高速攝像機遠程同步觸發(fā)系統

高速攝像機是一種可以很高幀頻對物體的運動(dòng)影響進(jìn)行拍攝的攝像機，高速攝像機一般可以每秒1 000～10 000幀的幀頻甚至更高。因此在研究高速運動(dòng)物體的運動(dòng)方面有著(zhù)廣泛的應用，例如在汽車(chē)碰撞測試過(guò)程中、高速攝像可以驗證氣囊的膨脹方式是否對人體產(chǎn)生不良影響;在開(kāi)發(fā)低噪音的機電設備過(guò)程中，可以通過(guò)慢動(dòng)作圖像分析防噪音零件震動(dòng)的情況，以制造更加安靜的產(chǎn)品，高速攝像還可以應用于

對子彈發(fā)射出膛速度進(jìn)行拍攝測量。

由于高速攝像機拍攝圖像數據量非常大，導致高速攝像機不能像普通攝像機那樣長(cháng)時(shí)間記錄工作，一般只能連續拍攝幾秒鐘至幾分鐘，所以高速攝像機的通常的工作模式采用外部觸發(fā)模式，高速攝像機開(kāi)機后不立即進(jìn)行拍攝，只有當有外部觸發(fā)信號到來(lái)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，在某些特殊應用環(huán)境中采用單臺高速攝像機不能滿(mǎn)足要求，需要使用多臺高速攝像機同時(shí)工作，這就要求在需要拍攝時(shí)實(shí)現對多臺高速攝像機進(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架設距離比較遠，無(wú)法實(shí)現手動(dòng)對多臺高速攝像機進(jìn)行同步觸發(fā)，這時(shí)就需要實(shí)現遠程高速攝像機的同步觸發(fā)。

1 系統總體設計

多臺高速攝像機同步觸發(fā)系統是將多臺高速攝像機通過(guò)以太網(wǎng)連接至監控室，監控室內通過(guò)監控計算機或高速攝像機觸發(fā)信號發(fā)送器發(fā)送UDP數據包至觸發(fā)信號接收器，觸發(fā)信號接收器接收到UDP數據包后，完成對高速攝像機的外部同步觸發(fā)工作。

如圖1所示，高速攝像機遠程同步觸發(fā)系統，由觸發(fā)信號發(fā)送系統和觸發(fā)信號接收系統兩部分組成，遠程同步觸發(fā)有兩種工作模式，第一種使用監控計算機使用VC++編寫(xiě)觸發(fā)軟件，在需要觸發(fā)時(shí)使用軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送觸發(fā)數據，觸發(fā)信號接收器在接收到觸發(fā)數據包后，完成對其所控制高速攝像機的觸發(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)數據包的發(fā)送，當需要觸發(fā)高速攝像機時(shí)，按下觸發(fā)按鈕，當觸發(fā)信號發(fā)送器檢測到觸發(fā)按鈕按下時(shí)，發(fā)送數據給觸發(fā)信號接收器，接收器在接收到觸發(fā)數據包后，完成對高速攝像機的同步觸發(fā)。

2 高速攝像機同步觸發(fā)器設計

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 )數據編碼工作，主要由STM32F107VCT6和DP83848以及按鈕檢測部分構成，STM32微控制器集成了包含以太網(wǎng)MAC的網(wǎng)絡(luò )模塊，通過(guò)RMII接口與外圍PHY芯片DP83848相連，將網(wǎng)絡(luò )數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變壓器后輸出。

觸發(fā)信號接收器主要由STM32F107VCT6、DP83848、高速攝像機觸發(fā)部分組成，當接收到網(wǎng)絡(luò )上的觸發(fā)高速攝像機數據時(shí)，STM32驅動(dòng)繼電器完成對高速攝像機的觸發(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內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(高達256K字節的閃存和64K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設。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，還包含標準和先進(jìn)的通信接口：多達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用的要求。

本設計主要使用STM32的以太網(wǎng)MAC控制器完成網(wǎng)絡(luò )數據的發(fā)送，STM32F107VCT6的以太網(wǎng)控制器主要有以下功能：

1)通過(guò)外接的PHY接口，支持10/100M位/秒的數據傳輸速率;

2)通過(guò)兼容IEEE 802.3標準的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)插入前導符和幀開(kāi)始數據(SFD)，在接收時(shí)去掉這些域;

5)以幀為單位，自動(dòng)計算CRC和產(chǎn)生可控制的填充位;

6)在接收幀時(shí)，自動(dòng)去除填充位/CRC為可選項;

7)可對幀長(cháng)度進(jìn)行編程，支持最長(cháng)為16K字節的標準幀;

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器件未連接到激活的鏈接對象時(shí)節能的機制。當沒(méi)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，能夠設置DP83848自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。一旦插上電纜器件便可繼續工作，當嘗試與遠端對象建立活動(dòng)鏈接的時(shí)候，DP83848能夠自動(dòng)上電進(jìn)入全功能工作狀態(tài)。

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

3 硬件電路設計

3.1 電源部分硬件設計

電源使用金升陽(yáng)LH05-13B05 AC—DC電源，它可將220V交流電源直接轉換成直流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℃，轉換效率高達87%，滿(mǎn)足IEC60950、EN60950、UL60950安規認證標準，具有輸出短路、過(guò)壓、過(guò)流等保護功能。

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

3.2 網(wǎng)絡(luò )接口部分硬件設計

網(wǎng)絡(luò )接口使用部分使用STM32通過(guò)RMII接口與DP83848連接，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)功能，DP83848的網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )接口接入RJ45插座，經(jīng)過(guò)內部的網(wǎng)絡(luò )變壓器隔離后與交換機相連，電路設計如圖3所示。

3.3 高速攝像機觸發(fā)接口部分硬件設計

當觸發(fā)信號接收器接收到網(wǎng)絡(luò )上送出的觸發(fā)數據時(shí)，驅動(dòng)繼電器接通高速攝像機的觸發(fā)管腳，觸發(fā)高速攝像機完成影像的拍攝，圖中的IN4007用作續流二極管，防止繼電器斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，觸發(fā)接口電路如圖4所示。