ImageSize函數(shù)，用于設(shè)置圖像尺寸的大??；圖像尺寸的大小必須要小于傳感器輸出窗口的大小，OV2640_ImageWin函數(shù)，用于設(shè)置圖像窗口大小，即在圖像尺寸大小中再次開窗，其大小要小于等于圖像尺寸大小；OV2640_OutSize函數(shù)，用于設(shè)置圖像輸出大小，這個(gè)大小的設(shè)置就是外設(shè)能接受輸出的大小，通過改大小的設(shè)置，就會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行縮放。正是這些函數(shù)的設(shè)置，共同決定了圖像輸出的大小。完成OV2640的初始化后需要初始化STM32上的DCMI接口。DCMI接口初始化過程如圖7所示。

圖7 DCMI接口初始化流程圖

在輸出圖像時(shí)，顯示在LCD屏圖像格式為RGB格式，存儲(chǔ)在SD卡位JPEG格式，RGB格式可以直接顯示在LCD屏上，JPEG格式圖片需要經(jīng)過處理才可以存入SD卡中，為此編寫DCMI中斷服務(wù)函數(shù)DCMI_IRQHandler，用于處理幀中斷，實(shí)現(xiàn)JPEG數(shù)據(jù)處理。編寫DCMI_DMA_Init函數(shù)，用于配置DCMI的DMA傳輸。

3.2 SD卡存儲(chǔ)模塊

SD儲(chǔ)存模塊就是要使用STM32的SDIO驅(qū)動(dòng)SD卡，其中主要是SD卡的初始化，以及SD卡的讀寫功能的實(shí)現(xiàn)。SD卡初始化完成才能夠?qū)崿F(xiàn)STM32對(duì)SD卡的讀寫。SD卡讀寫功能是采用命令的方式來控制寄存器實(shí)現(xiàn)的，每發(fā)出一個(gè)命令，SD卡會(huì)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)將部分參數(shù)返還給STM32。其初始化首先需要上電，即設(shè)置SDIO_POWER[1:0]=11，上電后發(fā)送CMD0對(duì)卡進(jìn)行軟復(fù)位，再發(fā)送命令SMD8，根據(jù)響應(yīng)判斷卡的類型，如果應(yīng)答信號(hào)HCS位為01H，再發(fā)送 CMD2命令和CMD3命令，獲得CID寄存器內(nèi)容和SD卡相對(duì)地址，通過CMD9命令獲取CSD寄存器內(nèi)容，從而完成了SD卡的初始化，SD卡能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)扇區(qū)的讀寫。要實(shí)現(xiàn)SD卡的存儲(chǔ)管理，讀寫扇區(qū)還無法滿足這一要求，本設(shè)計(jì)采用FATFS來管理SD卡的扇區(qū)。 FATFS是開源且免費(fèi)的文件系統(tǒng)，具有良好的兼容性和穩(wěn)定性，在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用[9]。FATFS能夠很好的支持本系統(tǒng)中采用的SD卡讀寫。FATFS文件系統(tǒng)有三層。通常為用戶提供了一些列的接口函數(shù)，比如f_open,f_read等，通過FATFS管理SD卡的讀寫就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集采集圖像的存儲(chǔ)。

3.3 LCD顯示屏模塊初始化

在本系統(tǒng)中利用STM32F4的FSMC接口來控制LCD屏的顯示。LCD使用是按照一定的流程進(jìn)行的，首先將LCD硬復(fù)位，即設(shè)置LCD_RST=0,待硬復(fù)位后，設(shè)置LCD_RST=1，執(zhí)行初始化序列。初始化后可以對(duì)LCD進(jìn)行點(diǎn)操作。對(duì)點(diǎn)的寫操作如下，先設(shè)置點(diǎn)坐標(biāo)，然后寫GRAM指令，寫入顏色數(shù)據(jù)，即可在LCD上顯示寫入的顏色，對(duì)點(diǎn)的讀操作也類似，首先設(shè)置坐標(biāo)，然后讀取GRAM指令，讀取顏色，單片機(jī)處理后，就可以得到改點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色數(shù)據(jù)。

通過上述方法可以實(shí)現(xiàn)使LCD模塊顯示字符和數(shù)字。為此LCD模塊的初始化首先需要將LCD模塊與STM32相連的I/O口初始化，一邊驅(qū)動(dòng)LCD。然后初始化LCD。本設(shè)計(jì)中LCD接口的RST同STM32的RESET接口連接，在對(duì)STM32復(fù)位的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的初始化。初始化序列同OV2640初始化序列相同，LCD廠家會(huì)提供初始化序列，在初始化完成后，即可正常使用LCD。LCD的顯示是通過設(shè)置坐標(biāo)，寫GRAM指令，寫GRAM實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)點(diǎn)的處理。本設(shè)計(jì)顯示的是數(shù)顯軌距尺的圖像數(shù)據(jù)，為了達(dá)到顯示目的，需要設(shè)計(jì)數(shù)字、字符顯示函數(shù)，多次調(diào)用，即可在LCD上顯示完整圖像。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

本設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行流程圖如圖8所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，完成對(duì)LCD屏、SD卡的檢測(cè)。然后檢測(cè) SD 卡的根目錄是否有PHOTO 文件夾，如果不存在則創(chuàng)建PHOTO文件夾，如果創(chuàng)建失敗，則報(bào)錯(cuò)(提示系統(tǒng)出錯(cuò))。在SD卡根目錄下存在PHOTO 文件夾后，開始初始化圖像采集模塊，初始化成功后，LCD顯示屏?xí)恢憋@示 OV2640當(dāng)前采集到的圖像。這時(shí)候通過按鍵控制圖像的存儲(chǔ)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到按鍵按下的時(shí)候，可以將采集到的圖像以JPEG 格式(分辨率為 UXGA，即 1 600*1 200)存儲(chǔ)在SD卡上。并提示圖片保存成功。在短暫的顯示存儲(chǔ)圖片后，再回到按鍵按下前的狀態(tài)，知道按下下一個(gè)按鍵。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

數(shù)顯軌距尺圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 SD卡存儲(chǔ)圖片

系統(tǒng)效果圖如圖9所示，可以看出，STM32F4與OV2640的設(shè)計(jì)方案效果可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，完成了圖像的采集以及傳輸，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于STM32F407和OV2640圖像傳感器設(shè)計(jì)的數(shù)顯軌距尺圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的圖像清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采集效果良好，成本較低，存儲(chǔ)容量大，只需要將LCD屏安裝在適當(dāng)高度，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，方便觀察軌距尺的讀數(shù)，從而大大提高了軌距測(cè)量的工作效率。測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量SD卡中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道幾何參數(shù)的保存。另一方面，其數(shù)據(jù)可以對(duì)軌道運(yùn)行狀況做離線分析，也可以作為機(jī)器識(shí)別的圖像，為后續(xù)圖像識(shí)別奠定基礎(chǔ)。在軟件方面，基于C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序，流程嚴(yán)謹(jǐn)，系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠。

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