基于嵌入式的馬賽克運動控制系統

葉何

摘 要：本文介紹了一種基于嵌入式STM32F4的馬賽克運動控制系統，通過正反面識別模塊、顆粒顏色識別模塊、鋪貼控制模塊的設計可實現馬賽克自動鋪貼，經過實驗測試，本系統具有鋪貼效率高、運行穩定等特點。

關健詞：嵌入式STM32F4；馬賽克；運動控制系統

1 前言

陶瓷馬賽克作為當代極具觀賞和使用價值的裝飾藝術，被廣泛應用于高端會所、別墅、星級酒店等高雅場所。圖1為生活中常見的馬賽克產品，筆者通過走訪佛山部分馬賽克廠家發現，此類馬賽克產品生產的自動化程度不高，雖然市場上有部分機械能實現馬賽克的自動鋪貼，但由于其售價過高、性價比較低，很難在一般的生產企業實現推廣應用，本文基于一款性價比極高的嵌入式芯片設計了一套馬賽克全自動鋪貼系統，對用到的硬件設備進行了精簡的設計，同時也保證了鋪貼效果。

馬賽克產品的傳統生產過程可簡述為圖2中的五個步驟，分別為顆粒的制備、顆粒的鋪貼、紙貼的敷貼、烘干和打包；筆者通過在佛山地區部分企業的調研發現，馬賽克產品的諸多環節依舊靠人工完成，如按預設圖案鋪貼馬賽克的環節和打包等工作。

2 系統總體結構設計

STM32F407采用ARM公司先進的Cortex-M4內核框架設計，該系列存儲器擁有高達1M字節的片上閃存和196K字節的內嵌SRAM，并集成了多種實用的外設接口，如本系統用到的FSMC、DCMI及SDIO接口等；圖3為本系統各功能模塊與STM32內部資源連接關系，其內部集成的DCMI外設接口能讓攝像頭獲取的圖像數據快速傳入MCU進行處理，此接口使得控制器能在單位時間內處理更多的圖像數據，有利于提高運動系統的鋪貼效率和識別精度。STM32F4能通過鎖相環PLLCLK時鐘倍頻到168Mhz的頻率，此頻率比普通的51單片高15倍左右，因而在刷新速度和工作效率上可以取得更加優秀的效果。

本系統總體結構采用如圖4所示的方案，馬賽克顆粒在振動盤的驅動下沿其滑道向前運動，經過正反面識別模塊的篩選，只有反面朝上的馬賽克顆粒繼續向前移動，到達顏色識別區域后，系統會根據預設圖案選擇指定顏色的馬賽克顆粒通過識別區域，其余不滿足要求的馬賽克則通過氣嘴吹入振動盤，經過篩選合格的馬賽克顆粒會進入顆粒鋪貼系統，鋪貼胎膜可按產品尺寸（mm）定制為10 × 10、20 × 20、25 × 25等不同規格，鋪貼系統主要由一個XY方向的移動平臺構成。通過圖5所示的流程完成顆粒篩選工作。

3 系統各關鍵功能模塊的設計

3.1馬賽克正反面識別模塊

馬賽克顆粒在振動送料器的驅動下會沿其滑道移動，由于馬賽克顆粒是隨機堆放在振動盤中的，因而從滑道中出來的馬賽克顆粒會出現正面朝上和反面朝上兩種狀態；實際鋪貼過程中，一般將馬賽克顆粒按預定順序正面朝下鋪設在胎膜中，這樣鋪貼完畢后可直接進入下一道紙貼敷貼工序。

馬賽克正反面識別模塊采用如圖6設計的電路結構，其中ST188是一種單光束反射式光電傳感器，它主要由一個高發射功率紅外光電二極管和一個高靈敏度光電接收二極管組成，通過合理的外圍電路設計，其檢測距離在5 ～ 15 cm之間。TDA2822是意法半導體公司開發的一款雙通道單片功率放大器，其具有電路簡單、電壓寬度廣、工作穩定等特點。在圖6所示的電路中，通過ST188輸出的檢測信號經過TDA2822的放大處理后可直接驅動S9013來控制繼電器的吸合。

3.2馬賽克顏色設別模塊

TCS230是一款性價比很高的可編程彩色光到頻率的轉換器，它由美國TAOS公司推出，該芯片上集成了RGB三種濾光器，可將不同顏色的光信號輸出為數字量[1]。文獻[2]介紹的顏色識別方案正是基于以上工作原理實現的，通過對此方案進一步研究發現，TCS230在實際工作過程中容易受周圍環境光線的影響，而且其識別精度與馬賽克顆粒通過識別區域的速度有關，針對以上幾點，本文提出了一種基于OV2640攝像頭模塊的識別方案，通過圖7所示的原理圖連接至系統[3]。

OV2640是美國OmmiVision公司生產的一款1/4寸CMOS圖像傳感器，該傳感器能輸出高達15幀/秒的UXGA圖像，通過SCCB接口編程可控制圖像的輸出模式、幀頻等參數，支持自動曝光控制、自動消除燈紋和自動白平衡等和圖像識別相關的關鍵功能[4]。在本系統中OV2640連接至STM32的DCMI數字圖像接口可實現高速數據的傳輸要求，通過軟件設置將OV2640的圖像輸出為RGB565格式，通過讀取攝像頭指定區域的RGB數據，再將其轉換為HSV模型處理，HSV模型能更加清晰地表達色彩的明暗、色調以及鮮艷程度，從而在實際運用中更有利于顏色的比對[5]。

OV2640識別部分關鍵代碼如下：

void OV2640_RGB565_Mode（void）

{ u16 i=0；

for（i=0； i<（size of（ov2640_rgb565_reg_tbl）/2）； i++）

{ CCB_WR_Reg（ov2640_rgb565_reg_tbl[i][0]，

ov2640_rgb565_reg_tbl[i][1]）； }

} //設置：RGB565輸出

LCD_DrawRectangle（215，375，265，425）；

Rs=0； Gs=0； Bs=0；

for（i=1； i<=50； i++）

{ for（j=1； j<=50； j++）

{ masic=LCD_ReadPoint（i+215， j+375）； R=masic>>11；

G=（0x07e0&masic）>>5； B=0x001f&masic； Rs=Rs+R； Gs=Gs+G； Bs=Bs+B } //獲取顏色數據

}

4 結論與展望

筆者設計的馬賽克自動鋪貼控制系統通過采用OV2640攝像頭模塊可快速判別進入識別區域的馬賽克顆粒，解決了多色馬賽克顆粒的分選技術。通過后續升級可將馬賽克產品打包線集成至本系統。

參考文獻

[1] 張松燦， 肖本賢. 高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應用[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2005（3）：44-46.

[2] 蔡晨暉， 王興波等. 馬賽克自動鋪貼機的控制電路設計及實現[J]. 佛山陶瓷， 2016， 26（5）：38-41.

[3] 葉何. 一種基于視覺識別的多顏色馬賽克顆粒分選機構[P].中國CN206104397U， 2016.

[4] 王建， 梁振濤， 鄭文斌，等. STM32和OV2640的嵌入式圖像采集系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2014（9）：46-48.

[5] 唐光艷. VB中RGB顏色模型與HSV顏色模型轉換的實現[J]. 科技信息， 2009（2）：125-126.endprint