【正文】 芯片簡介 18 FPGA 的配置 22 SAA7111AHZ 的應(yīng)用電路 23 視 頻輸出處理器及系統(tǒng) 29 電路系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計 29 本章小結(jié) 30 第 4 章 自動調(diào)焦系統(tǒng)程序設(shè)計 555 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1章 緒論 課題背景和意義 自動調(diào)焦，又稱為自動對焦、自動聚焦。因此只在極少數(shù)特定環(huán) 境下（如航空攝影）才能夠使用。特別是微電子技術(shù)工藝突破性的技術(shù)發(fā)展，為自動調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。同樣，由于調(diào)焦是獲得清晰圖像的必不可少的條件，基于機器視覺的各種自動化設(shè)備也具有自動調(diào)焦功能，如各種產(chǎn)品的外觀自動檢測系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。 在基于數(shù)字圖像處理自動調(diào)焦系統(tǒng)中，一種方法是離焦深度法，該方法通過獲取兩幅或以上不同離焦位置的圖像，事先對成像系統(tǒng)建立合適的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合成像系統(tǒng)的各種參數(shù)，推算出目標(biāo)物體的離焦深度，從而判斷出焦點位置實現(xiàn)調(diào)焦。 本設(shè)計亦采用這種方式。該方法的輸入是成像系統(tǒng)生成的圖像，不依賴于其他因素，因此干擾因素少，且可以控制。不同的算法及參數(shù)具有不同的運算量和靈敏度，這些都可以根據(jù)實際需要來通過軟件配置，具有很好的靈活性。而且，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，成像器件 （ 圖像傳感器 ） 的性能飛速發(fā)展，從三十萬像素到千萬像素的商品化應(yīng)用僅用了不到 5 年時間， 40 億像素的圖像傳感器也已經(jīng)研制成功。 德國卡爾斯魯厄大學(xué)研制的微操作系統(tǒng)中的視覺系統(tǒng)包含三個部分：光學(xué)顯微鏡、全局 CCD 攝像機和局部 CCD 攝像機。 1970 年美國斯坦福大學(xué) J. M. Tenenbaum[8]開展了計算機視覺系統(tǒng)的自動哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 調(diào)焦研究，該系統(tǒng)根據(jù)圖像的邊緣特征提取離焦信號，通過調(diào)制閾值梯度作為自動聚焦評價函數(shù)，實現(xiàn)了比較好的聚焦效果。日本開發(fā)了一套焊縫在線自動定位檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在機械手焊接過程中，通過 CCD采集焊縫圖像并通過微機處理，從而控制機械手自動定位焊接，定位精度可以達(dá)到 [11]。m[12]。m 調(diào)焦范圍哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 內(nèi)的 的調(diào)焦精度，該水平處于國際先進(jìn)水平 [9]。 主要研究內(nèi)容 本設(shè)計從圖像處理角度提出自動調(diào)焦，并利用 FPGA 系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)焦。 第 3 章描述本設(shè)計的硬件部分，對芯片資料進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計硬件電路并繪制 PCB 電路圖。它是電視系統(tǒng)中的視頻信號，復(fù)合同步信號和復(fù)合消隱信號合在一起形成的。而把光像信 號 變換成電信 號 ，以及把電信 號 再轉(zhuǎn)換成一幅平面 圖 像，則是 圖 復(fù)合視頻圖像信號波形 通過電子束掃描來完成的。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 行 消 隱場 同 步 脈 沖行 同 步 脈 沖前 肩 寬 1 . 