基于STM32的图像采集与网络传输系统设计

姜艳茹，孟令军，尚桠朝，李 岩

（中北大学 仪器与电子学院，太原030051）

近年来芯片制造工艺和技术不断提升，微控制器的性能越来越强、功耗越来越低，进一步促进了嵌入式技术的发展[1]。随着网络的迅猛发展，具有网络功能的嵌入式设备拥有更高的使用价值和更强的通用性。网络数据传输具有传输数据保密性高、抗电磁干扰能力极强、传输数据容量大、硬件开销小等自身优势[2]，满足视频传输的要求，广泛应用于智能家居、工业控制、安防及城市交通管理等领域。

文献[3]提出一种基于GPRS 的实时图像传输方法，该系统将传感器技术、GPRS 技术以及嵌入式技术集成，对硬件设备和服务器终端进行了详细的概述。该系统虽然效率较高，但是实现的过程比较繁琐。文献[4]提出一种基于树莓派的无线WiFi 传输方法，对系统实现的关键技术进行分析，在原有的视频流传输方法的基础上进行了改进，最后对系统测试进行讨论。该方法图像传输的实时性好，但是系统设计成本略高。

本文针对上述产生的问题，设计了一款基于STM32 的图像采集与网络传输系统，以STM32F429为主控芯片，UCOS-II 操作系统为基础，采用LwIP协议栈作为客户端与服务器的通信协议，提高系统性能。该设计不仅开发成本低、可以连接网络，还具有可移植性强和可维护性好的特点，可为网络图像传输或其他相关系统的开发提供一种参考方式。

1 系统总体设计

本系统的设计思路为以Cortex-M4 为内核的STM32F429 作为控制核心，利用OV2640 作为图像采集模块，与STM32F429 的数字摄像头（DCMI）接口连接接收图像数据[5]，然后通过直接存储器访问（DMA）外设传输图像数据到内部SRAM，再利用可变存储控制器（FMC）外设把数据拷贝到外部SDRAM缓存，以太网（ETH）外设与外部芯片LAN8720A 以RMII 接口连接，进行数据传输。通过LwIP 协议栈实现开发板与PC 端间网络通信，把图像数据从SDRAM 传输到PC 端，PC 端将数据解码实时显示出来。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

2 系统硬件设计

2.1 OV2640 摄像头模块

OV2640 是由OV 公司生产的一款CMOS 类型数字图像传感器，该传感器支持输出最大为200 万像素的图像（1600×1200 分辨率），自带压缩引擎，可以直接输出压缩后的JPEG 数据，使得在保证图像质量的前提下，尽可能减少图像数据的大小[6]，减少图像的传输时间。OV2640 摄像头电路如图2 所示，24 MHz 有源晶振为OV2640 提供系统时钟，稳压芯片为OV2640 提供所需的稳定电压。

图2 OV2640 摄像头电路Fig.2 OV2640 camera circuit

STM32F429 与OV2640 以DCMI 接口连接。STM32F429 首先通过SCCB 接口的SCL 和SDA 配置OV2640 的寄存器进行初始化。数据采集时使用8 根数据线，通过设置DCMI_CR 寄存器的EDM［1：0］=00，使得D［0：7］有效，使用HSYNC 和HREF作为同步信号。当输出JPEG 格式数据时，PCLK 的数目大大减少，且不连续，数据以0XFF，0XD8 开头，0XFF，0XD9 结尾[7]。

2.2 外部SDRAM

本系统将SDRAM 作为外部存储器，将图像数据暂存到SDRAM，然后通过网络发送到PC 端。STM32F429 利用FMC 外设来驱动SDRAM 这样的动态存储器，连接电路如图3 所示，主要是地址线和数据线。V

图3 SDRAM 连接图Fig.3 SDRAM connection diagram

SDRAM 上电后先进行初始化，初始化完成后，通过映射的地址直接访问SDRAM，地址范围为0xC0000000-0xDFFFFFFF。在程序中，定义一个指向上述地址的指针，当需要对该存储单元读写时通过指针直接访问，FMC 外设会自动完成数据读写过程，无需其他操作。

