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从检测到跟随：FRDM-MCXN236实现高效人脸追踪云台

Published Date
Author Fanny Hu

图片来自Mouser Bynder网站

发布于2025-07-08

NXP 推出的 FRDM-MCXN236 开发板基于 Arm Cortex-M23 内核，具有低功耗、高集成度等特点，适用于对实时性和资源效率要求较高的场景。

基于 NXP 的 FRDM-MCXN236 开发板，结合 OpenMV Cam 摄像头、舵机云台控制、TFT 显示屏和红外光照传感器，设计并实现了一个集“人脸检测、实时追踪与信息显示”为一体的嵌入式智能视觉系统。系统采用 FreeRTOS 实现多任务调度，具备结构清晰、反应迅速、运行稳定等特点。OpenMV Cam内置了图像处理能力，可以大大减轻FRDM-MCXN236主控的负担。

一、项目背景和意义

自20世纪60年代图像处理与模式识别技术初步发展以来，人脸识别逐渐成为计算机视觉领域的重要研究方向。进入21世纪，随着计算能力的提升与深度学习技术的广泛应用，人脸检测与识别准确率大幅提升，并迅速从科研走向安防、金融、移动设备等实际应用场景。同时，随着对自动化与智能交互的需求不断增长，具备视觉感知能力的云台系统成为实现人机互动、目标跟踪和智能监控的关键组成部分。

然而，传统的人脸追踪系统大多依赖高性能处理平台，如PC或专用处理芯片，功耗高、体积大、成本高，难以应用于轻量级、低功耗的边缘设备。近年来，随着微控制器性能不断增强，尤其是支持浮点运算和DSP功能的高性能MCU出现，为在资源受限环境下实现视觉处理与控制一体化提供了可能。

该项目基于FRDM-MCXN236，结合 OpenMV 边缘智能视觉模块与 FreeRTOS 实时操作系统，探索嵌入式人脸识别系统的工程化实现路径。不仅验证了MCU在边缘视觉计算领域的应用潜力，也为智能安防、教育实验、家庭机器人等领域提供了一种可行的低成本技术路径，具有重要的现实意义与推广价值。

二、项目材料和资源

项目材料清单

软件开发工具

  • NXP MCUXpresso IDE---NXP官方提供的集成开发环境

  • OpenMV IDE---配置和调试OpenMV Cam H7 Plus摄像头模块，实现图像处理和人脸识别

  • Python 3.x ---部分图像数据预处理、训练

三、项目技术概述

该项目的硬件架构框图如图1所示：

图 1：硬件架构设计框图（来源：贸泽电子）

NXP FRDM-MCXN236开发板（图2）基于NXP的Arm Cortex-M33内核，具备低功耗与丰富的外设接口，适合边缘智能处理。作为系统主控，运行FreeRTOS，协调各模块之间的通信与控制。负责任务调度、人脸坐标接收与处理、舵机控制、图像显示功能的核心控制器。

图 2：NXP FRDM-MCXN236开发板（来源：贸泽电子）

DFR0833 OpenMV Cam H7 Plus（图3）嵌入式图像识别摄像头，搭载STM32H7 MCU，频率高达480Mhz，支持Micro python编程，内置人脸识别、人眼检测、追踪等算法。负责采集图像并本地识别人脸，将识别结果通过UART以数据包方式发送给主控FRDM-MCXN236。

图 3：OpenMV Cam H7 Plus（来源：贸泽电子）

Pimoroni Pan-Tilt HAT - Full kit（图4）云台模块，包含两个SG90舵机，角度范围约0~180°，可实现摄像头的二维旋转（左右+上下）。负责接收人脸坐标信息，驱动舵机调整摄像头方向，实现自动追踪。

图 4：Pimoroni Pan-Tilt HAT - Full kit（来源：贸泽电子）

Adafruit 2.8 TFT Display（图5）彩色显示屏分辨率为 240 x 320 像素，可单独控制像素，16位色。SPI通信，兼容性好。用于显示摄像头图像、追踪人脸的方框、识别提示及调试信息。

图 5：Adafruit 2.8 TFT Display（来源：贸泽电子）

TCS3200 Color Sensor（图6）光敏元件阵列将光信号转为频率信号，输出脉冲用于测量亮度或颜色，可通过GPIO+定时器捕获实现频率测量。用于在暗光条件下辅助判断是否需要调节曝光或提示补光，增强识别的可靠性。

