基于STM32的金标试纸读数仪图像的采集及处理
熊涛a，赵立宏11
(南华大学a.机械工程学院;b.军工科技处，湖南衡阳421001)
摘要：随着人们对便携式仪器的需求，具有独立运算处理能力的嵌入式系统得到广泛运用。文中设计了金标试纸读数仪，基于STM32单片机，通过CO M S图像传感器摄像头(ov5640)采集图像，在TFTLCD屏幕上显示图像，同时将得到的数 据与结果存储在SD卡和flash的数据保存模块中。实验结果表明，该设计可以得到清晰的图像与灰度化的图像。
关键词：嵌入式系统;STM32；图像处理
中图分类号:TP 751 文献标志码:A文章编号：1002-2333(2018)03-0055-04 Collection and Processing of Gold-immunochromatographic Assay(GICA)Based on STM32
XIONG Tao",ZHAO Lihongb
(a.School of Mechanical Engineering;b.Department of Military Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China) Abstract:With the people's demand for portable instrument,emb
edded systems with independent computing processing capabilities have been widely used.This paper designs a Gold-immunochromatographicAssay (GICA)based on STM32 microcontroller.COMS image sensor camera(ov5640) is used to acquire image which can display on the TFTLCD screen.The data and results are stored in SD card and data module of flash.Experimental results show that a clear image and a gray-scale image can be obtained.
Keywords:embedded system;STM32;image processing
0引言
胶体金免疫层析技术[14经过多年的不断进步与发展，在医疗检测领域得到了广泛的使用，相应的金标试纸读 数仪器也得到了大量的应用[3]，目前市面上常见的金标试 纸读数仪器具有较好的定量分析结果的是采用基于图像 处理技术的定量金标试纸读数仪器。然而多数为体积 较大的台式机或者是需要接上位机进行数据处理的分析 仪器，不方便携带。因此设计一款具有独立运算处理能力 的嵌入式系统，不仅方便携带还可以降低成本，更适合个 人和现场的使用。
1系统的总体设计
系统的总体设计如图1所示，主要由STM32微处理 器、图像采集模块、图像显示模块、数据存储模块、
外部通 信模块和电源模块构成。各模块的功能如下:1)主控芯片 采取的是STM32F407ZGT6用于对数据的处理，以及对各 模块的控制;2)图像数据的采集模块由OV5640的摄像头模块、LED光源照明模块组成，用于对试纸条的显并采集 显后的图像;3)显示模块采取的是2.8 in的触撕方便实验结果的显示，并可以实现相应的触摸操作功能;4)数据存储 模块有Flash与SD卡组成，Flash主要用于对读取次数不是 很频繁的数据进行储存，SD卡用于对图像数据信息以及处 理后的结果信息进行保存;5)外部通信模块USB接口用于 对程序的烧结，也可对其系统提供充电接口;6)电源模块 采取备用电池供电，且可通过USB接口对其进行充电。
2硬件的设计
2.7微处理器的选择
金标试纸读数仪需要总体体积小，便于携带，足够的 内存容量，高速的运算处理力能，以获得独立运算处理和 快速的处理速度。本设计中采取了目前较为流行的ST公司 的STM32F407ZGT6为主控芯片，其具有32位高性能ARM (：011以-]\14处理器[61，时钟高达168]\〇12，具有192 1^的 SRAM,l〇24kB的Flash，并且支持FPU(浮点运算)和DSP指 令，可以运行算图像处理的算法，实现独立运算处理。2.2图像采集模块
2.2.1摄像头的选择
图像清晰度越高，图像处理得到的特征值的结果越 可靠，本文选择的OV5640摄像头具有500万像素的高清 摄像头，采用OmniVision公司生产的一颗1/4 in CMOS QSXGA(2592x l944)图像传感器具有高灵敏度、低串扰和 低噪声等优点。其具有8位数据的数据接口，通过SCCB总 线控制，输出格式包括RawRGB、RGB(RGB565/RGB555/ RGB444)、CCIR656、YUV(422/420)、YCbCr422 和JPEG。输出的像素为QSXGA(2592x l944)及以下40x30的任意尺
