熊濤， 趙立宏

(南華大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.軍工科技處，湖南衡陽(yáng) 421001）

0 引言

膠體金免疫層析技術(shù)[1-2]經(jīng)過多年的不斷進(jìn)步與發(fā)展，在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的使用，相應(yīng)的金標(biāo)試紙讀數(shù)儀器也得到了大量的應(yīng)用[3]，目前市面上常見的金標(biāo)試紙讀數(shù)儀器具有較好的定量分析結(jié)果的是采用基于圖像處理技術(shù)[4-5]的定量金標(biāo)試紙讀數(shù)儀器。然而多數(shù)為體積較大的臺(tái)式機(jī)或者是需要接上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的分析儀器，不方便攜帶。因此設(shè)計(jì)一款具有獨(dú)立運(yùn)算處理能力的嵌入式系統(tǒng)，不僅方便攜帶還可以降低成本，更適合個(gè)人和現(xiàn)場(chǎng)的使用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由STM32微處理器、圖像采集模塊、圖像顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、外部通信模塊和電源模塊構(gòu)成。各模塊的功能如下：1)主控芯片采取的是STM32F407ZGT6用于對(duì)數(shù)據(jù)的處理，以及對(duì)各模塊的控制；2)圖像數(shù)據(jù)的采集模塊由OV5640的攝像頭模塊、LED光源照明模塊組成，用于對(duì)試紙條的顯色并采集顯色后的圖像；3)顯示模塊采取的是2.8 in的觸摸屏方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示，并可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的觸摸操作功能；4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊有Flash與SD卡組成，F(xiàn)lash主要用于對(duì)讀取次數(shù)不是很頻繁的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，SD卡用于對(duì)圖像數(shù)據(jù)信息以及處理后的結(jié)果信息進(jìn)行保存；5)外部通信模塊USB接口用于對(duì)程序的燒結(jié)，也可對(duì)其系統(tǒng)提供充電接口；6)電源模塊采取備用電池供電，且可通過USB接口對(duì)其進(jìn)行充電。2 硬件的設(shè)計(jì)

2.1 微處理器的選擇

金標(biāo)試紙讀數(shù)儀需要總體體積小，便于攜帶，足夠的內(nèi)存容量，高速的運(yùn)算處理力能，以獲得獨(dú)立運(yùn)算處理和快速的處理速度。本設(shè)計(jì)中采取了目前較為流行的ST公司的STM32F407ZGT6為主控芯片，其具有32位高性能ARM Cortex-M4處理器[6]，時(shí)鐘高達(dá)168 MHz，具有192 kB的SRAM,1024 kB的Flash，并且支持FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算）和DSP指令，可以運(yùn)行算圖像處理的算法，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)算處理。

2.2 圖像采集模塊

2.2.1 攝像頭的選擇

圖像清晰度越高，圖像處理得到的特征值的結(jié)果越可靠，本文選擇的OV5640攝像頭具有500萬(wàn)像素的高清攝像頭，采用OmniVision公司生產(chǎn)的一顆1/4 in CMOS QSXGA(2592×1944)圖像傳感器具有高靈敏度、低串?dāng)_和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。其具有8位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口，通過SCCB總線控制，輸出格式包括RawRGB、RGB（RGB565/RGB555/RGB444）、CCIR656、YUV(422/420)、YCbCr422和JPEG。輸出的像素為QSXGA(2592×1944)及以下40×30的任意尺寸?？奢敵龅淖畲髱?輸出像素為QSXGA(2592×1944)可達(dá)到15 fps；輸出像素為1080P（1920×1080）可達(dá)到30 fps;輸出像素為720 P（1280×720）可達(dá)到60 fps。OV5640的電氣原理圖如圖2所示。

