基于STM32F407的图像远程采集终端

本文阐述一种基于STM32F407的图像远程采集终端，分别从终端采集硬件设计和终端采集软件设计两方面进行论述，并借助实验验证该采集终端的有效性和合理性。

1、终端采集硬件设计

系统的主体框图如图1所示，它主要由STM32F407芯片、OV7670CMOS图像传感器和上位机软件等几个重要部分组成。STM32F407是整个远程采集终端的核心，起到了承上启下的关键作用，一方面它将完成底层信号的获取和预处理，另一方面它将通过网络将采集到的彩色图像数据实时传送到上位机，本文将重点介绍这两部分的内容。

图1  系统主体框图

1．1、STM32F407与OV7670的硬件连接

在图2中，利用STM32F407的PH9～PH12、PH14，PI4、PI6、PI7接口接收OV7670经DCMI接口输出的8位图像数据。OV7670的SIO＿C和SIO＿D接口分别与STM32F407PF8、PF9引脚相连，通过该接口实现对摄像头的初始化配置。OV7670CMOS摄像头配置COM7寄存器实现采集到的是RGB565的16位图像数据，通过DMA将数据传输到图像数据缓冲区，当垂直同步中断到来时表示缓冲区中已存满一帧图像数据，控制器取出图像数据缓冲去的数据进行后续的处理，然后传输到上位机。摄像头与STM32F407的连接图如图2所示：

图2  OV7670与STM32F407连接电路图

1．2、STM32F407以太网通信接口电路

以太网通信接口模块是由CPU所内置的以太网MAC、专用10／100MPHYLAN8720A、HR11105A以及RJ45网口组成。以太网物理层器件LAN8720A作为TCP／IP协议的物理层器件。HR911105A为RJ45网络接口器件。当上位机PC有数据要求时，数据请求指令首先通过双绞线、HR911105A和STM32F407的以太网模块进入控制器，指令数据在其内部进行格式转换至SPI格式，然后通过SPI总线送至STM32F407，在STM32F407内实现SPI格式数据到以太网数据的转换。完成IP封装后的数据经过STM32F407的以太网模块、LAN8720A及HR911105A接口和双绞线传送至上位机。芯片引脚连接图如图3。

图3  LAN8720A与STM32F407硬件连接电路示意图

2、终端采集软件设计

软件设计主要包括在STM32F407上实现TCP／IP协议并与上位机通信，控制OV7670CMOS图像传感器实现图像数据的采集和传输等工作。STM32F407程序设计在KeiluVision4环境下实现，主要包括以下两部分：一是OV7670完成模拟信号的采集；二是远程传输数据的实现。本文主要介绍STM32F407程序的实现方法。

2．1、OV7670完成模拟信号的采集

在图像采集软件设计中，对系统各个部分的初始化是最为关键的一步，只有对各部分初始化成功以后，才能实现图像采集功能。图像采集初始化程序主要包括对系统时钟、SCCB接口、DMA、DCMI接口、OV7670摄像头等的初始化。在系统初始化设置成功以后，微控制器不断监测VSYNC信号电平变化，根据VSYNC产生的中断情况，控制对数据的读取。终端图像采集程序流程图如图4所示：

图4  图像采集程序流程图

（1）设置SCCB的相关参数

由于对摄像头工作参数的配置主要通过SCCB来实现，因此，在系统进行软件设计时，首先设计SCCB相关程序，进而通过SCCB设置摄像头的相关参数。SCCB设计的重要函数如下。

voidsccb＿bus＿init（void）

{

GPIO＿InitTypeDefGPIO＿InitStructure;//结构体初始化

RCC＿AHB1PeriphClockCmd（RCC＿AHB1Periph＿GPIOF，ENABLE）;//使能GPIOF时钟

GPIO＿InitStructure．GPIO＿Pin＝GPIO＿Pin＿8｜GPIO＿Pin＿9;//SCCB＿SIC:PE2、SCCB＿SID:PE3

GPIO＿InitStructure．GPIO＿Mode＝GPIO＿Mode＿OUT;//设置为输出

GPIO＿InitStructure．GPIO＿OType＝GPIO＿OType＿PP;//设置为推免模式

GPIO＿InitStructure．GPIO＿PuPd＝GPIO＿PuPd＿UP;//悬浮模式

GPIO＿InitStructure．GPIO＿Speed＝GPIO＿Speed＿50MHz;//50MHz时钟频率

GPIO＿Init（GPIOF，＆GPIO＿InitStructure）;}

（2）OV7670的寄存器的配置

在完成SCCB初始化、起始与停止等相关程序后，配置OV7670寄存器完成工作参数的设置，包括显示模式、输出格式、增益控制等。OV7670的寄存器配置如下：

constuint8＿tOV7670＿reg［OV7670＿REG＿NUM］［2］＝{

{0x12，0x14};//设为VGA显示模式

{0x40，0xd0};//RGB565输出格式

{0x3e，0x00};//PCLK不分频

{0x71，0x00};//非测试模式

／*图像分辨率的配置*／

{0x32，0x80}，

{0x17，0x16}，

{0x18，0x04}，

{0x19，0x02}，

{0x1a，0x7a}，

{0x03，0x03}，．．．．．．}

（3）DCMI接口及DMA部分配置

DCMI接口及DMA部分配置主要体现在DCMI接口、DMA控制器以及图像传感器用到的其他I/O端口所在时钟总线使能方面；由于篇幅所限，现将一些重要的配置，仅供参考。

