基于STM32的金標試紙讀數(shù)儀圖像的采集及處理

熊濤， 趙立宏

(南華大學a.機械工程學院；b.軍工科技處，湖南衡陽 421001）

0 引言

膠體金免疫層析技術[1-2]經過多年的不斷進步與發(fā)展，在醫(yī)療檢測領域得到了廣泛的使用，相應的金標試紙讀數(shù)儀器也得到了大量的應用[3]，目前市面上常見的金標試紙讀數(shù)儀器具有較好的定量分析結果的是采用基于圖像處理技術[4-5]的定量金標試紙讀數(shù)儀器。然而多數(shù)為體積較大的臺式機或者是需要接上位機進行數(shù)據處理的分析儀器，不方便攜帶。因此設計一款具有獨立運算處理能力的嵌入式系統(tǒng)，不僅方便攜帶還可以降低成本，更適合個人和現(xiàn)場的使用。

1 系統(tǒng)的總體設計

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

系統(tǒng)的總體設計如圖1所示，主要由STM32微處理器、圖像采集模塊、圖像顯示模塊、數(shù)據存儲模塊、外部通信模塊和電源模塊構成。各模塊的功能如下：1)主控芯片采取的是STM32F407ZGT6用于對數(shù)據的處理，以及對各模塊的控制；2)圖像數(shù)據的采集模塊由OV5640的攝像頭模塊、LED光源照明模塊組成，用于對試紙條的顯色并采集顯色后的圖像；3)顯示模塊采取的是2.8 in的觸摸屏方便實驗結果的顯示，并可以實現(xiàn)相應的觸摸操作功能；4)數(shù)據存儲模塊有Flash與SD卡組成，F(xiàn)lash主要用于對讀取次數(shù)不是很頻繁的數(shù)據進行儲存，SD卡用于對圖像數(shù)據信息以及處理后的結果信息進行保存；5)外部通信模塊USB接口用于對程序的燒結，也可對其系統(tǒng)提供充電接口；6)電源模塊采取備用電池供電，且可通過USB接口對其進行充電。2 硬件的設計

2.1 微處理器的選擇

金標試紙讀數(shù)儀需要總體體積小，便于攜帶，足夠的內存容量，高速的運算處理力能，以獲得獨立運算處理和快速的處理速度。本設計中采取了目前較為流行的ST公司的STM32F407ZGT6為主控芯片，其具有32位高性能ARM Cortex-M4處理器[6]，時鐘高達168 MHz，具有192 kB的SRAM,1024 kB的Flash，并且支持FPU（浮點運算）和DSP指令，可以運行算圖像處理的算法，實現(xiàn)獨立運算處理。

2.2 圖像采集模塊

2.2.1 攝像頭的選擇

圖像清晰度越高，圖像處理得到的特征值的結果越可靠，本文選擇的OV5640攝像頭具有500萬像素的高清攝像頭，采用OmniVision公司生產的一顆1/4 in CMOS QSXGA(2592×1944)圖像傳感器具有高靈敏度、低串擾和低噪聲等優(yōu)點。其具有8位數(shù)據的數(shù)據接口，通過SCCB總線控制，輸出格式包括RawRGB、RGB（RGB565/RGB555/RGB444）、CCIR656、YUV(422/420)、YCbCr422和JPEG。輸出的像素為QSXGA(2592×1944)及以下40×30的任意尺寸?？奢敵龅淖畲髱?輸出像素為QSXGA(2592×1944)可達到15 fps；輸出像素為1080P（1920×1080）可達到30 fps;輸出像素為720 P（1280×720）可達到60 fps。OV5640的電氣原理圖如圖2所示。

2.2.2 攝像頭控制總線SCCB

圖2 OV5640電氣原理圖

SCCB（Seril Camera Control Bus）即串行攝像頭控制總線，由兩條數(shù)據線組成：一條為SIO_C用于傳輸時鐘信號，一條為SIO_D用于傳輸數(shù)據信號。其傳輸協(xié)議與I2C協(xié)議相似，只是SCCB每一次傳輸?shù)臄?shù)據為9位，前8位數(shù)據是有用的數(shù)據，最后一位在讀周期中為NA位。SCCB有3種傳輸周期：第1種為3相寫傳輸周期，3個相分別為設備從地址，內存地址，所寫數(shù)據；第2種為2相寫傳輸周期，分別為設備從地址和內存地址；第3種為2相讀傳輸周期，分別為設備從地址和所讀數(shù)據。如果進行寫入操作的時候，使用第1種傳輸周期，如果進行讀操作時，使用第2種寫傳輸周期后用第3種傳輸周期。

2.3 顯示模塊

本設計采用的是2.8 in的電阻式觸摸屏，其液晶顯示屏為2.8 in的TFT LCD,分辨率為320×240，其驅動芯片采取的是ILI9341，具有172 800（240×320×18/8）的顯存，也就是18位的模式下的顯存量。當在16位模式下時，總線、MCU與LCDGRAM對應關系如圖3所示。

圖3 16位數(shù)據對應關系

由圖3可知，在16位模式下，ILI9341的D0與D12沒有被用到，而MCU的16位數(shù)據，高5位對應的是紅，中間6位對應的是綠，低5位對應的是藍。值得注意的是ILI9341的指令都是只有8位數(shù)據的，其高八位數(shù)據是無效的，只有在讀和寫LCDGRAM的時候才是16位的數(shù)據。

2.8 in的電阻式觸摸屏主要是一塊和顯示屏相配合的電阻薄膜屏，其具有價格低、精度高、穩(wěn)定性能比較好、抗干擾的能力也比較強等優(yōu)點。對于觸摸屏需要相應的AD轉換器，本設計采取芯片ADS7843進行轉換，具有較好的兼容性。

