基于STM32的数显轨距尺图像数据采集系统设计

0 引言

目前传统的轨距调整通常是人工撬棍模式，在轨距调整中首先需要测量轨道的几何参数，一般就是轨距和水平，再与标准轨距、水平相比较从而得出调整距离和水平。现阶段检测轨距、水平所使用的是数显轨距尺，如图1所示，其读数模块如图2所示。数显轨距尺虽然稳定性好，但是检测人员读数不便，测量数据无法保存。在实际使用时，每次测量检测人员都需要屈身进行测量和读数，使用十分不便，导致劳动力度大，工作效率低，对于长距离的轨道检测极其不利，特别是在夜间作业的时候。在测量中，轨距的测量数据只作为单次调整使用，无法保存、上传分析。随着工业发展，轨距的调整也必然走向自动化。要实现轨距调整的自动化，首先需要解决的就是轨距尺读数的自动识别，获取可以识别的图像就尤为关键，为此，需要将轨距尺的图像数据采集与传输，以便达到自动控制的要求。本文基于这一需求，设计了基于STM32的嵌入式图像采集系统，实现了图像的实时采集、显示、存储。本系统的设计不仅方便了读数，也实现了检测数据的显示与保存，便于以后数据的离线分析，以及数据处理。

图1 数显轨距尺 图2 数显轨距尺读数模块

1 系统总体结构以及功能

基于数显轨距尺图像数据采集系统的设计需求，建立了如图3所示的系统总体硬件结构图。主要由控制器模块、图像采集模块，图像存储模块、LCD显示模块构成。本设计的控制器模块是以基于Cortex-M4为内核的STM32F407ZGT6(以下简称STM32)处理器作为核心，是整个系统的核心单元。图像采集模块使用OV2640图像传感器，用于采集轨距尺显示的数据，STM32通过SCCB总线控制图像传感器的读写来采集图像数据。为了提取合适的图像，添加了按键控制功能，通过按键可以采集当前图像，采集图像后，将采集到的图像显示在LCD屏上。在LCD屏上可以清晰的显示轨距尺所测的轨距，水平参数。SD卡则能够将图像以文件的形式保存，保存在卡上的图像可以在PC或其它设备上查看。

图3 系统硬件结构图

2 硬件设计

2.1 处理器STM32F4

本系统的设计所使用的STM32开发板芯片为STM32F407ZGT6，该芯片拥有先进的Cortex-M4内核，集成 FPU和 DSP 指令，增强的DSP处理指令[1]。同时STM32具有SDIO接口，可以实现对SD卡数据的存储与读取；自带DCMI接口，能够接受外部CMOS摄像头发出的高速数据流。芯片的配置十分完备，符合本系统的设计要求。

STM32F4芯片带有DCMI同步并行接口，该接口能够接收外部 8 位、10 位、12 位或 14 位 CMOS 摄像头模块发出的高速数据流，并且可支持不同的数据格式的逐行视频和压缩数据 (JPEG) [2]。DCMI 接口的数据捕获支持两种模式，一种为快照模式，另一种为连续采集模式[3]。