DCMI＿InitStructure．DCMI＿CaptureMode＝DCMI＿CaptureMode＿Continuous;／／连续模式

DCMI＿InitStructure．DCMI＿SynchroMode＝DCMI＿SynchroMode＿Hardware;／／硬件时钟

DCMI＿InitStructure．DCMI＿PCKPolarity＝DCMI＿PCKPolarity＿Falling;／／下降沿

DCMI＿InitStructure．DCMI＿VSPolarity＝DCMI＿VSPolarity＿High;／／垂直极性

DCMI＿InitStructure．DCMI＿HSPolarity＝DCMI＿HSPolarity＿High;／／水平极性

DCMI＿InitStructure．DCMI＿CaptureRate＝DCMI＿CaptureRate＿All＿Frame;／／捕获率

DCMI＿InitStructure．DCMI＿ExtendedDataMode＝DCMI＿ExtendedDataMode＿8b;／／8位数据模式

DCMI＿Init（＆DCMI＿InitStructure）;／／初始化上面的摄像头配置

DCMI＿ITConfig（DCMI＿IT＿VSYNC，ENABLE）;／／垂直同步中断

DMA＿InitStructure．DMA＿PeripheralBaseAddr＝DCMI＿DR＿ADDRESS;／／外设内存地址

DMA＿InitStructure．DMA＿Memory0BaseAddr＝（uint32＿t）DataBuf;／／内存地址

DMA＿InitStructure．DMA＿DIR＝DMA＿DIR＿PeripheralToMemory;／／数据方向从外设到内存

DMA＿InitStructure．DMA＿BufferSize＝19200;／／每次转移一帧数据

DMA＿InitStructure．DMA＿PeripheralInc＝DMA＿PeripheralInc＿Disable;／／外设地址不改变

DMA＿InitStructure．DMA＿MemoryInc＝DMA＿MemoryInc＿Enable;／／内存地址在每次写入后自增

DMA＿InitStructure．DMA＿PeripheralDataSize＝DMA＿PeripheralDataSize＿Word;／／外设每单位长度DMA＿InitStructure．DMA＿MemoryDataSize

＝DMA＿MemoryDataSize＿HalfWord;／／内存没单位长度

DMA＿InitStructure．DMA＿Mode＝DMA＿Mode＿Circular;／／运行模式，循环

DMA＿InitStructure．DMA＿Priority＝DMA＿Priority＿High;／／优先模式，高

DMA＿InitStructure．DMA＿FIFOMode＝DMA＿FIFOMode＿Enable;／／开启先入先出模式

DMA＿InitStructure．DMA＿FIFOThreshold＝DMA＿FIFOThreshold＿Full;／／FIFO水平阈值

DMA＿InitStructure．DMA＿MemoryBurst＝DMA＿MemoryBurst＿Single;／／内存单通道

DMA＿InitStructure．DMA＿PeripheralBurst＝DMA＿PeripheralBurst＿Single;／／外设单通道

DMA＿Init（DMA2＿Stream1，＆DMA＿InitStructure）;／／初始化上面的

DMA配置

DMA＿ITConfig（DMA2＿Stream1，DMA＿IT＿TC，ENABLE）;／／中断开启

系统启动后，首先利用各部分初始化函数对系统进行初始化，在整个系统初始化成功后，打开系统中断，准备进行图像采集。当垂直同步中断产生时，DCMI＿IT＿VSYNC置1，表示一帧图像数据采集完毕，微处理器通过控制DMA将数据传输到数据缓冲区中，等待数据的发送。

2．2、图像数据的远程传输

图像数据的远程传输，最关键的部分是对网络硬件的初始化以及对Lwip的初始化，远程传输程序首先是完成对Lwip协议栈的移植，然后设置好服务器端的IP地址和端口，绑定socket套接字到服务器地址，然后对客户端进行监听，当与客户端连接成功后，接收来自客户端的发送数据命令，接收到发送数据命令后，及时将缓冲区存放的图像数据通过TCP／IP协议发送到客户端。远程传输程序实现流程图如图5所示。

图5 远程传输程序实现流程图

3、测试结果

 

图6  远程采集终端实物图

 

图7  上位机测试结果图

按照上述终端采集硬件和终端采集软件的设计，通过软件调试成功后，并对软硬件进行实验验证，图6表示本远程采集终端的实物图，中间部分为信号采集处理板，它采集现场的图像信息，并通过以太网的方式发送给上位机，上位机通过显示采集到的图片，让远程操作者实时的知道现场的情况。图7表示上位机的测试结果。