摘 要： 系統(tǒng)以基于Cortex-M4內核的STM32F407作為控制核心,，使用OV9655圖像傳感器采集圖像，并利用TFT屏動態(tài)顯示,。圖像傳輸模塊基于LwIP協(xié)議實現(xiàn)向PC傳輸圖像,，最后PC接收并保存圖像數(shù)據(jù)，利用MATLAB編程恢復圖像,，將其與TFT顯示的圖像對比,。實驗結果表明，圖像傳輸穩(wěn)定可靠,，圖像清晰,，滿足機器人通過圖像識別目標的要求。
關鍵詞： Cortex-M4 STM32F407,；圖像傳輸,；LwIP
0 引言
圖像是人類獲取信息的主要來源，也是智能機器人感知環(huán)境和識別目標的重要信息源之一[1]。因此,，如何通過相機傳感器高速,、有效地獲取和傳輸圖像信息，成為智能機器人利用圖像正確感知環(huán)境和識別目標的前提,。本文介紹了一種基于STM32F407芯片,，利用LwIP協(xié)議的圖像采集與傳輸系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)的總體設計方案
本系統(tǒng)的總體設計思路為：以STM32F407為主控核心,，通過DCMI接口接收圖像傳感器OV9655采集的圖像,，利用DMA方式將圖像發(fā)送到外部SRAM，同時通過FSMC接口將此數(shù)據(jù)發(fā)送到TFT屏顯示,，然后將外部SRAM上的圖像通過網(wǎng)絡傳輸并保存到PC,，最后，利用MATLAB軟件將接收的圖像數(shù)據(jù)進行恢復顯示,，并驗證其正確性,。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。
2 系統(tǒng)的硬件構成
本系統(tǒng)的硬件電路主要包括：微處理器,、攝像頭,、以太網(wǎng)模塊、SRAM,、TFT,、RJ45接口、JTAG接口,、復位電路,、電源等。
本系統(tǒng)的微處理器為ST公司的STM32F407IGT6[2],，其主頻達168 MHz,，具有1 MB Flash，196 KB SRAM,，專有DMA的10/100 Ethernet MAC,，14 bit并行相機高速接口，為圖像數(shù)據(jù)的采集提供了高速的傳輸速率,。
攝像頭采用Omni Vision 公司的OV9655[3],，這是一款用于移動設備的130萬像素CMOS圖像傳感器，具有照相和圖像處理的多種功能（曝光控制,、灰度調節(jié),、自動白平衡、色彩飽調節(jié)和噪聲消除等）,。其采用的Omni Pixel技術平臺,，獨特的像素架構增加了信噪比,，使傳感器在低光照的條件下仍能良好工作。OV9655支持的圖像格式包括：RGB（GRB 4：2：2,，RGB 5：6：5/5：5：5）,、YUV（4：2：2）和YCbCr（4：2：2），輸出的圖像尺寸包括SXGA,、VGA,、CIF和小于CIF至40×30的任何尺寸，本文設置圖像輸出格式為RGB 5：6：5,，分辨率為320×240,。
以太網(wǎng)模塊的收發(fā)芯片為National公司的10/100 M以太網(wǎng)物理層收發(fā)芯片DP83848C，該芯片遵循Ethernet II和IEEE802.3u標準,，支持MII,、RMII、SNI三種數(shù)據(jù)連接方式,，本文采用了RMII模式,，見圖1,。對外采用RJ45接口連接,，支持平行交叉網(wǎng)線自適應（Auto-MDIX），內部還集成了數(shù)據(jù)收發(fā)及濾波功能,。在全雙工模式下,，可以同時實現(xiàn)發(fā)送和接收，理論上最高速度能達到100 Mb/s,，本文對其配置為100 Mb/s,。
3 系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)包括：圖像數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸,、圖像數(shù)據(jù)存儲與恢復顯示,。本文將重點介紹圖像采集和網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。
系統(tǒng)軟件結構采用C/S（Client/Server）模式[4],，在服務器端主要實現(xiàn)圖像的采集和發(fā)送,，在客戶端實現(xiàn)圖像的接收、保存與恢復顯示,。
3.1 圖像采集
通過STM32F407IG控制DCMI接收OV9655采集的圖像,，再由DMA將圖像發(fā)送到外部SRAM，并將其復制到TFT屏上顯示,，如圖2所示,。
圖像采集流程具體為：
（1）圖像采集模塊初始化,，包括TFT彩屏初始化,、SRAM初始化,、DMA初始化和DCMI接口初始化。初始化配置后,，實現(xiàn)攝像頭的DCMI接口和SRAM關聯(lián),，即可通過DMA將DCMI接口的圖像傳輸?shù)絊RAM。
