高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程同步觸發(fā)系統(tǒng)

高速攝像機(jī)是一種可以很高幀頻對物體的運(yùn)動影響進(jìn)行拍攝的攝像機(jī)，高速攝像機(jī)一般可以每秒1 000～10 000幀的幀頻甚至更高。因此在研究高速運(yùn)動物體的運(yùn)動方面有著廣泛的應(yīng)用，例如在汽車碰撞測試過程中、高速攝像可以驗(yàn)證氣囊的膨脹方式是否對人體產(chǎn)生不良影響;在開發(fā)低噪音的機(jī)電設(shè)備過程中，可以通過慢動作圖像分析防噪音零件震動的情況，以制造更加安靜的產(chǎn)品，高速攝像還可以應(yīng)用于

對子彈發(fā)射出膛速度進(jìn)行拍攝測量。

由于高速攝像機(jī)拍攝圖像數(shù)據(jù)量非常大，導(dǎo)致高速攝像機(jī)不能像普通攝像機(jī)那樣長時(shí)間記錄工作，一般只能連續(xù)拍攝幾秒鐘至幾分鐘，所以高速攝像機(jī)的通常的工作模式采用外部觸發(fā)模式，高速攝像機(jī)開機(jī)后不立即進(jìn)行拍攝，只有當(dāng)有外部觸發(fā)信號到來時(shí)才進(jìn)行短時(shí)間的拍攝記錄，這樣就能保證可以拍攝到需要關(guān)注的高速影像，在某些特殊應(yīng)用環(huán)境中采用單臺高速攝像機(jī)不能滿足要求，需要使用多臺高速攝像機(jī)同時(shí)工作，這就要求在需要拍攝時(shí)實(shí)現(xiàn)對多臺高速攝像機(jī)進(jìn)行同步觸發(fā)拍攝影像。這種環(huán)境下通常多臺高速攝像機(jī)架設(shè)距離比較遠(yuǎn)，無法實(shí)現(xiàn)手動對多臺高速攝像機(jī)進(jìn)行同步觸發(fā)，這時(shí)就需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高速攝像機(jī)的同步觸發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多臺高速攝像機(jī)同步觸發(fā)系統(tǒng)是將多臺高速攝像機(jī)通過以太網(wǎng)連接至監(jiān)控室，監(jiān)控室內(nèi)通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)或高速攝像機(jī)觸發(fā)信號發(fā)送器發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包至觸發(fā)信號接收器，觸發(fā)信號接收器接收到UDP數(shù)據(jù)包后，完成對高速攝像機(jī)的外部同步觸發(fā)工作。

如圖1所示，高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程同步觸發(fā)系統(tǒng)，由觸發(fā)信號發(fā)送系統(tǒng)和觸發(fā)信號接收系統(tǒng)兩部分組成，遠(yuǎn)程同步觸發(fā)有兩種工作模式，第一種使用監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用VC++編寫觸發(fā)軟件，在需要觸發(fā)時(shí)使用軟件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送觸發(fā)數(shù)據(jù)，觸發(fā)信號接收器在接收到觸發(fā)數(shù)據(jù)包后，完成對其所控制高速攝像機(jī)的觸發(fā)工作。第二種工作模式為使用觸發(fā)信號發(fā)送器完成觸發(fā)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，當(dāng)需要觸發(fā)高速攝像機(jī)時(shí)，按下觸發(fā)按鈕，當(dāng)觸發(fā)信號發(fā)送器檢測到觸發(fā)按鈕按下時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)給觸發(fā)信號接收器，接收器在接收到觸發(fā)數(shù)據(jù)包后，完成對高速攝像機(jī)的同步觸發(fā)。

2 高速攝像機(jī)同步觸發(fā)器設(shè)計(jì)

