基于STM32的空间实验图像采集与显示系统的研究与设计

    

    

    

    摘?要：随着未来中国空间站的建成，后续太空教学活动与搭载项目的日益增多，对实验过程进行图像采集处理显得至关重要。本文采用OV2640摄像头，通过STM32微控制器进行数据的传输与处理，并将实验图像实时显示在液晶屏上，为空间教育类实验提供适应性广、接口统一的实验平台。

    关键词：空间站;教育实验;图像采集

    随着未来中国空间站的建成，空间站公共实验柜也将为全球科学爱好者开放空间实验资源。微重力、高真空等独特的太空环境对青少年学生具有特殊的吸引力，随着后续太空教学活动与搭载项目的日益增多，对实验过程进行图像采集处理显得至关重要。本文的核心在于采用OV2640摄像头采集实验图像，并通过微控制器进行数据处理，为空间教育类实验提供适应性广、接口统一的实验平台。

    一、空间教育类实验概述[1]

    2000—2016年的16年间，“国际空间站”主导开展了大量的太空教学与青少年实验搭载活动。其中，较为典型的项目如CSI系列“太空生物课”教学活动、Nanorack系列“青少年创意太空实验”活动。自2007年起，CSI系列教学活动利用国际空间站商业生物实验平台开展了大量的太空教学活动，持续进行了包括种子萌发、线虫培养、植物生长、蝴蝶行为研究等教育类实验，激发了学生对科学的探索欲望和学习热情。

    近十年来，我国在青少年太空教学与太空实验搭载方面同样开展了大量工作，成果显著。2013年6月，在神舟十号执行任务期间，我国首次太空授课活动成功举行，在距离地球表面340千米左右的近地轨道上，女航天员王亚平担任主讲，为全国8万所学校的6000余万师生带来了一堂生动有趣的物理实验课。

    二、空间教学实验平台

    基于空间实验柜的空间教学实验平台，能够满足青少年学生的个性化要求，能够支持各种太空教育类实验，如生物、化学、物理等，同时满足不同规格的标准化实验装置。实验平台综控系统完成实验过程的无人化控制，实验数据的自动读取、存储，并统一向数据库转发实验数据等操作。

    三、空间实验图像采集与显示系统

    空间实验图像采集与显示系统由硬件系统和软件系统两部分组成，通过对硬件系统和软件系统的设计，完成实验平台实验数据接收和发送、数据存储、状态监控等功能。实验平台硬件系统由STM32系列、电源DC/DC转化模块、OV2640摄像头、触摸液晶屏等组成。

    本系统采用OV2640摄像头采集实验过程图像，然后通过STM32系列控制器处理相关数据，并通过5寸电容触摸屏进行显示。控制原理见图所示：

    （一）实验数据的采集[2-3]

    本系统选用图像传感器OV2640采集实验图像，OV2640是一款CMOS图像传感器，具有体积小，重量轻、功耗低等特点，分辨率最大可以达到1600×1200。该款图像传感器可直接输出JPEG格式的图像数据，由于数据量大幅降低，因此速度可达15帧/秒，使图像数据的传输更加高效。通过控制SCCB总线接口，对其进行编程从而实现自动白平衡、曝光控制等图像处理功能。

    （二）实验数据的传输

    为了使实验图像数据能够高效快速的进行处理与传输，本系统选用STM32-F7系列控制器，该款芯片自带一个数字摄像头接口DCMI。DCMI接口是同步并行接口，可采集由JPEG格式压缩的数据，能实现54MB/秒的数据采集。

    DMA，即直接存储区访问（Direct Memory Access）为实现数据高速在外设寄存器与存储器之间或者存储器与存储器之间传输提供了高效的方法。STM32F7系列的DMA功能齐全，工作模式众多，支持I2C、DCMI等外设到存储器传输、存储器到外设传输和存储器到存储器传输三种传输模式。DMA的功能是可以快速移动内存数据。

    （三）实验图像的显示

    实验图像采用5寸液晶屏进行实时显示，使用I2C通信，该液晶屏的分辨率为800×480，支持RGB888格式，显示图像范围较大。

    四、软件设计

    实验平台软件由多个子功能模块相互协作完成系统功能要求，如摄像头模块、DMA传输模块、液晶屏显示模块以及软件看门狗模块等。在主函数中，首先进行系统初始化。摄像头部分，调用相关函数初始化DCMI接口和I2C接口，接下来调用读取摄像头ID函数检查底板是否正常连接OV2640摄像头，如函数返回正常则对DCMI的工作模式及DMA进行初始化，再向攝像头写入寄存器配置，接下来DCMI开始采集数据，通过DMA将摄像头采集的实验图像数据显示在液晶屏上面。

    五、总结与思考

    在本系统中，经过反复调试与改进，最终成功将OV2640采集到的实验图像信息实时显示在5寸液晶屏上。在程序编写和调试过程中，总结出以下两点经验：

    （1）图像传感器是本系统的关键部件之一，不同的图像传感器在性能、参数方面差异较大，因此需要根据图像采集需求选择合适的图像传感器。本系统选用的OV2640图像传感器由于自带DCMI接口，且可采集JPEG格式的图像数据，方便快捷。

    （2）在使用OV2640图像传感器过程中，值得注意的是首先应当调用GPIO引脚初始化程序，并使能DCMI时钟，对DCMI的所有信号线进行初始化，使其成为复用模式。

    参考文献：

    [1]王静，李得天，周晖.国际空间站植物培养装置与环境监控系统[J].农业机械学报，2013（11）：234-238.

    [2]黄健，罗国平，杜丽君.基于STM 32F407平台OV2640驱动程序设计[J].通讯世界，2015（19）：252-253.

    [3]杨宇，贾永兴，荣传振.基于STM 32F407的图像采集与传输系统的设计与实现[J].微型机与应用，2015（08）：30-32.

    作者简介：杨芳（1989—?），女，江西南昌人，硕士研究生，毕业于北京理工大学，研究方向：空间机电设备研发。