摘 要：系统以基于Cortex-M4内核的STM32F407作为控制核心，使用OV9655图像传感器采集图像，并利用TFT屏动态显示。图像传输模块基于LwIP协议实现向PC传输图像，最后PC接收并保存图像数据，利用MATLAB编程恢复图像，将其与TFT显示的图像对比。实验结果表明，图像传输稳定可靠，图像清晰，满足机器人通过图像识别目标的要求。
关键词：Cortex-M4 STM32F407；图像传输；LwIP
0 引言
图像是人类获取信息的主要来源，也是智能机器人感知环境和识别目标的重要信息源之一[1]。因此，如何通过相机传感器高速、有效地获取和传输图像信息，成为智能机器人利用图像正确感知环境和识别目标的前提。本文介绍了一种基于STM32F407芯片，利用LwIP协议的图像采集与传输系统。
1 系统的总体设计方案
本系统的总体设计思路为：以STM32F407为主控核心，通过DCMI接口接收图像传感器OV9655采集的图像，利用DMA方式将图像发送到外部SRAM，同时通过FSMC接口将此数据发送到TFT屏显示，然后将外部SRAM上的图像通过网络传输并保存到PC，最后，利用MATLAB软件将接收的图像数据进行恢复显示，并验证其正确性。系统总体结构如图1所示。
2 系统的硬件构成
本系统的硬件电路主要包括：微处理器、摄像头、以太网模块、SRAM、TFT、RJ45接口、JTAG接口、复位电路、电源等。
本系统的微处理器为ST公司的STM32F407IGT6[2]，其主频达168 MHz，具有1 MB Flash，196 KB SRAM，专有DMA的10/100 Ethernet MAC，14 bit并行相机高速接口，为图像数据的采集提供了高速的传输速率。
摄像头采用Omni Vision 公司的OV9655[3]，这是一款用于移动设备的130万像素CMOS图像传感器，具有照相和图像处理的多种功能（曝光控制、灰度调节、自动白平衡、色彩饱调节和噪声消除等）。其采用的Omni Pixel技术平台，独特的像素架构增加了信噪比，使传感器在低光照的条件下仍能良好工作。OV9655支持的图像格式包括：RGB（GRB 4：2：2，RGB 5：6：5/5：5：5）、YUV（4：2：2）和YCbCr（4：2：2），输出的图像尺寸包括SXGA、VGA、CIF和小于CIF至40×30的任何尺寸，本文设置图像输出格式为RGB 5：6：5，分辨率为320×240。
以太网模块的收发芯片为National公司的10/100 M以太网物理层收发芯片DP83848C，该芯片遵循Ethernet II和IEEE802.3u标准，支持MII、RMII、SNI三种数据连接方式，本文采用了RMII模式，见图1。对外采用RJ45接口连接，支持平行交叉网线自适应（Auto-MDIX），内部还集成了数据收发及滤波功能。在全双工模式下，可以同时实现发送和接收，理论上最高速度能达到100 Mb/s，本文对其配置为100 Mb/s。
3 系统的软件设计
系统软件的实现包括：图像数据采集、网络传输、图像数据存储与恢复显示。本文将重点介绍图像采集和网络传输的实现。
系统软件结构采用C/S（Client/Server）模式[4]，在服务器端主要实现图像的采集和发送，在客户端实现图像的接收、保存与恢复显示。
3.1 图像采集
通过STM32F407IG控制DCMI接收OV9655采集的图像，再由DMA将图像发送到外部SRAM，并将其复制到TFT屏上显示，如图2所示。
图像采集流程具体为：
（1）图像采集模块初始化，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，实现摄像头的DCMI接口和SRAM关联，即可通过DMA将DCMI接口的图像传输到SRAM。
（2）DCMI接口配置为帧中断。当获得的一帧图像数据后，产生中断，进入DCMI的中断服务函数，实现将SRAM中的图像复制到TFT屏进行显示的功能。
（3）使能DCMI接口捕获图像，并产生DCMI中断。
（4）使能DMA，将DCMI接口的数据复制到SRAM。
3.2 图像传输
本文利用LwIP（Light weight IP）实现图像到PC的传输。LwIP是瑞士计算机科学院的DUNKELS A等人开发的一套用于嵌入式系统旳开源代码TCP/IP协议栈，其在保持TCP/IP协议栈完整性的基础上，减少了RAM和ROM的占用，使LwIP适合在嵌入式系统中应用[5]。
嵌入式TCP/IP协议栈通常有以下两种实现方式：一种是将协议簇中的每个协议作为一个单独的进程，并指定进程之间的通信点。其优点在于结构清晰，代码易懂，占用系统资源较少，且方便调试；另一种方式是将协议栈驻留在操作系统内核中，应用程序通过系统调用与协议栈通信。该方式对系统RAM、ROM资源占用较高，且不能很好地支持MDK[5]环境下的断点调试，故本文选择第一种实现方式。
本文采用C/S模式来实现图像数据的发送和接收。其中，嵌入式系统作为服务器，PC作为客户端。服务器首先创建一个Socket，等待与客户端的连接，连接成功后发送图像。
服务器图像发送程序的基本步骤为：
（1）创建Socket，并指定SOCK_STREAM为TCP的Socket；
（2）初始化服务器端口和地址，并绑定Socket到服务器地址；
（3）监听Socket；
（4）接受客户端连接Socket的请求，并返回连接成功的Socket和客户端的地址；
（5）处理客户端连接，将图像采集模块存储到SRAM的图像数据，发送到客户端；
（6）关闭Socket，退出服务。
客户端首先通过网络助手设置其地址和端口：（1）协议类型为：TCP Client；（2）IP地址为：192.168.1.30；（3）端口为：5000。然后，客户端调用Connect函数与服务器建立连接，连接成功后，通过网络助手接收并保存从服务器发送的图像数据（如图3所示），最后关闭Socket。
通过网络助手接收的图像数据是将图像中所有像素的RGB值逐行以每像素16 bit的十六进制数进行保存的。为了验证接收到的图像数据的有效性和准确性，本文通过MATLAB软件编程，恢复并显示图像，如图4所示，与图2中TFT屏显示的图像相比，经网络传输到PC的图像无失真。实验结果表明，图像经网络传输有效而准确。
4 结论
图像是机器人智能识别目标的重要信源之一。本文介绍了一种基于STM32F407的图像采集和传输系统的设计与实现，利用轻量的TCP/IP协议进行Socket编程，实现将服务器端采集的图像数据网络传输到PC客户端。测试结果表明，其图像传输效果高速而有效，可满足客户端对图像采集与传输的需求，并且该系统的架构容易升级到无线网络进行远程的图像、视频和语音传输。
参考文献
[1] 马燕.图像目标跟踪算法研究[D].西安：西安电子科技大学，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，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[5] 胡亦万，基于Cortex-M3的LwIP移植以及嵌入式WEB的应用研究[D].南昌：南昌大学，2013.