同步觸發(fā)器主要由觸發(fā)信號發(fā)送器和觸發(fā)信號接收器兩部分組成，觸發(fā)信號發(fā)送器主要完成觸發(fā)按鈕信號的檢測和觸發(fā)信號的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)編碼工作，主要由STM32F107VCT6和DP83848以及按鈕檢測部分構(gòu)成，STM32微控制器集成了包含以太網(wǎng)MAC的網(wǎng)絡(luò)模塊，通過RMII接口與外圍PHY芯片DP83848相連，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)變壓器后輸出。

觸發(fā)信號接收器主要由STM32F107VCT6、DP83848、高速攝像機(jī)觸發(fā)部分組成，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)上的觸發(fā)高速攝像機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，STM32驅(qū)動繼電器完成對高速攝像機(jī)的觸發(fā)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內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)256K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB、一個(gè)以太網(wǎng)MAC和一個(gè)CAN。供電電壓2.0～3.6 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

本設(shè)計(jì)主要使用STM32的以太網(wǎng)MAC控制器完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送，STM32F107VCT6的以太網(wǎng)控制器主要有以下功能：

1)通過外接的PHY接口，支持10/100M位/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率;

2)通過兼容IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的MII接口，外接高速以太網(wǎng)PHY;

3)支持全雙工和半雙工操作;

4)在發(fā)送時(shí)插入前導(dǎo)符和幀開始數(shù)據(jù)(SFD)，在接收時(shí)去掉這些域;

5)以幀為單位，自動計(jì)算CRC和產(chǎn)生可控制的填充位;

6)在接收幀時(shí)，自動去除填充位/CRC為可選項(xiàng);

7)可對幀長度進(jìn)行編程，支持最長為16K字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)幀;

8)可對幀間隙進(jìn)行編程(40～96位，以8位為單位改變);

2.2 DP83848以太網(wǎng)PHY芯片

DP83848是美國國家半導(dǎo)體公司退出的10/100位/秒的單路以太網(wǎng)物理層器件，它具有低功耗性能，內(nèi)部包含一個(gè)智能電源，具有關(guān)閉狀態(tài)能量檢測模式。能量檢測模式提供了當(dāng)器件未連接到激活的鏈接對象時(shí)節(jié)能的機(jī)制。當(dāng)沒有電纜存在或者電纜連接到電源處于關(guān)閉狀態(tài)的對象的時(shí)候，能夠設(shè)置DP83848自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)。一旦插上電纜器件便可繼續(xù)工作，當(dāng)嘗試與遠(yuǎn)端對象建立活動鏈接的時(shí)候，DP83848能夠自動上電進(jìn)入全功能工作狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)入到低功耗能量檢測狀態(tài)時(shí)，DP83848通過禁止除能量檢測電路以外的所有接收電路來減少其功率消耗。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源部分硬件設(shè)計(jì)

電源使用金升陽LH05-13B05 AC—DC電源，它可將220V交流電源直接轉(zhuǎn)換成直流5V輸出，具有寬輸入電壓：85～305VAC/120～430VDC，軍工級低溫工作范圍：-40～70℃，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87%，滿足IEC60950、EN60950、UL60950安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具有輸出短路、過壓、過流等保護(hù)功能。

由于由STM32F107VCT6和DP83848均采用3.3 V供電，需要使用LDO將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，這里我們選用國家半導(dǎo)體公司的LM1085—3.3，它具有最大3 A的輸出電流，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求。電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)接口部分硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口使用部分使用STM32通過RMII接口與DP83848連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，DP83848的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)接口接入RJ45插座，經(jīng)過內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離后與交換機(jī)相連，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.3 高速攝像機(jī)觸發(fā)接口部分硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)觸發(fā)信號接收器接收到網(wǎng)絡(luò)上送出的觸發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，驅(qū)動繼電器接通高速攝像機(jī)的觸發(fā)管腳，觸發(fā)高速攝像機(jī)完成影像的拍攝，圖中的IN4007用作續(xù)流二極管，防止繼電器斷開時(shí)產(chǎn)生反向電動勢，觸發(fā)接口電路如圖4所示。