采用視頻的無(wú)線激光定位設(shè)備的設(shè)計(jì)

　　隨著CCD(Charge Coupled Device)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)、軍事、民用行業(yè)。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(duì)被測(cè)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(hào)處理裝置，主要用于投影屏幕上目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量和光標(biāo)定位。

　　1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，激光筆發(fā)射到被測(cè)畫面的光點(diǎn)被CCD攝像器件接收，CCD攝像器件輸出視頻信號(hào)給同步分離電路和整形電路。利用同步分離電路后，可從視頻信號(hào)中得到行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)和奇偶信號(hào)，行同步和場(chǎng)同步信號(hào)被送到計(jì)數(shù)電路。視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)整形電路后得到光信號(hào)，光信號(hào)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)處理后由串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)光標(biāo)的定位并模擬鼠標(biāo)的單雙擊功能。

　　           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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)的最大值到來(lái)，這時(shí)C1的電壓也增加到最大值，之后再有信號(hào)到來(lái)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(chǎng)同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，穩(wěn)壓管Dz1反相導(dǎo)通，電容才迅速放電，再有信號(hào)從電壓跟隨器5A 輸出，電容又開始重新充電。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，便可以從每場(chǎng)視頻信號(hào)中提取出最強(qiáng)的信號(hào)，并將這個(gè)值通過(guò)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(hào)即為從視頻信號(hào)中提取出的光信號(hào)，并且該光信號(hào)存在這樣的特點(diǎn)：對(duì)于每一場(chǎng)視頻信號(hào)而言，只有當(dāng)當(dāng)前信號(hào)值大于以往信號(hào)值時(shí)，光信號(hào)輸出為高電平，否則輸出為低電平。視頻信號(hào)最大值過(guò)后，光信號(hào)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(guò)快。電源VCC提供一個(gè)鉗位電壓。

　                       　圖2 整形電路詳細(xì)原理圖

　　2.2同步分離電路

　　視頻信號(hào)是反映圖像內(nèi)容的電視信號(hào), 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(hào)電平也在一定范圍內(nèi)隨機(jī)起伏。視頻信號(hào)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(hào), 然后經(jīng)信號(hào)通道傳送出去。目前在傳送視頻信號(hào)時(shí)，是把影像信號(hào)，消隱信號(hào)和復(fù)合同步信號(hào)三者按一定比例結(jié)合在一起發(fā)送的。我國(guó)采用的電視信號(hào)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(chǎng)頻為50 Hz,場(chǎng)同步脈寬為160μs[1]。

　　準(zhǔn)確分離視頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的成功至關(guān)重要，在該系統(tǒng)中視頻信號(hào)同步分離可以選用芯片LM1881來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入為滿足CCIR標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，輸出有復(fù)合同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)。其中，復(fù)合同步信號(hào)中包含了周期為64μs的行同步信號(hào)和場(chǎng)回掃期間的周期為32μs的場(chǎng)均衡信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)[2]。

　　2.3計(jì)數(shù)電路

　　2.3.1光信號(hào)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(hào)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64μs,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(huì)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(hào)和場(chǎng)同步脈沖通過(guò)與非門接到計(jì)數(shù)器的清零引腳，由20MHz時(shí)鐘信號(hào)和行同步脈沖通過(guò)與非門接到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入引腳。當(dāng)光信號(hào)到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，下一行同步脈沖到來(lái)時(shí)，會(huì)停止計(jì)數(shù)，同時(shí)觸發(fā)鎖存器，存儲(chǔ)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(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，會(huì)將計(jì)數(shù)器清零，開始新一行的點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量[3]。圖4是實(shí)現(xiàn)行計(jì)數(shù)的波形示意圖。

　　                             圖3 行計(jì)數(shù)的波形示意圖

　　2.3.2 光信號(hào)場(chǎng)計(jì)數(shù)

　　場(chǎng)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(hào)到來(lái)時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)停止計(jì)數(shù)，觸發(fā)鎖存器，存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，至此就獲得了光點(diǎn)的場(chǎng)坐標(biāo)。同時(shí)場(chǎng)同步脈沖會(huì)將計(jì)數(shù)器清零，開始新一場(chǎng)的點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量。