2.2.2 攝像頭控制總線SCCB

圖2 OV5640電氣原理圖

SCCB（Seril Camera Control Bus）即串行攝像頭控制總線，由兩條數(shù)據(jù)線組成：一條為SIO_C用于傳輸時(shí)鐘信號(hào)，一條為SIO_D用于傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。其傳輸協(xié)議與I2C協(xié)議相似，只是SCCB每一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為9位，前8位數(shù)據(jù)是有用的數(shù)據(jù)，最后一位在讀周期中為NA位。SCCB有3種傳輸周期：第1種為3相寫傳輸周期，3個(gè)相分別為設(shè)備從地址，內(nèi)存地址，所寫數(shù)據(jù)；第2種為2相寫傳輸周期，分別為設(shè)備從地址和內(nèi)存地址；第3種為2相讀傳輸周期，分別為設(shè)備從地址和所讀數(shù)據(jù)。如果進(jìn)行寫入操作的時(shí)候，使用第1種傳輸周期，如果進(jìn)行讀操作時(shí)，使用第2種寫傳輸周期后用第3種傳輸周期。

2.3 顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用的是2.8 in的電阻式觸摸屏，其液晶顯示屏為2.8 in的TFT LCD,分辨率為320×240，其驅(qū)動(dòng)芯片采取的是ILI9341，具有172 800（240×320×18/8）的顯存，也就是18位的模式下的顯存量。當(dāng)在16位模式下時(shí)，總線、MCU與LCDGRAM對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 16位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖3可知，在16位模式下，ILI9341的D0與D12沒有被用到，而MCU的16位數(shù)據(jù)，高5位對(duì)應(yīng)的是紅，中間6位對(duì)應(yīng)的是綠，低5位對(duì)應(yīng)的是藍(lán)。值得注意的是ILI9341的指令都是只有8位數(shù)據(jù)的，其高八位數(shù)據(jù)是無(wú)效的，只有在讀和寫LCDGRAM的時(shí)候才是16位的數(shù)據(jù)。

2.8 in的電阻式觸摸屏主要是一塊和顯示屏相配合的電阻薄膜屏，其具有價(jià)格低、精度高、穩(wěn)定性能比較好、抗干擾的能力也比較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于觸摸屏需要相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器，本設(shè)計(jì)采取芯片ADS7843進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具有較好的兼容性。

圖4 XPT2046原理圖

而屏幕控制芯片本設(shè)計(jì)采用的是XPT2046，是一種4導(dǎo)線的觸摸屏控制器，其分辨率為125 Hz，XPT2046可以支持1.5～5.25 V的低電壓I/O接口。經(jīng)過兩次A/D轉(zhuǎn)換就可以找到觸摸點(diǎn)的位置。XTP2046的原理如圖4所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

針對(duì)便攜式的金標(biāo)試紙讀數(shù)儀需要將采集到的圖像信息以及圖像處理后的結(jié)果保存下來，方便重復(fù)查看和利用，因此需要一個(gè)較大的空間來儲(chǔ)存這些信息。因此需要選用SD卡來存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。SD卡（Secure Digital Memory Card），在一些便攜式的儀器中運(yùn)用較多，具有高容量，最大可達(dá)2 TB；高安全性；高速，目前已有讀取速度近100 MB/s的SD卡；體積??；接口簡(jiǎn)單，支持SPI和SDIO兩種訪問模式。本設(shè)計(jì)選用金士頓的SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)。SD卡的通信主要進(jìn)過9個(gè)引腳來完成，有1個(gè)時(shí)鐘，1個(gè)命令，3條電源線，4條數(shù)據(jù)線。最高頻率可達(dá)到25 Hz，支持SDIO和SPI等方式。SD卡的原理圖如圖5。

圖5 SD卡原理圖

2.5 電源模塊

電源模塊是給整個(gè)便攜式金標(biāo)讀數(shù)儀各電路提供電源的部分，而根據(jù)STM32芯片以及各模塊的需求，所需的供電電壓主要是5 V和3.3 V，電流也在毫安級(jí)別，為了儀器長(zhǎng)久且方便地使用，采用可充電式的備用電池，因此，電源模塊主要包括充電芯片、穩(wěn)壓器、電池組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電及對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計(jì)中考慮到儀器的功耗所需，電池選用常見的鋰電池，其具有3.7 V的放電電壓和放電截止電壓為2.75 V，以及4.2 V的充電截止電壓。因此充電芯片需滿足5 V的充電電壓以及4.2～2.75 V的放電電壓，本設(shè)計(jì)中采用LTC4054-4.2的充電芯片，其可提供4.2 V的固定充電電壓，且可直接從USB接口給電池充電。而為了滿足3.3～5 V的電壓轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中穩(wěn)壓芯片采用的是TPS7333，其為微功率低壓差的穩(wěn)壓器，可提供的最高電流為500 mA、3.3 V的固定電壓。而在STM32F407ZGT6中有專門的后備電池的接口VBAT接口。

