基于STM32的金标试纸读数仪图像的采集及处理

熊涛， 赵立宏

(南华大学a.机械工程学院；b.军工科技处，湖南衡阳 421001）

0 引言

胶体金免疫层析技术[1-2]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[4-5]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

图1 系统总体设计图

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，用于对试纸条的显色并采集显色后的图像；3)显示模块采取的是2.8 in的触摸屏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

2.1 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 Cortex-M4处理器[6]，时钟高达168 MHz，具有192 kB的SRAM,1024 kB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(2592×1944)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(2592×1944)及以下40×30的任意尺寸。可输出的最大帧率:输出像素为QSXGA(2592×1944)可达到15 fps；输出像素为1080P（1920×1080）可达到30 fps;输出像素为720 P（1280×720）可达到60 fps。OV5640的电气原理图如图2所示。

2.2.2 摄像头控制总线SCCB

图2 OV5640电气原理图

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SIO_C用于传输时钟信号，一条为SIO_D用于传输数据信号。其传输协议与I2C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320×240，其驱动芯片采取的是ILI9341，具有172 800（240×320×18/8）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。

图3 16位数据对应关系

由图3可知，在16位模式下，ILI9341的D0与D12没有被用到，而MCU的16位数据，高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ILI9341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ADS7843进行转换，具有较好的兼容性。

图4 XPT2046原理图

而屏幕控制芯片本设计采用的是XPT2046，是一种4导线的触摸屏控制器，其分辨率为125 Hz，XPT2046可以支持1.5～5.25 V的低电压I/O接口。经过两次A/D转换就可以找到触摸点的位置。XTP2046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；高速，目前已有读取速度近100 MB/s的SD卡；体积小；接口简单，支持SPI和SDIO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。

图5 SD卡原理图

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STM32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LTC4054-4.2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TPS7333，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STM32F407ZGT6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色反应，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所示。

图6 图像显示流程图

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CMD0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位用于表示SDHC还是SDSC；对1.x的卡，则忽略该位；对MMC卡，则不支持ACMD41，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。

图7 SD卡读取写入流程图

4 灰度化显示

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。

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。

[1] 蒋旭,李青竹,邱月红,等.胶体金免疫层析技术研究进展[J].畜禽业,2015(5):28-30.

[2] 樊淑华,王永立.胶体金免疫层析技术应用研究进展[J].动物医学进展,2014(10):99-103.

[3] 任娟.胶体金免疫层析技术研究现状及进展[J].新疆畜牧业,2011(12):22-24.

[4] 赵友全,杨成文,陈峰,等.一种新型便携式甲霜灵胶体金试纸条显色分析仪的研制[J].仪器仪表学报,2009,30(10):2175-2179.

[5] 吴元树.利用图像采集装置实现免疫层析定量检测的研究[D].福州:福州大学,2014.

[6] 佚名.ST推出高性能STM32F4系列微控制器[J].单片机与嵌入式系统应用,2011,11(11):3.