高速摄像机远程同步触发系统

邸 兴，张 杰

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

高速摄像机是一种可以很高帧频对物体的运动影响进行拍摄的摄像机，高速摄像机一般可以每秒1 000～10 000帧的帧频甚至更高。因此在研究高速运动物体的运动方面有着广泛的应用，例如在汽车碰撞测试过程中、高速摄像可以验证气囊的膨胀方式是否对人体产生不良影响；在开发低噪音的机电设备过程中，可以通过慢动作图像分析防噪音零件震动的情况，以制造更加安静的产品，高速摄像还可以应用于对子弹发射出膛速度进行拍摄测量。

由于高速摄像机拍摄图像数据量非常大，导致高速摄像机不能像普通摄像机那样长时间记录工作，一般只能连续拍摄几秒钟至几分钟，所以高速摄像机的通常的工作模式采用外部触发模式，高速摄像机开机后不立即进行拍摄，只有当有外部触发信号到来时才进行短时间的拍摄记录，这样就能保证可以拍摄到需要关注的高速影像，在某些特殊应用环境中采用单台高速摄像机不能满足要求，需要使用多台高速摄像机同时工作，这就要求在需要拍摄时实现对多台高速摄像机进行同步触发拍摄影像。这种环境下通常多台高速摄像机架设距离比较远，无法实现手动对多台高速摄像机进行同步触发，这时就需要实现远程高速摄像机的同步触发。

1 系统总体设计

多台高速摄像机同步触发系统是将多台高速摄像机通过以太网连[1－2]接至监控室，监控室内通过监控计算机或高速摄像机触发信号发送器发送UDP数据包至触发信号接收器，触发信号接收器接收到UDP数据包后，完成对高速摄像机的外部同步触发工作。

如图1所示，高速摄像机远程同步触发系统，由触发信号发送系统和触发信号接收系统两部分组成，远程同步触发有两种工作模式，第一种使用监控计算机使用VC++编写触发软件，在需要触发时使用软件通过网络发送触发数据，触发信号接收器在接收到触发数据包后，完成对其所控制高速摄像机的触发工作。第二种工作模式为使用触发信号发送器完成触发数据包的发送，当需要触发高速摄像机时，按下触发按钮，当触发信号发送器检测到触发按钮按下时，发送数据给触发信号接收器，接收器在接收到触发数据包后，完成对高速摄像机的同步触发。

图1 高速摄像机远程同步触发系统框图Fig.1 High speed camera remote synchronous trigger system

2 高速摄像机同步触发器设计

同步触发器主要由触发信号发送器和触发信号接收器两部分组成，触发信号发送器主要完成触发按钮信号的检测和触发信号的网络数据编码工作，主要由STM32F107VCT6和DP83848以及按钮检测部分构成，STM32微控制器集成了包含以太网MAC的网络模块，通过RMII接口与外围PHY芯片DP83848[3]相连,将网络数据通过网络变压器后输出。

触发信号接收器主要由 STM32F107VCT6、DP83848、高速摄像机触发部分组成，当接收到网络上的触发高速摄像机数据时，STM32驱动继电器完成对高速摄像机的触发功能。

2.1 STM32F107VCT6系列ARM微控制器

STM32F107VCT6使用高性能的 ARM Cortex－M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器 (高达256K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB、一个以太网MAC和一个CAN。供电电压2.0～3.6 V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

