基于STM32的空間實驗圖像采集與顯示系統的研究與設計

摘?要：隨著未來中國空間站的建成，后續太空教學活動與搭載項目的日益增多，對實驗過程進行圖像采集處理顯得至關重要。本文采用OV2640攝像頭，通過STM32微控制器進行數據的傳輸與處理，并將實驗圖像實時顯示在液晶屏上，為空間教育類實驗提供適應性廣、接口統一的實驗平臺。

關鍵詞：空間站;教育實驗;圖像采集

隨著未來中國空間站的建成，空間站公共實驗柜也將為全球科學愛好者開放空間實驗資源。微重力、高真空等獨特的太空環境對青少年學生具有特殊的吸引力，隨著后續太空教學活動與搭載項目的日益增多，對實驗過程進行圖像采集處理顯得至關重要。本文的核心在于采用OV2640攝像頭采集實驗圖像，并通過微控制器進行數據處理，為空間教育類實驗提供適應性廣、接口統一的實驗平臺。

一、空間教育類實驗概述[1]

2000—2016年的16年間，“國際空間站”主導開展了大量的太空教學與青少年實驗搭載活動。其中，較為典型的項目如CSI系列“太空生物課”教學活動、Nanorack系列“青少年創意太空實驗”活動。自2007年起，CSI系列教學活動利用國際空間站商業生物實驗平臺開展了大量的太空教學活動，持續進行了包括種子萌發、線蟲培養、植物生長、蝴蝶行為研究等教育類實驗，激發了學生對科學的探索欲望和學習熱情。

近十年來，我國在青少年太空教學與太空實驗搭載方面同樣開展了大量工作，成果顯著。2013年6月，在神舟十號執行任務期間，我國首次太空授課活動成功舉行，在距離地球表面340千米左右的近地軌道上，女航天員王亞平擔任主講，為全國8萬所學校的6000余萬師生帶來了一堂生動有趣的物理實驗課。

二、空間教學實驗平臺

基于空間實驗柜的空間教學實驗平臺，能夠滿足青少年學生的個性化要求，能夠支持各種太空教育類實驗，如生物、化學、物理等，同時滿足不同規格的標準化實驗裝置。實驗平臺綜控系統完成實驗過程的無人化控制，實驗數據的自動讀取、存儲，并統一向數據庫轉發實驗數據等操作。

三、空間實驗圖像采集與顯示系統

空間實驗圖像采集與顯示系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成，通過對硬件系統和軟件系統的設計，完成實驗平臺實驗數據接收和發送、數據存儲、狀態監控等功能。實驗平臺硬件系統由STM32系列、電源DC/DC轉化模塊、OV2640攝像頭、觸摸液晶屏等組成。

本系統采用OV2640攝像頭采集實驗過程圖像，然后通過STM32系列控制器處理相關數據，并通過5寸電容觸摸屏進行顯示。控制原理見圖所示：

（一）實驗數據的采集[2-3]

本系統選用圖像傳感器OV2640采集實驗圖像，OV2640是一款CMOS圖像傳感器，具有體積小，重量輕、功耗低等特點，分辨率最大可以達到1600×1200。該款圖像傳感器可直接輸出JPEG格式的圖像數據，由于數據量大幅降低，因此速度可達15幀/秒，使圖像數據的傳輸更加高效。通過控制SCCB總線接口，對其進行編程從而實現自動白平衡、曝光控制等圖像處理功能。

（二）實驗數據的傳輸

為了使實驗圖像數據能夠高效快速的進行處理與傳輸，本系統選用STM32-F7系列控制器，該款芯片自帶一個數字攝像頭接口DCMI。DCMI接口是同步并行接口，可采集由JPEG格式壓縮的數據，能實現54MB/秒的數據采集。

DMA，即直接存儲區訪問（Direct Memory Access）為實現數據高速在外設寄存器與存儲器之間或者存儲器與存儲器之間傳輸提供了高效的方法。STM32F7系列的DMA功能齊全，工作模式眾多，支持I2C、DCMI等外設到存儲器傳輸、存儲器到外設傳輸和存儲器到存儲器傳輸三種傳輸模式。DMA的功能是可以快速移動內存數據。

（三）實驗圖像的顯示

實驗圖像采用5寸液晶屏進行實時顯示，使用I2C通信，該液晶屏的分辨率為800×480，支持RGB888格式，顯示圖像范圍較大。

四、軟件設計

實驗平臺軟件由多個子功能模塊相互協作完成系統功能要求，如攝像頭模塊、DMA傳輸模塊、液晶屏顯示模塊以及軟件看門狗模塊等。在主函數中，首先進行系統初始化。攝像頭部分，調用相關函數初始化DCMI接口和I2C接口，接下來調用讀取攝像頭ID函數檢查底板是否正常連接OV2640攝像頭，如函數返回正常則對DCMI的工作模式及DMA進行初始化，再向攝像頭寫入寄存器配置，接下來DCMI開始采集數據，通過DMA將攝像頭采集的實驗圖像數據顯示在液晶屏上面。

五、總結與思考

在本系統中，經過反復調試與改進，最終成功將OV2640采集到的實驗圖像信息實時顯示在5寸液晶屏上。在程序編寫和調試過程中，總結出以下兩點經驗：

（1）圖像傳感器是本系統的關鍵部件之一，不同的圖像傳感器在性能、參數方面差異較大，因此需要根據圖像采集需求選擇合適的圖像傳感器。本系統選用的OV2640圖像傳感器由于自帶DCMI接口，且可采集JPEG格式的圖像數據，方便快捷。

（2）在使用OV2640圖像傳感器過程中，值得注意的是首先應當調用GPIO引腳初始化程序，并使能DCMI時鐘，對DCMI的所有信號線進行初始化，使其成為復用模式。

參考文獻：

[1]王靜，李得天，周暉.國際空間站植物培養裝置與環境監控系統[J].農業機械學報，2013（11）：234-238.

[2]黃健，羅國平，杜麗君.基于STM 32F407平臺OV2640驅動程序設計[J].通訊世界，2015（19）：252-253.

[3]楊宇，賈永興，榮傳振.基于STM 32F407的圖像采集與傳輸系統的設計與實現[J].微型機與應用，2015（08）：30-32.

作者簡介：楊芳（1989—?），女，江西南昌人，碩士研究生，畢業于北京理工大學，研究方向：空間機電設備研發。