基于視頻的激光定位電子設(shè)備的研究與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

陳姚節(jié) 盧建華 武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

基于視頻的激光定位電子設(shè)備的研究與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

陳姚節(jié) 盧建華 武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

1 、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例如圖1所示，電子教鞭的激光束發(fā)射的激光落到投影成像區(qū)內(nèi)被測畫面的光點(diǎn)被CCD攝像器件接收。在作者開發(fā)的硬件中，對CCD攝像器件輸出視頻信號進(jìn)行同步分離和整形。利用同步分離電路后，可從視頻信號中得到行同步信號、場同步信號以及奇偶信號，行同步和場同步信號被送到計(jì)數(shù)電路。視頻信號經(jīng)過整形電路后得到光信號，光信號也被送往計(jì)數(shù)電路，計(jì)數(shù)電路處理后輸出光點(diǎn)的二維位置信息，此信息經(jīng)單片機(jī)處理后再加上電子教鞭上傳送的左右鍵按下的信息，組合后由串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)那端采用自行開發(fā)的串口鼠標(biāo)驅(qū)動程序處理后能方便的提供給其它應(yīng)用程序使用等。

圖1 電路總體結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 整形電路

如圖2所示，CCD攝像器件1輸出的視頻信號被直接傳送到運(yùn)算放大器4放大，運(yùn)算放大器4輸出的信號一路作為電壓比較器7的一個(gè)輸入，另一路被送到最大值保持電路5，最大值保持電路5主要包括電壓跟隨器5、電容C1、穩(wěn)壓管Dz1 三個(gè)器件，當(dāng)有信號從電壓跟隨器5A連續(xù)輸出時(shí)，由于二極管D1的存在，電容C1不斷充電，電壓不斷增加，直到信號的最大值到來，這時(shí)C1的電壓也增加到最大值，之后再有信號到來時(shí)由于其電壓達(dá)不到加在電容兩端的電壓，因而電容不再充電，電壓保持不變。當(dāng)圖中所示的場同步信號到來時(shí)，穩(wěn)壓管Dz1反相導(dǎo)通，電容才迅速放電，再有信號從電壓跟隨器5A 輸出，電容又開始重新充電。通過這種設(shè)計(jì)，便可以從每場視頻信號中提取出最強(qiáng)的信號，并將這個(gè)值通過電壓跟隨器6輸出到電壓比較器7的另一個(gè)輸入端，電壓比較器7輸出的信號即為從視頻信號中提取出的光信號，并且該光信號存在這樣的特點(diǎn)：對于每一場視頻信號而言，只有當(dāng)前信號值大于以往信號值時(shí)，光信號輸出為高電平，否則輸出為低電平。視頻信號最大值過后，光信號輸出時(shí)刻保持在低電平。在圖2中，電壓跟隨器6相當(dāng)于一個(gè)高輸入阻抗元件，可以防止電容C1放電過快。電源VCC提供一個(gè)鉗位電壓。

2.2 同步分離電路

視頻信號是反映圖像內(nèi)容的電視信號, 它的電壓高低表示圖像像素的明暗程度。由于圖像是隨機(jī)性的, 因此視頻信號電平也在一定范圍內(nèi)隨機(jī)起伏。視頻信號是在電子掃描作用下, 由攝像頭將明暗不同的景象轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號, 然后經(jīng)信號通道傳送出去。目前在傳送視頻信號時(shí)，是把影像信號，消隱信號和復(fù)合同步信號三者按一定比例結(jié)合在一起發(fā)送的。我國采用的電視信號是隔行掃描（PAL）制式（黑白為CCIR）,行頻為15625Hz,行同步脈寬為4.7μs；場頻為50 Hz,場同步脈寬為160μs[1]。

準(zhǔn)確分離視頻信號對系統(tǒng)的成功至關(guān)重要，在該系統(tǒng)中視頻信號同步分離可以選用芯片LM1881來實(shí)現(xiàn)，輸入為滿足CCIR標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，輸出有復(fù)合同步信號、場同步信號、奇偶場標(biāo)志信號。其中，復(fù)合同步信號中包含了周期為64μs的行同步信號和場回掃期間的周期為32μ s的場均衡信號、場同步信號[2]。

2.3 計(jì)數(shù)電路

2.3.1光信號行計(jì)數(shù)

選擇20MHz的晶振作為行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖輸入，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率實(shí)際上決定了視頻信號每一行的采樣點(diǎn)的數(shù)量，即每行水平的數(shù)字分辨率。行周期64 μs,頻率15625Hz，每行的采樣點(diǎn)為20M/ 15625=1280，除去行消隱和行同步的時(shí)間，每行的有效采樣點(diǎn)可達(dá)1000點(diǎn)以上。為了保證計(jì)數(shù)器不會溢出，需用二進(jìn)制地址10位，因此我們選擇采用12位計(jì)數(shù)器。由光信號和場同步脈沖通過與非門接到計(jì)數(shù)器的清零引腳，由20MHz時(shí)鐘信號和行同步脈沖通過與非門接到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入引腳。當(dāng)光信號到來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，下一行同步脈沖到來時(shí)，會停止計(jì)數(shù)，同時(shí)觸發(fā)鎖存器，存儲計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，至此就獲得了光點(diǎn)的行坐標(biāo)。下一場同步脈沖到來時(shí)，會將計(jì)數(shù)器清零，開始新一行的點(diǎn)坐標(biāo)測量[3]。圖4是實(shí)現(xiàn)行計(jì)數(shù)的波形示意圖。