STM32的SDIO控制器支持SD存储卡设备，其主要包括两个部分，SDIO适配器和ABP2接口，SD卡连接至总线，即可通过主机配置数据传输。

2.2 图像传感器OV2640模块设计

本设计采用的OV2640图像传感器，是由OV(OmniVision)公司生产的1/4寸CMOS UXGA(1632*1232)图像传感器。该传感器具有特点如下：

1)高灵敏度可以在低亮度条件下工作。

2)低操作电压适合嵌入式应用。

3)标准的 SCCB 接口。

4)具有图像质量控制功能，包括饱和度、色相、伽马、锐度等设置。

5)支持闪光灯和LED。

6)支持图像缩放、平移和窗口设置，支持图像压缩，即可输出 JPEG 图像数据。

7)自带嵌入式微控制器。

从其特点可以看出该图像传感器具有的体积小，高灵敏度，工作电压低的优点，十分适合应用于本设计中。

OV2640 的图像数据的输出是在 VSYNC、HREF/ HSYNC和PCLK的控制下，通过Y[9:0]进行传输的。在行输出时序，在 HREF 为高电平时，图像数据输出，当 HREF 变高电平，每一个 PCLK 时钟，输出一个 8 位/10位数据[4]。本设计采用的是8位接口，即一个PCLK 输出1个字节，帧时序的数据输出原理也是类似，STM32只要按照这个时序去读取摄像头模块数据即可得到对应的RGB图像数据。如果要输出数据是JPEG数据，输出方式也是相同的，其数据读取方法也相同，输出的数据是压缩后的 JPEG 数据，输出的 JPEG 数据以：0xFF,0xD8 开头，以 0xFF,0xD9 结尾，0xFF,将OXEF，0xD8～0xFF,0xD9 之间的数据，保存为.jpg或者.jpeg 文件，即可在PC端直接查看图片。

OV2640的输出通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、缩放和取窗口等方式的各种分辨率8/10位影像数据[5]。用户可以实现对图像质量、传输方式以及数据格式进行控制[4]。通过SCCB接口编程可以实现图像的处理，包括白平衡、对比度、色度等。通过编程控制从而可以采集到清晰稳定的彩色图像。

SCCB接口控制图像传感器芯片的运作，SCCB时序和I2C时序类似，SCCB也是两线式串行总线，用于连接微控制器和外围设备，是由数据线SIO_D和时钟SIO_C构成的串行总线，SIO_D是串行双向数据传输线，可以发送和接收数据。

为了使OV2640与STM32F4进行通信，设计了OV2640图像传感器模块。该模块焊接了有源晶振，可以产生24 MHz时钟，将其作为OV2640的XVCLK输入，同时该模块也添加了RT9193-2.8以及XC6219B芯片，用于产生2.8 V以及1.3 V电压源，为OV2640供电。最终引出一个29的双排排针。与外部通信，该模块的通信信号引脚以及作用如下： VCC接口为模块供电脚，接3.3 V电源。GND为模块接地线，DCMI_SCL为SCCB总线通信时钟信号，DCMI_SDA为SCCB总线通信数据信号，DCMI_D[7:0]为8为数据输出引脚，DCMI_PCLK为像素时钟输出引脚，DCMI_PWDN引脚的作用是使能掉电，DCMI_VSYNC为帧同步信号输出引脚，DCMI_HRE为行同步信号输出引脚

DCMI_RESET是复位信号接收引脚。

OV2640模块与STM32的DCMI接口电路如4所示。

图4 DCMI接口与OV2640模块接线图

2.3 LCD显示屏模块设计

LCD显示屏即薄膜晶体管液晶显示器，也叫真彩液晶显示器，因为体积小、厚度波特别适用于数控机床、PDA、掌上电脑、游戏机等产品[6]。本设计LCD显示屏模块选用的是一款高性价比的薄膜晶体管液晶显示屏，具有高分辨率(800480)、高可靠性、低功耗等优点，可以显示高质量图像，显示模式为16位真彩色，即RGB565格式，可以采用串行方式或并行方式进行数据传输。本设计中利用STM32的FSMC接口控制液晶显示屏。在设计中为了加大数据传输速度，采用16并口方式与外设连接。LCD模块与STM32接口电路如图5所示。

图5 LCD模块与STM32接口电路

2.4 SD卡模块设计

SD卡即安全数码卡(secure digital memory card)，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，广泛运用在便携式装置上[7]。本系统使用的是4 GB大容量SD卡，用于存储数显轨距尺的测量数据。SDIO控制器的SDIO适配器模块可以用于数据传输，一个多媒体卡连接至总线，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。要实现STM32与SD卡通信，首先需要将SD卡与SDIO总线的连接，实现SD卡初始化，然后通过控制器实现对SD卡的读写。SD卡接口与STM32的SDIO接口连接原理图如图6所示。