6 181。 s2 . 5 H2 5 H01 0 0 %7 5 %1 2 . 5 % 圖 典型 復(fù)合視頻圖像信號波形 為了使復(fù)合消隱信號、復(fù)合同步信號和圖像信號互不干擾，并且在接收端能夠方便可靠地進(jìn)行分離，圖像信號在掃描正程期間傳輸，復(fù)合消隱和復(fù)合同步脈沖在掃描逆程期間傳輸。在發(fā)送端， 每掃 描 完一行圖像時，加入一個行同步脈沖，每掃 描 完一場圖像時加入一個場同步脈沖 ， 它們與圖像信號一起被發(fā)送出去。電子束在回掃時，若不采取措施， 就會 出現(xiàn)回掃線 ，這 會 對正程傳送的圖像起干擾作用。為了保證消隱期間能截止電子束，使屏幕變黑，消隱電平幅度必須為黑色電平；行、場消隱信號的周期應(yīng)分別與行、場掃描周期相同；行、場消隱脈哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 沖的寬度應(yīng)分別等于行、場掃描的逆程時間。 （ 3） 圖像信號：圖像信號就是攜帶景物亮、暗信息的電信號。正極性圖像信號中的信號 電平 與景物的亮暗成正比，景物越亮，信號電平越 高；負(fù)極性圖像信號中信號 電平 與景物的亮暗成反比，景物越亮，信號電平越低。從黑電平到白電平的范圍是圖像信號的峰－峰電平值，一般規(guī)定為 。對比度是 客觀景物最大亮度與最小亮度之比。一般達(dá)到 6 級灰度，就可收看到明、暗層次較滿意的圖像 [18]。s，則每行留給有效視頻信號 的時間 為，水平同步脈沖位于水平消隱脈沖（ horizontal blanking pulse）的頂部，其持續(xù)時間為 5181。 PAL和 SECAM均為 625行每幀和 50場每秒，與 NTSC相比，它們以較少的瞬時清晰度換取了較高 的垂直清晰度 。I2C器件是把 I2C的協(xié)議植入器件的 I/O接口，使用時器件直接掛到 I2C總線上。在數(shù)據(jù)傳輸中 ， 主器件和從器件總是以相反方式工作（接收或發(fā)送） ， 即主器件接 收 、從器件發(fā)送和主器件發(fā)送、從器件接 收 兩種方式。通常 I2C總線負(fù)載能力為 400 pF，據(jù)此可計算出總線長度及所帶器件的數(shù)量。用戶不必理解每個 I2C總線接口器件的功能如何，只要將器件的 SDA和 SCL引腳連到 I2C總線上，然后對該器件模塊進(jìn)行獨立的電路設(shè)計，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)抗干 擾的能力，符合 EMC（ Electromagic Compatibility）設(shè)計原則。例如： I2C總線 E2PROM AT24CXX的器件地址為 1010， 4位 LED驅(qū)動器 SAALO64的器件地址為 0111。 SDA是一個雙向傳輸線，用于向器件傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)或從器件讀出數(shù)據(jù)。當(dāng) SCL線為高， SDA線由低到高變化時為停止條件。在開始條件之后，時鐘線 SCL的高電平期間，當(dāng)數(shù)據(jù)線穩(wěn)定時，數(shù)據(jù)線 SDA的狀態(tài)表示數(shù)據(jù)有效，即數(shù)據(jù)可以被傳送或接 收 ，開始進(jìn)行讀寫操作。 S D AS C L數(shù) 據(jù) 保 持穩(wěn) 定數(shù) 據(jù) 有 效允 許數(shù) 據(jù)變 化 圖 數(shù)據(jù)位傳送時序 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 （ 3） 應(yīng)答信號 在每一字節(jié)接收以后，每一接收器件必須產(chǎn)生一位應(yīng)答位（ ACK）。 I2C總線的應(yīng)答信號時序如圖 。每次傳送開始有起始信號，結(jié)束時有停止信號。 (1)三角測量法。系統(tǒng)可以計算出 被攝目標(biāo)和鏡頭之間的距離并驅(qū)動鏡頭運行到合適的位置，完成調(diào)焦。該方法是根據(jù)超聲波在攝像機和被攝物之間傳播的時間進(jìn)行測距的。 聚焦檢測方法 （ 1） 灰度熵值 法。離焦越遠(yuǎn)， 灰度熵值 越低。該方法是通過檢測像的偏移量實現(xiàn)自動調(diào)焦的。當(dāng)聚焦面與網(wǎng)格板重合時，通過網(wǎng)格板透光線條的光同時到達(dá)其后面的兩個受光元件。