2.3.2 光信號場計(jì)數(shù)

場計(jì)數(shù)的工作原理與行計(jì)數(shù)類似，只是計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入改為行同步脈沖。光信號到來時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)場同步脈沖到來時(shí)停止計(jì)數(shù)，觸發(fā)鎖存器，存儲計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，至此就獲得了光點(diǎn)的場坐標(biāo)。同時(shí)場同步脈沖會將計(jì)數(shù)器清零，開始新一場的點(diǎn)坐標(biāo)測量。

由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場構(gòu)成一幀畫面，奇數(shù)場掃奇數(shù)行，偶數(shù)場掃偶數(shù)行，所以此時(shí)得到的場坐標(biāo)與實(shí)際值之間有較大誤差。為了提高精度，需要確定當(dāng)前掃描的是奇數(shù)場還是偶數(shù)場。如果場計(jì)數(shù)器中的值為n，LM1881的奇偶場標(biāo)志腳輸出0，則表明當(dāng)前掃描的是偶數(shù)場，光點(diǎn)實(shí)際應(yīng)在第2n行；若輸出1，表明掃描的是奇數(shù)場，光點(diǎn)實(shí)際應(yīng)在第2n-1行。

3.單片機(jī)串口通信流程

在本系統(tǒng)中使用的單片機(jī)是C8051F015，它的UART模塊提供了一個(gè)全雙工標(biāo)準(zhǔn)的通信口，用于與外設(shè)之間的串行通信。電平方面采用一片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，單片機(jī)串行通信幀結(jié)構(gòu)為：1位啟動位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。通信協(xié)議采用的格式為：包頭【FFFFFFFF】+長度【1B】+數(shù)據(jù)【6B】+校驗(yàn)【1B】。這里長度是固定的，也就是0x07,及數(shù)據(jù)的長度和校驗(yàn)的長度之和；數(shù)據(jù)部分長度為6個(gè)字節(jié)：左鍵是否按下【1B】，右鍵是否按下【1B】,光標(biāo)的位置【4個(gè)字節(jié)，分別用2個(gè)字節(jié)記錄行和列的位置】，校驗(yàn)和就采用累加和的方式，及把長度和數(shù)據(jù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)按字節(jié)相加的方式，累加和溢出后只取后8位，這種方式比較簡單，節(jié)省CPU的資源。整個(gè)數(shù)據(jù)包是采用定時(shí)發(fā)送的方式，及每隔一定的時(shí)間間隔向PC機(jī)傳送一次坐標(biāo)信息，無需PC的訪問，節(jié)省通信握手的時(shí)間，確保光標(biāo)的位置信息能實(shí)時(shí)的反饋給PC機(jī)。

4.PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

針對PC機(jī)部分的軟件，作者將其當(dāng)成串口的鼠標(biāo)設(shè)備。做成設(shè)備的驅(qū)動，方面應(yīng)用程序的調(diào)用。Windows 驅(qū)動模型分為流接口驅(qū)動和本機(jī)驅(qū)動兩個(gè)模型，依據(jù)windows系統(tǒng)的驅(qū)動程序規(guī)則，鼠標(biāo)驅(qū)動按照本機(jī)驅(qū)動的規(guī)則設(shè)計(jì)。

5.結(jié)束語

試驗(yàn)表明，裝備設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，工作穩(wěn)定可靠，且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)充性，只需做少許改動即可適應(yīng)用戶更高的要求，若要求進(jìn)一步提高光標(biāo)定位的精度，可選擇更高的晶振作為行計(jì)數(shù)器脈沖的輸入，必要時(shí)對計(jì)數(shù)器加以擴(kuò)展。這相當(dāng)于將像素點(diǎn)加以細(xì)化，因而精度提高。本裝置是配合計(jì)算機(jī)，投影儀而用于產(chǎn)品演示、電化教學(xué)及學(xué)術(shù)會議等場合的理想演示用工具。經(jīng)過改裝后，還可用于警員、軍隊(duì)槍械的模擬訓(xùn)練，有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖3計(jì)數(shù)示意圖

[1]陳姚節(jié),盧建華.基于FPGA的VGA顯示接口的研究與設(shè)計(jì).武漢：交通與計(jì)算機(jī).2005.2 47～49

Video-based laser-targeted research and realization of electronic equipment design

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.059

陳姚節(jié)(1976-)男，安徽望江人，武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院講師，碩士，主要研究計(jì)算機(jī)智能控制與檢測。

電子教鞭在現(xiàn)代的課堂教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。但大多數(shù)的電子筆僅僅是配上激光或者在帶一個(gè)鍵盤的Page Down、Page Up按鈕，使用起來非常不靈活。采用CCD攝像頭作為裝置的前端圖像傳感器并結(jié)合其他硬件電路對被測圖像信息進(jìn)行快速采樣、傳輸及數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用系統(tǒng)正日益受到人們的關(guān)注。本文所介紹的是一種帶有CCD攝像器件的視頻信號處理裝置，主要用于投影屏幕上目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測量和光標(biāo)定位。

E-pointer in the modern classroom teaching to be widely used.But most of the electronic pen is only coupled with laser or with a keyboard Page Down, Page Up button, use the up and very flexible.CCD camera used as a front-end devices, image sensors, other hardware circuits in combination with the measured image information for rapid sampling, transmission and data processing applications are increasingly subject to attention.Described in this article is a device with a CCD camera video signal processing device is mainly used for projection screen on the target point of the coordinate measuring and cursor positioning.