图6 SD卡与SDIO接口连接电路

3 软件设计

基于数显轨距尺图像数据采集系统是在Keil Vision5开发环境下采用C语言编写，使用了模块化的系统设计思想，每个外设相当于一个模块，本系统的模块包括：基于OV2640的图像采集模块、SD卡的存储模块、LCD显示模块以及按键控制模块。软件设计主要是对各个模块的初始化。主要包括:对OV2640模块的初始化(包括SCCB总线初始化)、DCMI的初始化、SD卡模块，LCD显示屏的初始化。本设计详细阐述了各个模块初始化以及系统功能的实现。

3.1 基于OV2640的图像采集模块初始化

为了实现OV2640的图像数据采集功能，首先需要初始化OV2640，包括SCCB总线、相关I/O口，其中最主要的是完成OV2640的寄存器序列初始化。在OV2640 的寄存器数量较多，配置十分困难，本设计中使用的是 OV公司提供了参考配置，首先将用到的配置序列，存放在一个2维初始化数组里面，存储初始化序列寄存器及其对应的值，通过该数组对寄存器进行赋值，即可实现OV2640的内部寄存器的初始化。

SCCB的初始化较为简单，首先初始化STM32控制器的I/O口。然后设置SCCB的读写函数[8]。

OV2640模块的初始化主要是设置输出格式，大小的设置，首先初始化I/O口，上电并复位，执行初始化序列，然后即可完成初始化。在OV2640的初始化中，本设计使用了几个重要函数，其功能如下：

OV2640_Win函数，该函数用于设置图像传感器输出窗口，其大小可以设置为22到16321220中的任意值；OV2640_ImageSize函数，用于设置图像尺寸的大小；图像尺寸的大小必须要小于传感器输出窗口的大小，OV2640_ImageWin函数，用于设置图像窗口大小，即在图像尺寸大小中再次开窗，其大小要小于等于图像尺寸大小；OV2640_OutSize函数，用于设置图像输出大小，这个大小的设置就是外设能接受输出的大小，通过改大小的设置，就会对图像进行缩放。正是这些函数的设置，共同决定了图像输出的大小。完成OV2640的初始化后需要初始化STM32上的DCMI接口。DCMI接口初始化过程如图7所示。

图7 DCMI接口初始化流程图

在输出图像时，显示在LCD屏图像格式为RGB格式，存储在SD卡位JPEG格式，RGB格式可以直接显示在LCD屏上，JPEG格式图片需要经过处理才可以存入SD卡中，为此编写DCMI中断服务函数DCMI_IRQHandler，用于处理帧中断，实现JPEG数据处理。编写DCMI_DMA_Init函数，用于配置DCMI的DMA传输。

3.2 SD卡存储模块

SD储存模块就是要使用STM32的SDIO驱动SD卡，其中主要是SD卡的初始化，以及SD卡的读写功能的实现。SD卡初始化完成才能够实现STM32对SD卡的读写。SD卡读写功能是采用命令的方式来控制寄存器实现的，每发出一个命令，SD卡会发送一个响应将部分参数返还给STM32。其初始化首先需要上电，即设置SDIO_POWER[1:0]=11，上电后发送CMD0对卡进行软复位，再发送命令SMD8，根据响应判断卡的类型，如果应答信号HCS位为01H，再发送 CMD2命令和CMD3命令，获得CID寄存器内容和SD卡相对地址，通过CMD9命令获取CSD寄存器内容，从而完成了SD卡的初始化，SD卡能够实现对扇区的读写。要实现SD卡的存储管理，读写扇区还无法满足这一要求，本设计采用FATFS来管理SD卡的扇区。 FATFS是开源且免费的文件系统，具有良好的兼容性和稳定性，在嵌入式系统中被广泛运用[9]。FATFS能够很好的支持本系统中采用的SD卡读写。FATFS文件系统有三层。通常为用户提供了一些列的接口函数，比如f_open,f_read等，通过FATFS管理SD卡的读写就可以实现对采集采集图像的存储。