本设计主要使用STM32的以太网MAC控制器完成网络数据的发送，STM32F107VCT6的以太网控制器主要有以下功能[4]：

1)通过外接的PHY接口，支持10/100M位/秒的数据传输速率；

2)通过兼容IEEE 802.3标准的MII接口，外接高速以太网PHY；

3)支持全双工和半双工操作；

4)在发送时插入前导符和帧开始数据(SFD)，在接收时去掉这些域；

5)以帧为单位，自动计算CRC和产生可控制的填充位；

6)在接收帧时，自动去除填充位/CRC为可选项；

7)可对帧长度进行编程，支持最长为16K字节的标准帧；

8)可对帧间隙进行编程(40～96位，以8位为单位改变)；

2.2 DP83848以太网PHY芯片

DP83848是美国国家半导体公司退出的10/100位/秒的单路以太网物理层器件，它具有低功耗性能，内部包含一个智能电源，具有关闭状态能量检测模式。能量检测模式提供了当器件未连接到激活的链接对象时节能的机制。当没有电缆存在或者电缆连接到电源处于关闭状态的对象的时候，能够设置DP83848自动进入低功耗状态。一旦插上电缆器件便可继续工作，当尝试与远端对象建立活动链接的时候，DP83848能够自动上电进入全功能工作状态。

当进入到低功耗能量检测状态时，DP83848通过禁止除能量检测电路以外的所有接收电路来减少其功率消耗。

3 硬件电路设计

3.1 电源部分硬件设计

电源使用金升阳LH05－13B05 AC－DC电源，它可将220 V交流电源直接转换成直流5 V输出，具有宽输入电压：85～305VAC/120～430VDC， 军工级低温工作范围：－40～70 ℃，转换效率高达 87%，满足 IEC60950、EN60950、UL60950安规认证标准，具有输出短路、过压、过流等保护功能。

由于由STM32F107VCT6和DP83848均采用3.3 V供电，需要使用LDO将5 V转换成3.3 V，这里我们选用国家半导体公司的LM1085－3.3，它具有最大3 A的输出电流，完全满足本设计的要求。电源电路设计如图2所示。

图2 远程同步触发器电源电路Fig.2 Power circuit of remote synchronous trigger

3.2 网络接口部分硬件设计

网络接口使用部分使用STM32通过RMII接口与DP83848连接，实现网络数据的收发功能，DP83848的网络网络接口接入RJ45插座，经过内部的网络变压器隔离后与交换机相连，电路设计如图3所示。

3.3 高速摄像机触发接口部分硬件设计

当触发信号接收器接收到网络上送出的触发数据时，驱动继电器接通高速摄像机的触发管脚，触发高速摄像机完成影像的拍摄，图中的IN4007用作续流二极管，防止继电器断开时产生反向电动势，触发接口电路如图4所示。

4 系统软件设计

高速摄像机同步触发器设计过程中软件部分网络协议栈移植了LwIP网络协议[5－7]，实现了UDP数据包的发送，LwIP是Light Weight(轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是在保持TCP/IP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

4.1 触发信号发送器软件设计

图3 远程同步触发器网络接口电路Fig.3 Network interface circuit of remote synchronous trigger

图4 高速摄像机触发接口电路Fig.4 Trigger circuit of high speed camera

触发信号发送器主要在检测触发按键是否按下，当确认触发按键按下时，向网络上发送触发高速摄像机的UDP数据包，STM32首先完成硬件和网络协议栈的初始化，在初始化完成后就循环检测按键是否按下，如果按下就发送一次数据，程序流程图如图5所示。

图5 触发信号发送器软件流程图Fig.5 The software flow chart of transmitter

4.2 触发信号接收器软件设计

触发信号接收器在接收到要求触发高速摄像机的数据时，驱动继电器完成对高速摄像机的触发，STM32首先完成硬件和网络协议栈的初始化，然后监听网络上的特定端口的数据，如果接收到触发高速摄像机的数据，驱动继电器完成触发后，继续监听网络端口数据。程序流程图如图6所示。

图6 触发信号接收器软件流程图Fig.6 The software flow chart of receiver

5 结论

基于以太网的远程高速摄像机同步触发系统，借用高速摄像机本身的监控数据传输网络，可以实现无人值守的多台高速摄像机同步触发，有效的解决了影像测量带中多台高速摄像机同步触发拍摄的问题，可以实现高速摄像机的远程网络触发，具有广阔的应用前景。

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