图 6：TCS3200 Color Sensor（来源：贸泽电子）

四、项目设计与调试

1.硬件设计

本项目通过以下方式连接与协同工作（图7）：

图 7：硬件连接图（来源：贸泽电子）

整个系统以FRDM-MCXN236为核心，实现了图像采集、识别、显示和云台追踪的闭环控制。

2.软件设计

以下是基于FRDM-MCXN236开发板的人脸检测追踪项目的软件流程图设计，分为核心流程和模块化功能流程。

  • 系统软件流程图（图8）

图 8：核心流程图（来源：贸泽电子）

  • 硬件初始化流程（图9）

图 9：硬件初始化（来源：贸泽电子）

  • 人脸检测与追踪（图10）

图 10：人脸检测与追踪流程（来源：贸泽电子）

  • 云台控制逻辑（图11）

图 11：云台控制逻辑（来源：贸泽电子）

  • 显示模块流程（图12）

图 12：显示模块流程（来源：贸泽电子）

3.开发环境搭建

图 13：MCUXpresso IDE

a) 选择FRDM-MCXN236对应的SDK进行下载，勾选所需的组件，如FreeRTOS、UART、SPI、PWM等，如图14所示

图 14：SDK for FRDM-MCXN236（来源：NXP）

b)  打开MCUXpresso IDE，点击“installed SDKs”如图15所示

图 15：install SDK for FRDM-MCXN236（来源：贸泽电子）

  • 配置FreeRTOS多任务框架（图16）

a.打开 MCUXpresso IDE

b.使用 MCUXpresso Config Tools 创建 .mex 文件

c.选择目标芯片：MCXN236VTH0

d.勾选FreeRTOS中的kernel、timers、heap_1等

e.选择所需外设驱动：UART、SPI、PWM、GPIO

图 16：配置FreeRTOS（来源：贸泽电子）

4.软件调试

本项目的软件调试可以分为三个部分：OpenMV Cam端调试、MCXN236主控调试、集成调试。

  • OpenMV Cam端调试

I.配置摄像头参数，设置分辨率、帧率、颜色模式等。

II.加载Haar Cascade人脸检测模型，实现代码如图17所示。

图 17：Haar Cascade（来源：贸泽电子）

III.  串口输出验证，检查串口数据是否正确输出人脸坐标。

  • MCXN236主控调试

I.串口通信测试（UART），使用LPUART驱动读取OpenMV数据。

II.云台舵机控制调试（PWM），引入PD（比例-微分）控制器的云台误差控制算法，能让云台在追踪人脸时更加平稳、响应更快，减少“抖动”或“过充”。

        • PD控制算法模型：

设定变量：

                  • 当前误差：e(t) = x_face - x_center

                  • 上一时刻误差：e(t-1)

                  • 时间步长：Δt

                  • 输出角度调整值：Δθ

                  • 控制器增益：Kp（比例系数），Kd（微分系数）

控制公式：

Δθ = Kp × e(t) + Kd × (e(t) - e(t-1)) / Δt

PD云台控制器代码如图18所示（C语言实现）

图 18：PD（比例-微分）控制器的云台误差控制算法（来源：贸泽电子）

III. 红外传感器（TCS3200）调试，读取OUT引脚频率，使用FTM模块测频，确认对光强变化有响应。

IV. 显示屏调试，使用SPI驱动初始化TFT屏，显示静态文字与图像，确认显示接口与坐标正确。

V.  FreeRTOS多任务调度测试（图19）

            • FreeRTOS初始化与任务创建

            • 图像采集+简易人脸识别任务

            • 舵机云台控制任务

            • 屏幕显示任务

            • 红外光照辅助任务

图 19：FreeRTOS多任务调度框架 （来源：贸泽电子）

  • 集成调试

I. 任务组合运行，同时运行人脸坐标接收、舵机调整和显示任务，查看是否出现串口丢包或舵机抖动等问题。

II.整体系统闭环测试，实际移动人脸，观察摄像头是否平滑跟随，检查追踪准确性、延迟与失误率。

5.成果展示

 

五、项目总结

本项目围绕 NXP FRDM-MCXN236 开发板，成功实现了一个集人脸检测、实时追踪与信息显示于一体的智能视觉系统。系统由 DFRobot DFR0833 OpenMV Cam 负责图像采集与人脸识别，TFT 显示模块用于结果输出，Pimoroni 云台实现动态追踪控制，TCS3200 红外传感器增强弱光环境下的探测能力。

软件方面，系统基于 FreeRTOS 实现多任务调度，划分出图像识别、舵机控制、图像显示与环境检测等任务模块，有效提高系统响应效率与可靠性。调试过程中充分验证了各模块的稳定性与协作性，确保系统具备较高的实时性和实用性。

本项目不仅验证了 MCXN236 平台在边缘智能中的应用价值，也为嵌入式视觉系统的工程开发提供了参考范例，具备良好的拓展性与教育示范意义。