3.3 LCD显示屏模块初始化

在本系统中利用STM32F4的FSMC接口来控制LCD屏的显示。LCD使用是按照一定的流程进行的，首先将LCD硬复位，即设置LCD_RST=0,待硬复位后，设置LCD_RST=1，执行初始化序列。初始化后可以对LCD进行点操作。对点的写操作如下，先设置点坐标，然后写GRAM指令，写入颜色数据，即可在LCD上显示写入的颜色，对点的读操作也类似，首先设置坐标，然后读取GRAM指令，读取颜色，单片机处理后，就可以得到改点对应的颜色数据。

通过上述方法可以实现使LCD模块显示字符和数字。为此LCD模块的初始化首先需要将LCD模块与STM32相连的I/O口初始化，一边驱动LCD。然后初始化LCD。本设计中LCD接口的RST同STM32的RESET接口连接，在对STM32复位的同时可以实现对LCD的初始化。初始化序列同OV2640初始化序列相同，LCD厂家会提供初始化序列，在初始化完成后，即可正常使用LCD。LCD的显示是通过设置坐标，写GRAM指令，写GRAM实现对一个点的处理。本设计显示的是数显轨距尺的图像数据，为了达到显示目的，需要设计数字、字符显示函数，多次调用，即可在LCD上显示完整图像。

3.4 系统运行流程图

本设计的程序运行流程图如图8所示，系统启动后，完成对LCD屏、SD卡的检测。然后检测 SD 卡的根目录是否有PHOTO 文件夹，如果不存在则创建PHOTO文件夹，如果创建失败，则报错(提示系统出错)。在SD卡根目录下存在PHOTO 文件夹后，开始初始化图像采集模块，初始化成功后，LCD显示屏会一直显示 OV2640当前采集到的图像。这时候通过按键控制图像的存储。当系统检测到按键按下的时候，可以将采集到的图像以JPEG 格式(分辨率为 UXGA，即 1 600*1 200)存储在SD卡上。并提示图片保存成功。在短暂的显示存储图片后，再回到按键按下前的状态，知道按下下一个按键。

图8 系统运行流程图

4 实验结果与分析

数显轨距尺图像数据采集系统实验结果如图9所示。

图9 SD卡存储图片

系统效果图如图9所示，可以看出，STM32F4与OV2640的设计方案效果可以满足实验要求，完成了图像的采集以及传输，实现测量数据的实时采集。

本设计主要应用在轨距测量领域，轨距精调目前速率是v=1500 m/4h，一般工作时间为夜晚11点到凌晨3点，t=4 h正线枕木之间的距离为d=440 mm，该数据采集系统采集图像的大小大于140 KB，低于200 KB。单次测量需要保存数据校准以及复测共需要3次。为了保证数据的精确性，预留一次数据保存容量。则SD卡总容量在一次精调中需要容量R≥267 M。同时夜间测量需要在现场中提供必备的光源，以确保采集图像的清晰度。

5 结束语

本文基于STM32F407和OV2640图像传感器设计的数显轨距尺图像数据采集系统采集到的图像清晰，结构简单，采集效果良好，成本较低，存储容量大，只需要将LCD屏安装在适当高度，即可实现测量数据的实时采集，方便观察轨距尺的读数，从而大大提高了轨距测量的工作效率。测量数据存储在大容量SD卡中，实现了对轨道几何参数的保存。另一方面，其数据可以对轨道运行状况做离线分析，也可以作为机器识别的图像，为后续图像识别奠定基础。在软件方面，基于C语言设计的程序，流程严谨，系统运行十分稳定可靠。