2.3 以太网通信模块

以太网接口电路如图4 所示，STM32F429 通过RMII 接口与外部芯片LAN8720A 连接，以实现介质访问控制层与物理层的数据传输。LAN8720A 芯片引脚数目少，拥有1．2 V 内置稳压源，是低功耗10/100 M以太网物理收发器[8]。

RMII 接口方式在保持物理层器件现有特性的前提下减少了PHY 的连接引脚[9]，引脚如下。RMII_REF_CLK 为50 MHz 参考时钟信号，LAN8720A内部集成PLL，可将25 MHz 时钟源倍频到50 MHz并指定到该引脚；RMII_CRS_DV 为侦听载波信号与接收数据有效信号的整合信号，由LAN8720A 驱动；RMII_TXD［1：0］和RMII_RXD［1：0］为发送接收数据线。ETH_MDIO 和ETH_MDC 组成MAC 内核访问PHY 寄存器的标志接口，向寄存器写入数据或读取状态，最大通信频率为2．5 MHz。数据帧格式如表1 所示，第一个PADDR 用于指定PHY 地址，第二个RADDR 用于指定PHY 寄存器地址，TA 为状态转换域，数据段有16 位，对应PHY 寄存器每个位，先发送或接收到的位对应以太网MAC MII 数据寄存器（ETH_MACMIIDR）寄存器的位15。

图4 以太网接口电路Fig.4 Ethernet interface circuit

表1 数据帧格式Tab.1 Data frame format

3 系统软件设计

本系统软件部分以UCOS-II 操作系统为基础，移植了LwIP 协议栈，在系统的调度下，初始化OV2640，采集图像数据，使用DMA 双缓存机制接收图像数据到SRAM，再通过地址访问写入外部SDRAM，利用LwIP 协议栈，实现STM32F429 与PC 端之间网络通信，把图像数据上传到PC 客户端显示[10]。UCOS-II操作系统是一个可固化、可移植、可剪裁的占先式实时多任务内核，特别适合于微处理器和控制器[11]。将UCOS-II 操作系统移植进STM32F429，进行裁减配置，使之能够正常运行。

3.1 数据接收

STM32F429 接收数据时采用DMA 双缓冲机制。OV2640 摄像头与DCMI 接口连接，通过数据线D［0：7］传输JPEG 数据流，然后通过DMA 进行传输。DCMI_CR 寄存器中的CAPTURE 位置1 时，激活DMA 接口。netcam_blk_buf0（内存1）和netcam_blk_buf1（内存2）作为DMA 的两个缓冲区，大小为NETCAM_BLK_SIZE*4 个字节，交替存储JPEG 数据流，如图5 所示。netcam_blk_buf0 和netcam_blk_buf1 所指向的内存，必须是内部内存，程序中利用内存管理为这两个指针在内部SRAM 中分配内存。

图5 DMA 双缓存接收流程Fig.5 DMA double buffer receiving process

考虑到网络速度可能会跟不上摄像头的数据输出速度，导致图片显示错误。针对此问题，本系统将数据先放在指针数组netcambuf 中，大小为NETCAM_BUF_NUM 个缓冲区，每个缓冲区NETCAM_BLK_SIZE*4 个字节，利用readdpos 和writedpos 记录当前的读写位置，如图6 所示。netcambuf 利用内存分配函数为其在外部SDRAM 中分配内存。DMA传输完成中断后，在中断函数中将netcam_blk_buf 里面的数据，存储到netcambuf 里。然后ETH 外设将netcambuf 里的数据通过RMII 接口的发送数据线传输给LAN8720A，最后通过网口传输数据到PC 端。