?。?）DCMI接口配置為幀中斷,。當獲得的一幀圖像數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷,，進入DCMI的中斷服務函數(shù),，實現(xiàn)將SRAM中的圖像復制到TFT屏進行顯示的功能。
?。?）使能DCMI接口捕獲圖像,，并產(chǎn)生DCMI中斷。
?。?）使能DMA,，將DCMI接口的數(shù)據(jù)復制到SRAM。
3.2 圖像傳輸
本文利用LwIP（Light weight IP）實現(xiàn)圖像到PC的傳輸,。LwIP是瑞士計算機科學院的DUNKELS A等人開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)旳開源代碼TCP/IP協(xié)議棧,，其在保持TCP/IP協(xié)議棧完整性的基礎上，減少了RAM和ROM的占用,，使LwIP適合在嵌入式系統(tǒng)中應用[5],。
嵌入式TCP/IP協(xié)議棧通常有以下兩種實現(xiàn)方式：一種是將協(xié)議簇中的每個協(xié)議作為一個單獨的進程，并指定進程之間的通信點,。其優(yōu)點在于結構清晰,，代碼易懂，占用系統(tǒng)資源較少,，且方便調試,；另一種方式是將協(xié)議棧駐留在操作系統(tǒng)內核中，應用程序通過系統(tǒng)調用與協(xié)議棧通信,。該方式對系統(tǒng)RAM,、ROM資源占用較高，且不能很好地支持MDK[5]環(huán)境下的斷點調試,，故本文選擇第一種實現(xiàn)方式,。
本文采用C/S模式來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。其中,，嵌入式系統(tǒng)作為服務器,，PC作為客戶端。服務器首先創(chuàng)建一個Socket,，等待與客戶端的連接,，連接成功后發(fā)送圖像,。
服務器圖像發(fā)送程序的基本步驟為：
（1）創(chuàng)建Socket,，并指定SOCK_STREAM為TCP的Socket,；
（2）初始化服務器端口和地址,，并綁定Socket到服務器地址,；
（3）監(jiān)聽Socket,；
?。?）接受客戶端連接Socket的請求，并返回連接成功的Socket和客戶端的地址,；
?。?）處理客戶端連接，將圖像采集模塊存儲到SRAM的圖像數(shù)據(jù),，發(fā)送到客戶端,；
（6）關閉Socket,，退出服務,。
客戶端首先通過網(wǎng)絡助手設置其地址和端口：（1）協(xié)議類型為：TCP Client；（2）IP地址為：192.168.1.30,；（3）端口為：5000,。然后,，客戶端調用Connect函數(shù)與服務器建立連接,，連接成功后，通過網(wǎng)絡助手接收并保存從服務器發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)（如圖3所示）,，最后關閉Socket,。
通過網(wǎng)絡助手接收的圖像數(shù)據(jù)是將圖像中所有像素的RGB值逐行以每像素16 bit的十六進制數(shù)進行保存的。為了驗證接收到的圖像數(shù)據(jù)的有效性和準確性,，本文通過MATLAB軟件編程,，恢復并顯示圖像，如圖4所示,，與圖2中TFT屏顯示的圖像相比,，經(jīng)網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C的圖像無失真。實驗結果表明,，圖像經(jīng)網(wǎng)絡傳輸有效而準確,。
4 結論
圖像是機器人智能識別目標的重要信源之一。本文介紹了一種基于STM32F407的圖像采集和傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),，利用輕量的TCP/IP協(xié)議進行Socket編程,，實現(xiàn)將服務器端采集的圖像數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C客戶端,。測試結果表明，其圖像傳輸效果高速而有效,，可滿足客戶端對圖像采集與傳輸?shù)男枨?，并且該系統(tǒng)的架構容易升級到無線網(wǎng)絡進行遠程的圖像、視頻和語音傳輸,。
參考文獻
[1] 馬燕.圖像目標跟蹤算法研究[D].西安：西安電子科技大學,，2011.
[2] STMicroelectronics. STM32F407xx datasheet[N]. STMicroelectronics Group of Companies， 2013-03.
[3] OmniVision. OV9655 datasheet v1.3[N]. OmniVision Technologies,， Inc.,， 2005-11-15.
[4] 王永虹，徐煒,，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2008.
[5] 胡亦萬，基于Cortex-M3的LwIP移植以及嵌入式WEB的應用研究[D].南昌：南昌大學,，2013.