圖4 XPT2046原理圖

而屏幕控制芯片本設計采用的是XPT2046，是一種4導線的觸摸屏控制器，其分辨率為125 Hz，XPT2046可以支持1.5～5.25 V的低電壓I/O接口。經過兩次A/D轉換就可以找到觸摸點的位置。XTP2046的原理如圖4所示。

2.4 數(shù)據存儲模塊

針對便攜式的金標試紙讀數(shù)儀需要將采集到的圖像信息以及圖像處理后的結果保存下來，方便重復查看和利用，因此需要一個較大的空間來儲存這些信息。因此需要選用SD卡來存儲相應的數(shù)據信息。SD卡（Secure Digital Memory Card），在一些便攜式的儀器中運用較多，具有高容量，最大可達2 TB；高安全性；高速，目前已有讀取速度近100 MB/s的SD卡；體積小；接口簡單，支持SPI和SDIO兩種訪問模式。本設計選用金士頓的SD卡進行存儲。SD卡的通信主要進過9個引腳來完成，有1個時鐘，1個命令，3條電源線，4條數(shù)據線。最高頻率可達到25 Hz，支持SDIO和SPI等方式。SD卡的原理圖如圖5。

圖5 SD卡原理圖

2.5 電源模塊

電源模塊是給整個便攜式金標讀數(shù)儀各電路提供電源的部分，而根據STM32芯片以及各模塊的需求，所需的供電電壓主要是5 V和3.3 V，電流也在毫安級別，為了儀器長久且方便地使用，采用可充電式的備用電池，因此，電源模塊主要包括充電芯片、穩(wěn)壓器、電池組成，實現(xiàn)對電池的充電及對電壓的轉換。

本設計中考慮到儀器的功耗所需，電池選用常見的鋰電池，其具有3.7 V的放電電壓和放電截止電壓為2.75 V，以及4.2 V的充電截止電壓。因此充電芯片需滿足5 V的充電電壓以及4.2～2.75 V的放電電壓，本設計中采用LTC4054-4.2的充電芯片，其可提供4.2 V的固定充電電壓，且可直接從USB接口給電池充電。而為了滿足3.3～5 V的電壓轉換，本設計中穩(wěn)壓芯片采用的是TPS7333，其為微功率低壓差的穩(wěn)壓器，可提供的最高電流為500 mA、3.3 V的固定電壓。而在STM32F407ZGT6中有專門的后備電池的接口VBAT接口。

3 軟件的設計

3.1 圖像的顯示

經LED燈光源照射使得試紙條進行顯色反應，并通過驅動攝像頭與LCD顯示屏就可以實時地進行圖像的顯示了，本設計中采用DCMI的幀中斷進行圖像一幀數(shù)據的采集，當采集到一幀數(shù)據后進行儲存，并通過DCMI開啟DMA將一幀圖像數(shù)據顯示到LCD上，并清空中斷標志位之后進行下一幀的圖形提取，直到采集完所有圖像信息，并實時顯示在LCD顯示屏上。其圖像采集的流程如圖6所示。

圖6 圖像顯示流程圖

3.2 數(shù)據存儲

圖像數(shù)據及處理結果是存儲在SD卡中的，而要驅動SD卡，最主要的是對SD卡的初始化，其次是對SD卡的讀寫操作。對SD卡初始化，我們第一步是對卡上電設置SDIO_POWER［1:0］=11，之后發(fā)送CMD0命令，進行卡的復位，然后發(fā)送CMD8，用于區(qū)分SD卡2.0，同時通過其所帶的參數(shù)設置VHS位，實現(xiàn)SD卡了解系統(tǒng)的供電情況。并通過發(fā)送ACMD41命令，用于了解SD卡的操作電壓范圍，對支持CMD8的卡，系統(tǒng)設置ACMD41的HCS=1，用于SD卡判斷系統(tǒng)支持SDHC卡；對2.0的卡，OCR的CCS位用于表示SDHC還是SDSC；對1.x的卡，則忽略該位；對MMC卡，則不支持ACMD41，MMC卡只需要發(fā)送：CMD0和CMD1即可完成初始化。對應SD卡的讀?。▓D7（a））與寫入（圖7（b））流程圖如圖7所示。

圖7 SD卡讀取寫入流程圖

4 灰度化顯示

5 測試結果與分析

搭建硬件STM32的硬件平臺，并驅動各模塊正常運行，以OV5640攝像頭模塊提取圖像信息，并實時地顯示在液晶顯示屏上，如圖8（a）所示，相應的灰度顯示如圖8（b）所示。

從圖片可以看出畫面有點偏藍，這是此液晶顯示屏在手機拍攝時產生的，本身屏幕顯示時并不存在。

由圖8可以看出，該系統(tǒng)可以提取到像素較為清晰的畫面，相應的灰度顯示圖也有較高的值，這為后期進行圖像的分割以及特征值的提取打下了很好的基礎。

6 結論

本文中以STM32F407ZGT6為主控芯片，搭建的硬件平臺，以OV5640進行圖像的采集，并通過液晶顯示屏進行實時的顯示、有用圖像的拍照采集，也可以進行圖像的灰度顯示，為后期進一步的圖像處理提供基礎。本設計成本低，體積小，提取到的圖像清晰，處理的速度快，適于快速測試。

[1] 蔣旭,李青竹,邱月紅,等.膠體金免疫層析技術研究進展[J].畜禽業(yè),2015(5):28-30.

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