图6 指针数组cambufFig.6 Pointer array cambuf

3.2 LwIP 协议栈

UCOS-II 只是一个实时的任务调度及通信内核，缺少对网络协议的支持，需要将LwIP 移植到UCOS-II 上，使其支持网络功能[12]。LwIP 是一个小型的网络协议栈，使用灵活，提供了多种常用的的协议，这些功能可以通过lwippopts．h 中的宏定义来决定功能的启用或者禁用[13]。LwIP 在UCOS-II 系统中的结构如图7 所示。应用程序层采用标准netconn接口函数与上层交互；硬件驱动层根据驱动不同实现函数编写，是移植LwIP 的重点。移植时跟硬件密切相关的为以下三个函数：Low_level_init（）函数主要完成实际对硬件的初始化设置；Low_level_output（）函数用于发送数据，将LwIP 协议栈Pbuf 缓冲区中的数据拷贝到DMA 发送数据缓存区，通过网卡发送出去；Low_level_input（）函数用于接收数据，从网卡中提取数据，将DMA 缓冲区中数据拷贝到Pbuf结构体中，然后将Pbuf 返回[14]。

图7 LwIP 在UCOS-II 系统中的结构Fig.7 Structure of LwIP in UCOS-II system

本系统采用LwIP 作为STM32F429 与PC 端上位机通讯的协议，移植时，NO_SYS 设置为0，使用UCOS 操作系统，这有利于提高整体性能。同时使用NETCONN 的TCP 接口方式，在头文件中把LWIP_NETCONN 与LWIP_TCP 设置为1，从而启动TCP协议。STM32F429 作为服务器，PC 端作为客户端，传输流程如图8 所示。用户可以用网线连接路由器，或者直接用网线连接电脑的网口。上位机界面配置好端口和地址点击连接，连接成功，即可发送数据流到PC 端上位机显示。

图8 网络传输流程Fig.8 Network transmission flow chart

3.3 逻辑设计

本系统的整体运行顺序如图9 所示，系统启动后，初始化LwIP，包括：初始化LAN8720A、申请内存、添加并打开网卡，然后初始化UCOS 操作系统，创建两个任务：图像采集传输任务、DHCP 处理任务。

图9 主程序流程Fig.9 Main program flow chart

图像采集任务中，初始化OV2640，通过SCCB总线配置内部寄存器使其输出JPEG 格式的图像数据，等待主机连接，连接成功，启动数据传输，发送数据到PC 端，之后若是断开连接，释放内存，关闭传输。DHCP 处理任务中，开启DHCP 服务，然后等待DHCP 获取IP 成功，如果DHCP 获取失败，将使用静态IP（固定为：192.168.1.20），端口号固定为：8088，最后将IP 信息打印到串口显示。然后把任务交由任务管理器，由任务调度管理，这样便可实现在不同的任务之间来回调度，实现多任务同时进行[15]。

4 实验及结果

系统连接成功，编译程序下载到开发版，用网线连接开发板与电脑，电脑端IP 设置为与开发板IP 在同一网段，采用Windows 的ping 指令进行网络测试，检测通讯是否正常及丢包率情况，测试结果如图10 所示，网络功能正常。网络测试正常后，在PC 端的上位机界面输入串口显示的服务器IP 地址和端口号，点击启动，就会显示采集到的图像，如图11 所示。实测最大可以传输1600×1200 的图像，帧率15 fps 左右，传输平均速率达到2 Mbit/s，视频流畅，运行稳定。

图10 网络测试结果Fig.10 Network test results

图11 图像显示Fig.11 Image display

5 结语

本文基于STM32F429、OV2640 及LAN8720A等硬件设计实现了一款图像采集与网络传输系统，分析了系统的硬件和软件设计，并通过图像显示结果很好的验证了系统的性能。该系统功耗低、体积小巧、性能稳定可靠、成本低廉，还可以用于构成复杂的传输网络，同时具有良好的可移植性和可维护性，对多种视频传输等更多领域的应用与研究具有很好的价值。