紅外測距和超聲波測距的調(diào)焦方法，當(dāng)被測目標(biāo)對紅外光或超聲波有較強的吸收作用時，將使測距系統(tǒng)失靈或調(diào)焦哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 不準(zhǔn)確；而 灰度熵值 法聚焦檢測受光照條件的制約，當(dāng)光線較弱或樣本與背景明暗差別很小時，調(diào)焦就會有困難，甚至 完全 失 去作用 [24]。常用的焦距評價函數(shù)有以下幾種：高頻分量法、平滑法、閾 值積分法、灰度差分法、拉普拉斯像 能函數(shù)等 [25]。搜索曲線尖銳，容易找到最佳 位置 [26]。對復(fù)合視頻圖像信號、I2C 總線、自動調(diào)焦的幾種常見方法以及基于對比度的自動調(diào)焦算法進(jìn)行了描述。即將攝像頭 CCD 輸入的模擬制式視頻信號轉(zhuǎn)換成 YUV 數(shù)字視頻信號；由 FPGA 完成對輸入數(shù)字視頻信號的選擇、存儲、運算及對電機的控制；再將處理后的 YUV數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成為模擬視頻信號輸出。 Cyclone系列 FPGA器件基于成本優(yōu)化的全銅 SRAM工藝，容量從 2910至 20210 個邏輯單元，具有多達(dá) 294912bit 嵌入 RAM。Cyclone 系列 FPGA 中有兩個鎖相環(huán) （ PLLs） 提供六個輸出和層次時鐘結(jié)構(gòu)，以及復(fù)雜設(shè)計的時鐘管理電路。 除了具有一般可編程邏輯器件的特點外，還具有改進(jìn)的結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的處理技術(shù)、現(xiàn)代化的開發(fā)工具以及多種宏功能模塊可選用等 眾多 優(yōu)點。 Altera公司生產(chǎn)的 器件密度從 300門到 400萬門，能很容易地集成現(xiàn)有的各種邏輯器件，包括小規(guī)模及大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、 PLD、 FPGA或ASIC。 （ 4） 開發(fā)周期 短 對許多設(shè)計工程師來說，時間是最寶貴的資源， Altera的快速、直觀、易于使用的 QuartusⅡ 軟件能夠極大地縮短開發(fā)周期。 Altera的 ISP使用 JTAG測試端口，允許對器件進(jìn)行編程，并且可以對印刷電路板（ PCB）進(jìn)行功能測試。主動配置方式是由FPGA器件主動引導(dǎo)配置操作，從外圍專用配置芯片（如 EPC2）中獲得配置數(shù)據(jù)的過程，它控制著外部存儲器和初始化過程；被動配置方式則是由外部計算機或控制器控制配置過程。 本設(shè)計采用 JTAG下載模式， FPGA器件的配置是經(jīng)過 JTAG引腳 TCK、 TMS、TDI、 TDO完成的， JTAG引腳說 明如表 。 在 JTAG 模式下，可以通過 ByteBlasterⅡ 并口下載電纜、 ByteBlasterMV 并口下載電纜、 MasterBlaster 串行 /USB 通信電纜和 USBBlaster 下載電纜對Cyclone 器件進(jìn)行配置 [30]。根據(jù) IEEE標(biāo)準(zhǔn)， TRST引腳為可選項 圖 為 Cyclone 系列 FPGA 的 JTAG 下載口電路圖 。 SAA7111AHZ芯片簡介 SAA7111AHZ 是 Philips 公司生產(chǎn)的可編程視頻處理器。 SAA7111AHZ的場同步信號 VREF、行同步信號 HREF、奇偶場信號 RESO， 象素時鐘信號LLC2 都可 由 引腳直接引出，從而可省去時鐘同步電路，其可靠性和方便性也有哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 了很大的提高，故可廣泛地應(yīng)用于放映機、數(shù)字電視、 DVD 錄像機和游戲機等系統(tǒng)中 [31]。 SAA7111AHZ 的所有功能均是在 I2C總線控制下完成的，其中 SCL 為串行時鐘， SDA 為串行數(shù)據(jù)信號。 圖中， AI11 為模擬視頻輸入端，連接 10nF 的電容和 75Ω 后輸入SAA7111AHZ 的 12 腳 AI11，其余三路模擬輸入接地