114 PTTM  II  II  II  II 图2
OV 5640电气原理图
寸。可输出的最大帧率：输出像素为QSXGA (2592x l 944)可 达到15 fps ；输出像素为1080P (1920x l 080)可达到30 fps ; 输出像素为720 P ( 1280x 720)可达到60 fps 。OV 5640的电 气原理图如图2所示。2.2.2摄像头控制总线SCCB
SCCB(Seril  Camera  Control  Bus )即串行摄像头控制
总线，由两条数据线 组成：一条为SI 0_C S
于传输时钟信号，一
条为310_0用于传输 数据信号。其传输协议与I 2C 协议相似，只 是SCCB 每一次传输 的数据为9位，前8位 数据是有用的数据， 最后一^位在读周期中 为NA 位。SCCB 有3种 传输周期：第1种为3
相写传输周期，3个相分别为设备从地址，内存地址，所写 数据；第2种为2相写传输周期，分别为设备从地址和内存 地址；第3种为2相读传输周期，分别为设备从地址和所读 数据。如果进行写入操作的时候，使用第1种传输周期，如 果进行读操作时，使用第2种写传输周期后用第3种传输 周期。
2.3显示模块
本设计采用的是2.8 in 的电阻式触摸屏，其液晶显示 屏为2.8 in 的TFT  LCD ，分辨率为320x 240，其驱动芯片采 取的是ILI 9341，具有 172 800(240x 320x 18/8)的显存，也 就是18位的模式下的显存量。当在16位模式下时，总线、 MCU 与LCDGRAM 对应关系如图3所示。
由图3可知，在16位模式下，ILI 9341的D 0与D 12没有
被用到，而M ⑶的16位数据，髙5位对应的是红，中间6位 对应的是绿，低5位对应的是蓝。值得注意的是ILI 9341的 指令都是只有8位数据的，其高八位数据是无效的，只有 在读和写LCDGRAM 的时候才是16位的数据。
2.8 in 的电阻式触摸屏主要是一块和显示屏相配合
的电阻薄膜屏，其具有价 格低、精度高、稳定性能 比较好、抗干扰的能力也 比较强等优点。对于触摸
屏需要相应的AD 转换 器，本设计采取芯片 ADS 7843进行转换，具有 较好的兼容性。
而屏幕控制芯片本
设计采用的是XPT 2046，是一种4导线的触摸屏控制器， 其分辨率为125 Hz ，XPT 2046可以支持1.5〜5.25 V 的低电 压I /O 接口。经过两次A /D 转换就可以到触摸点的位置。 XTP 2046的原理如图4所示。2.4数据存储模块
针对便携式的金标试纸读数仪需要将采集到的图像 信息以及图像处理后的结果保存下来，方便重复查看和 利用，因此需要一 个较大的空间来储 存这些信息。因此
需要选用SD 卡来存 储相应的数据信 息。SD  卡（Secure Digital
Memory
Card )，在一些便携 式的仪器中运用较 多，具有高容量，最 大可达2 TB ；高安 全性；髙速，目前已
有读取速度近100
DAT2
CMD
VDO CLK
CDVDAT3
接口驱动器
M R
k j D 27: Olh IW A
ms .
5:01 l
t S D [127: 0V I SC RF63; O il*-*!
存储器
存储器内核
图5 SD 卡原理图MB /s 的SD 卡；体积小；接口简单，支持SPI 和SDI 0两种访 问模式。本设计选用金士顿的SD 卡进行存储。SD 卡的通 信主要进过9个引脚来完成，有1个时钟，1个命令，3条电 源线，4条数据线。最高频率可达到25 Hz ，支持SDIO 和SPI 等方式。SD 卡的原理图如图5。2.5电源模块
电源模块是给整个便携式金标读数仪各电路提供电 源的部分，而根据STM 32芯片以及各模块的需求，所需的 供电电压主要是5 V 和3.3 V ，电流也在毫安级别，为了仪 器长久且方便地使用，采用可充电式的备用电池，因此， 电源模块主要包括充电芯片、稳压器、电池组成，实现对 电池的充电及对电压的转换。
本设计中考虑到仪器的功耗所需，电池选用常见的 锂电池，其具有3.7 V 的放电电压和放电截止电压为2.75 V ，
以及4.2 V 的充电截止电压。因此充电芯片需满足5 V 的充 电电压以及4.2〜2.75 V 的放电电压，本设计中采用 LTC 4054-4.2的充电芯片，其可提供4.2 V 的固定充电电 压，且可直接从USB 接口给电池充电。而为了满足3.3〜5 V 的电压转换，本设计中稳压芯片采用的是TPS 7333，其为 微功率低压差的稳压器，可提供的最高电流为500 mA 、3.3 V 的固定电压。而在STM 32F 407ZGT 6中有专门的后备 电池的接口 VBAT 接口。3
软件的设计
3.1图像的显示
经LED 灯光源照射使得试纸条进行显反应，并通 过驱动摄像头与LCD 显示屏就可以实时地进行图像模块电源图片
