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太陽輻射是自然界中各物理過程的重要能量來源,也是地球表面與大氣交換熱量的一種形式,可以作為反映氣候變化的重要信號 。而太陽跟蹤裝置是散射輻射測量中的一個基本部件,其精確度直接影響散射輻射測量的精度與準確性 。
光電式太陽跟蹤方法因其結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),同時具有較高的跟蹤精度而被廣泛地應(yīng)用于太陽輻射測量以及太陽能應(yīng)用等領(lǐng)域 。但傳統(tǒng)的光電式跟蹤方法雖然瞬時跟蹤精度較高,但多數(shù)采用直接基于嵌入式平臺的跟蹤方法[13],受限于單片機等主控芯片的計算速度與開發(fā)難度,往往不能實時精確地定位太陽質(zhì)心,易出現(xiàn)累積誤差,影響太陽跟蹤的穩(wěn)定性與連續(xù)性 。因此,本文提出一種基于ARM和MATLAB GUI的太陽圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以基于ARM Cortex M3的STM32F103為硬件核心,利用CMOS傳感器對太陽圖像數(shù)據(jù)進行采集,并且提供可視化的上位機操作界面,對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、計算 。本系統(tǒng)不僅可以對太陽圖像數(shù)據(jù)進行實時采集和顯示,而且便于擴展和后續(xù)對太陽質(zhì)心圖像提取算法的研究,為進一步消除太陽跟蹤系統(tǒng)累積誤差以及準確測定太陽輻射提供基礎(chǔ) 。同時,該系統(tǒng)可以為其他需要實現(xiàn)較復(fù)雜圖像處理的嵌入式系統(tǒng)提供有利的技術(shù)參考 。
1總體設(shè)計

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圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示 。系統(tǒng)由兩部分組成:一部分是通過PC與STM32串口實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時通信,另一部分是利用MATLAB GUI完成圖像存儲及圖像處理[4] 。
系統(tǒng)下位機負責圖像數(shù)據(jù)的采集,并通過串行接口實時地將圖像數(shù)據(jù)傳送回上位機準備進行下一步處理 。其中,圖像傳感器選用OV7725,以實現(xiàn)圖像的采集與存儲等功能 。攝像頭模塊外接FIFO芯片,存儲采集的圖像,并在控制信號到來時,由STM32讀取FIFO中存儲的圖像數(shù)據(jù) 。STM32通過CP2102電平轉(zhuǎn)換芯片與PC的USB接圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2攝像頭接口電路口相連,利用芯片將TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換,完成數(shù)據(jù)傳輸功能 。

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系統(tǒng)的上位機部分負責圖像數(shù)據(jù)的存儲與處理 。通過調(diào)用MATLAB設(shè)備控制箱中的serial類,完成對串口的設(shè)置,接著根據(jù)自定義的傳輸協(xié)議在攝像頭與PC串口之間進行實時通信 。上位機的串口參數(shù)、圖像像素等設(shè)置均可通過采集系統(tǒng)的GUI界面,根據(jù)下位機配置進行修改 。對返回的圖像數(shù)據(jù),可利用MATLAB的圖像處理工具箱與直接面向矩陣操作的編程特點,方便地進行分析與處理,獲取所需信息 。
2硬件設(shè)計
2.1攝像頭接口電路
鑒于CMOS傳感器兼容CMOS技術(shù),內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換等芯片,簡化了外圍模塊的設(shè)計,提高了采集的抗噪聲能力,故本系統(tǒng)采用美國Omni Vision公司的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7725 。其接口電路原理圖如圖2所示 。OV7725是一個能夠提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能的圖像傳感器,實際有效像素為640×480,支持整幀輸出、子采樣、取窗口等模式,支持8/10位圖像分辨率,支持包括RAW RGB、RGB(RGB 4:2:2、RGB565/555/444)以及YCbCr(4:2:2)等多種數(shù)據(jù)格式 。其體積小,工作電壓低,可以對圖像進行伽馬曲線、白平衡、飽和度、色度等處理 。
在OV7725后端搭載了FIFO來降低對單片機的性能依賴(當前模塊對處理器的硬件要求僅僅為一個中斷,幾個GPIO管腳即可),節(jié)省片內(nèi)資源,方便后續(xù)對于單片機功能的擴展 。WEN與HREF作為與非門的輸入端,而與非門的輸出端口連接到FIFO的WE端口 。當WEN管腳和HREF管腳都為高電平時,F(xiàn)IFO的WE端口的電平值才為低電平 。因此,如果允許圖像數(shù)據(jù)傳入FIFO時,可以把WEN拉高,當攝像頭的HREF為低電平時,WE的電平值為高電平,因此,即使PCLK仍在運轉(zhuǎn),也不會傳送數(shù)據(jù)進入FIFO,從而防止采集到無效數(shù)據(jù)[5] 。

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