摘 要： 系統以基于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屏動態顯示。圖像傳輸模塊基于LwIP協議實現向PC傳輸圖像，最后PC接收并保存圖像數據，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協議的圖像采集與傳輸系統。
1 系統的總體設計方案
本系統的總體設計思路為：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方式將圖像發送到外部SRAM，同時通過FSMC接口將此數據發送到TFT屏顯示，然后將外部SRAM上的圖像通過網絡傳輸并保存到PC，最后，利用MATLAB軟件將接收的圖像數據進行恢復顯示，并驗證其正確性。系統總體結構如圖1所示。
2 系統的硬件構成
本系統的硬件電路主要包括：微處理器、攝像頭、以太網模塊、SRAM、TFT、RJ45接口、JTAG接口、復位電路、電源等。
本系統的微處理器為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，為圖像數據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、自動白平衡、色彩飽調節和噪聲消除等）。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。
以太網模塊的收發芯片為National公司的10/100 M以太網物理層收發芯片DP83848C，該芯片遵循Ethernet II和IEEE802.3u標準，支持MII、RMII、SNI三種數據連接方式，本文采用了RMII模式，見圖1。對外采用RJ45接口連接，支持平行交叉網線自適應（Auto-MDIX），內部還集成了數據收發及濾波功能。在全雙工模式下，可以同時實現發送和接收，理論上最高速度能達到100 Mb/s，本文對其配置為100 Mb/s。
3 系統的軟件設計
系統軟件的實現包括：圖像數據采集、網絡傳輸、圖像數據存儲與恢復顯示。本文將重點介紹圖像采集和網絡傳輸的實現。
系統軟件結構采用C/S（Client/Server）模式[4]，在服務器端主要實現圖像的采集和發送，在客戶端實現圖像的接收、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，實現攝像頭的DCMI接口和SRAM關聯，即可通過DMA將DCMI接口的圖像傳輸到SRAM。
（2）DCMI接口配置為幀中斷。當獲得的一幀圖像數據后，產生中斷，進入DCMI的中斷服務函數，實現將SRAM中的圖像復制到TFT屏進行顯示的功能。
（3）使能DCMI接口捕獲圖像，并產生DCMI中斷。
（4）使能DMA，將DCMI接口的數據復制到SRAM。
3.2 圖像傳輸
本文利用LwIP（Light weight IP）實現圖像到PC的傳輸。LwIP是瑞士計算機科學院的DUNKELS A等人開發的一套用于嵌入式系統旳開源代碼TCP/IP協議棧，其在保持TCP/IP協議棧完整性的基礎上，減少了RAM和ROM的占用，使LwIP適合在嵌入式系統中應用[5]。
嵌入式TCP/IP協議棧通常有以下兩種實現方式：一種是將協議簇中的每個協議作為一個單獨的進程，并指定進程之間的通信點。其優點在于結構清晰，代碼易懂，占用系統資源較少，且方便調試；另一種方式是將協議棧駐留在操作系統內核中，應用程序通過系統調用與協議棧通信。該方式對系統RAM、ROM資源占用較高，且不能很好地支持MDK[5]環境下的斷點調試，故本文選擇第一種實現方式。
本文采用C/S模式來實現圖像數據的發送和接收。其中，嵌入式系統作為服務器，PC作為客戶端。服務器首先創建一個Socket，等待與客戶端的連接，連接成功后發送圖像。
服務器圖像發送程序的基本步驟為：
（1）創建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）監聽Socket；
（4）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；
（5）處理客戶端連接，將圖像采集模塊存儲到SRAM的圖像數據，發送到客戶端；
（6）關閉Socket，退出服務。
客戶端首先通過網絡助手設置其地址和端口：（1）協議類型為：TCP Client；（2）IP地址為：192.168.1.30；（3）端口為：5000。然后，客戶端調用Connect函數與服務器建立連接，連接成功后，通過網絡助手接收并保存從服務器發送的圖像數據（如圖3所示），最后關閉Socket。
通過網絡助手接收的圖像數據是將圖像中所有像素的RGB值逐行以每像素16 bit的十六進制數進行保存的。為了驗證接收到的圖像數據的有效性和準確性，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，經網絡傳輸到PC的圖像無失真。實驗結果表明，圖像經網絡傳輸有效而準確。
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的設計與實現，利用輕量的TCP/IP協議進行Socket編程，實現將服務器端采集的圖像數據網絡傳輸到PC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的需求，并且該系統的架構容易升級到無線網絡進行遠程的圖像、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.