的显 示了，本设计中采用DCMI 的帧中断进行图像一帧数据的 采集，当采集到一帧数据后进行储存，并通过DCMI 开启 DMA 将一帧图像数据显示到LCD 上，并清空中断标志位图3 16位数据对应关系
S S
E
C Y 9
Y 8Y 6Y 5Y 4Y 3Y 2
之后进行下一帧的图形提取，直到采集完所有图像信息，并实时显示在LCD显示屏上。其图像采集的流程如图6所
3.2数据存储
图像数据及处理结果是存储在SD卡中的，而要驱动 SD卡，最主要的是对SD卡的初始化，其次是对SD卡的读 写操作。对SD卡初始化，我们第一步是对卡上电设置 SDIO_POWER[1:0]=11，之后发送CMDO命令，进行卡的 复位，然后发送CMD8，用于区分SD卡2.0，同时通过其所 带的参数设置VHS位，实现SD卡了解系统的供电情况。并 通过发送ACMD41命令，用于了解SD卡的操作电压范围，对支持CMD8的卡，系统设置ACMD41的HCS=1，用于SD 卡判断系统支持SDHC卡；对2.0的卡，OCR的CCS位用于
(a)SD卡的读取流程图 （b)SD卡的写入流程图
图7 SD卡读取写入流程图表示SDHC还是SDSC；对1.x的卡，则忽略该位；对MMC卡，则不支持ACM
D41，MMC卡只需要发送:CMD0和CMD1即可完成初始化。对应SD卡的读取（图7(a))与写入（图7 (b))流程图如图7所示。
4灰度化显示
先让OV5640输出YUV422格式数据：
//OV5640切换为YUV422模式
void OV5640_YUV422_Mode(void)
{//设置:YUV422格式
SCCB_WR_Reg(0xFF,0x00);//设置:YUV422输出
SCCB_WR_Reg(OxDA, 0x01)；//YUV422.YVYU }
当格式输出正确后，将Y分量转换为灰度输出(U、V分量取消)并 显示到LCD上。
YUV422格式转灰度图像(RGB565格式显示)：
"yuv422: yuv格式数据
ul6 yuv422_to_Gray(ul6 yuv422)
{
ul6 Gray; //用于对灰度值变量的存储
//u8 temp; //用于储存yuv422格式数据中的亮度值Y量
//temp = (u8)yuv422>>8;//把yuv422格式数据中的亮度值Y量提取 出来赋值给temp变量(Y值在高字节，根据OV5640寄存器设置决
定）
Gray= (((yuv422» (8+3))«ll)l ((yuv422» (8+2))«5)l ((yuv422» (8+3))«0));//Y量转为灰度值(RGB565格式显示）
return Gray;
}
5测试结果与分析
搭建硬件STM32的硬件平台，并驱动各模块正常运 行，以OV5640摄像头模块提取图像信息，并实时地显示 在液晶显示屏上，如图8(a)所示，相应的灰度显示如图8 (b)所示。
(a)实物图画面 （b)灰度图画面
图8液晶显不屏上的显不
从图片可以看出画面有点偏蓝，这是此液晶显示屏 在手机拍摄时产生的，本身屏幕显示时并不存在。
由图8可以看出，该系统可以提取到像素较为清晰的 画面，相应的灰度显示图也有较高的值，这为后期进行图 像的分割以及特征值的提取打下了很好的基础。
6结论
本文中以STM32F407ZGT6为主控芯片，搭建的硬件 平台，以OV5640进行图像的采集，并通过液晶显示屏进 行实时的显示、有用图像的拍照采集，也可以进行图像的 灰度显示，为后期进一步的图像处理提供(下转第60页）
图8金刚石线切割锯下放示意图
切割过程中，金刚石线会有磨损，切割效率会越来越低。为提高水下施工效率，通常每条金刚石线用于切割海管 次数为1〜2次；即每切两道口，需更换一次金刚石线;4)弯 曲海管切割时需考虑到海管所受的扭力，防止在切割完 成95%左右时，海管端面发生错位，卡死金刚石线，造成 (上接第57页）
基础。本设计成本低，体积小，提取到的图像清晰，处理的 速度快，适于快速测试。
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切割中断。
5结语
金刚石线切割锯不仅适用于海底石油管道切割，也
适用于天然气管道切割；不仅可用于单层管，也可用于双
层管切割。因其操作简单、切割效率高、且切口端面平整，
故得到广泛应用。当水深超过200 m后，金刚石线切割锯
由ROV直接在水下提供动力，不再由甲板下放液压管线。
其金刚石线价格不菲，且需频繁更换，若项目中切割工作
量过大，则需重新评估其经济性。因此需要根据水下管线
切割项目的特点，选择合适的水下切割工具。
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作者简介：魏行超（1979—），男，硕士，工程师，从事水下生产系统安 装、维修、拆除方面的工作。
收稿日期：2017-05-22
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作者简介：熊涛（1991—)，男，硕士，研究方向为医疗器械。
收稿日期：2017-05-22