3 軟件的設(shè)計(jì)

3.1 圖像的顯示

經(jīng)LED燈光源照射使得試紙條進(jìn)行顯色反應(yīng)，并通過驅(qū)動(dòng)攝像頭與LCD顯示屏就可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行圖像的顯示了，本設(shè)計(jì)中采用DCMI的幀中斷進(jìn)行圖像一幀數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)采集到一幀數(shù)據(jù)后進(jìn)行儲(chǔ)存，并通過DCMI開啟DMA將一幀圖像數(shù)據(jù)顯示到LCD上，并清空中斷標(biāo)志位之后進(jìn)行下一幀的圖形提取，直到采集完所有圖像信息，并實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上。其圖像采集的流程如圖6所示。

圖6 圖像顯示流程圖

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖像數(shù)據(jù)及處理結(jié)果是存儲(chǔ)在SD卡中的，而要驅(qū)動(dòng)SD卡，最主要的是對(duì)SD卡的初始化，其次是對(duì)SD卡的讀寫操作。對(duì)SD卡初始化，我們第一步是對(duì)卡上電設(shè)置SDIO_POWER［1:0］=11，之后發(fā)送CMD0命令，進(jìn)行卡的復(fù)位，然后發(fā)送CMD8，用于區(qū)分SD卡2.0，同時(shí)通過其所帶的參數(shù)設(shè)置VHS位，實(shí)現(xiàn)SD卡了解系統(tǒng)的供電情況。并通過發(fā)送ACMD41命令，用于了解SD卡的操作電壓范圍，對(duì)支持CMD8的卡，系統(tǒng)設(shè)置ACMD41的HCS=1，用于SD卡判斷系統(tǒng)支持SDHC卡；對(duì)2.0的卡，OCR的CCS位用于表示SDHC還是SDSC；對(duì)1.x的卡，則忽略該位；對(duì)MMC卡，則不支持ACMD41，MMC卡只需要發(fā)送：CMD0和CMD1即可完成初始化。對(duì)應(yīng)SD卡的讀取（圖7（a））與寫入（圖7（b））流程圖如圖7所示。

圖7 SD卡讀取寫入流程圖

4 灰度化顯示

5 測(cè)試結(jié)果與分析

搭建硬件STM32的硬件平臺(tái)，并驅(qū)動(dòng)各模塊正常運(yùn)行，以O(shè)V5640攝像頭模塊提取圖像信息，并實(shí)時(shí)地顯示在液晶顯示屏上，如圖8（a）所示，相應(yīng)的灰度顯示如圖8（b）所示。

從圖片可以看出畫面有點(diǎn)偏藍(lán)，這是此液晶顯示屏在手機(jī)拍攝時(shí)產(chǎn)生的，本身屏幕顯示時(shí)并不存在。

由圖8可以看出，該系統(tǒng)可以提取到像素較為清晰的畫面，相應(yīng)的灰度顯示圖也有較高的值，這為后期進(jìn)行圖像的分割以及特征值的提取打下了很好的基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

本文中以STM32F407ZGT6為主控芯片，搭建的硬件平臺(tái)，以O(shè)V5640進(jìn)行圖像的采集，并通過液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、有用圖像的拍照采集，也可以進(jìn)行圖像的灰度顯示，為后期進(jìn)一步的圖像處理提供基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)成本低，體積小，提取到的圖像清晰，處理的速度快，適于快速測(cè)試。

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[2] 樊淑華,王永立.膠體金免疫層析技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2014(10):99-103.

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