高速攝像機遠程同步觸發系統

高速攝像機是一種可以很高幀頻對物體的運動影響進行拍攝的攝像機，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物體的運動方面有著廣泛的應用，例如在汽車碰撞測試過程中、高速攝像可以驗證氣囊的膨脹方式是否對人體產生不良影響;在開發低噪音的機電設備過程中，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品，高速攝像還可以應用于

對子彈發射出膛速度進行拍攝測量。

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時間記錄工作，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模式，高速攝像機開機后不立即進行拍攝，只有當有外部觸發信號到來時才進行短時間的拍攝記錄，這樣就能保證可以拍攝到需要關注的高速影像，在某些特殊應用環境中采用單臺高速攝像機不能滿足要求，需要使用多臺高速攝像機同時工作，這就要求在需要拍攝時實現對多臺高速攝像機進行同步觸發拍攝影像。這種環境下通常多臺高速攝像機架設距離比較遠，無法實現手動對多臺高速攝像機進行同步觸發，這時就需要實現遠程高速攝像機的同步觸發。

1 系統總體設計

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

如圖1所示，高速攝像機遠程同步觸發系統，由觸發信號發送系統和觸發信號接收系統兩部分組成，遠程同步觸發有兩種工作模式，第一種使用監控計算機使用VC++編寫觸發軟件，在需要觸發時使用軟件通過網絡發送觸發數據，觸發信號接收器在接收到觸發數據包后，完成對其所控制高速攝像機的觸發工作。第二種工作模式為使用觸發信號發送器完成觸發數據包的發送，當需要觸發高速攝像機時，按下觸發按鈕，當觸發信號發送器檢測到觸發按鈕按下時，發送數據給觸發信號接收器，接收器在接收到觸發數據包后，完成對高速攝像機的同步觸發。

2 高速攝像機同步觸發器設計

同步觸發器主要由觸發信號發送器和觸發信號接收器兩部分組成，觸發信號發送器主要完成觸發按鈕信號的檢測和觸發信號的網絡數據編碼工作，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MAC的網絡模塊，通過RMII接口與外圍PHY芯片DP83848相連，將網絡數據通過網絡變壓器后輸出。

觸發信號接收器主要由STM32F107VCT6、DP83848、高速攝像機觸發部分組成，當接收到網絡上的觸發高速攝像機數據時，STM32驅動繼電器完成對高速攝像機的觸發功能。

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端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB、一個以太網MAC和一個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MAC控制器完成網絡數據的發送，STM32F107VCT6的以太網控制器主要有以下功能：

1)通過外接的PHY接口，支持10/100M位/秒的數據傳輸速率;

2)通過兼容IEEE 802.3標準的MII接口，外接高速以太網PHY;

3)支持全雙工和半雙工操作;

4)在發送時插入前導符和幀開始數據(SFD)，在接收時去掉這些域;

5)以幀為單位，自動計算CRC和產生可控制的填充位;

6)在接收幀時，自動去除填充位/CRC為可選項;

7)可對幀長度進行編程，支持最長為16K字節的標準幀;

8)可對幀間隙進行編程(40～96位，以8位為單位改變);

2.2 DP83848以太網PHY芯片

DP83848是美國國家半導體公司退出的10/100位/秒的單路以太網物理層器件，它具有低功耗性能，內部包含一個智能電源，具有關閉狀態能量檢測模式。能量檢測模式提供了當器件未連接到激活的鏈接對象時節能的機制。當沒有電纜存在或者電纜連接到電源處于關閉狀態的對象的時候，能夠設置DP83848自動進入低功耗狀態。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鏈接的時候，DP83848能夠自動上電進入全功能工作狀態。

當進入到低功耗能量檢測狀態時，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 硬件電路設計

3.1 電源部分硬件設計

電源使用金升陽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%，滿足IEC60950、EN60950、UL60950安規認證標準，具有輸出短路、過壓、過流等保護功能。

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，完全滿足本設計的要求。電源電路設計如圖2所示。

3.2 網絡接口部分硬件設計

網絡接口使用部分使用STM32通過RMII接口與DP83848連接，實現網絡數據的收發功能，DP83848的網絡網絡接口接入RJ45插座，經過內部的網絡變壓器隔離后與交換機相連，電路設計如圖3所示。

3.3 高速攝像機觸發接口部分硬件設計

當觸發信號接收器接收到網絡上送出的觸發數據時，驅動繼電器接通高速攝像機的觸發管腳，觸發高速攝像機完成影像的拍攝，圖中的IN4007用作續流二極管，防止繼電器斷開時產生反向電動勢，觸發接口電路如圖4所示。