基于FPGA的激光筆輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 無線發(fā)射激先筆設(shè)計
無線發(fā)射激光筆可以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的激光光點，另外有5個功能按鍵分別發(fā)射不同的控制信息。根據(jù)設(shè)計要求，將激光頭分為按鍵編碼模塊和無線發(fā)射模塊。設(shè)計框圖如圖3所示。在此，采用了PT2262／PT2272編解碼芯片，其中PT2262為編碼芯片；PT2272為解碼芯片。基于PT2262的工作方式，設(shè)計了6按鍵的編碼電路方案，如圖4所示。K0～K5為6個按鍵，分別對應(yīng)數(shù)據(jù)位D0～D5。當(dāng)所有按鍵都斷開時，晶體管Q1截止，電路中沒有電流，芯片不工作。當(dāng)6個按鍵中任意一個被按下時，R1和按鍵的下拉電阻分壓使得Q1的基極電壓下降，Q1導(dǎo)通，PT2262芯片開始工作，指示燈D1工作。此時，除了閉合的按鍵所對應(yīng)的數(shù)據(jù)位為邏輯高電平之外，其他位為低電平。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191271.htm
無線發(fā)射模塊的功能是將按鍵信息編碼調(diào)制到高頻載波上并發(fā)送。載波頻率為315 MHz，調(diào)制方式為幅度調(diào)制。發(fā)射后的信號可由系統(tǒng)的無線接收模塊進(jìn)行接收并解碼。
2．2 無線接收模塊
無線接收模塊用以接收激光筆發(fā)射端的控制信號，它主要包括接收解調(diào)和信號解碼兩個部分。為了達(dá)到較高靈敏度的目的，選擇超再生接收作為接收端的接收解調(diào)方案，其電路原理如圖5所示。信號通過天線接收，首先經(jīng)過L2和C23濾出315 MHz附近的頻段信號。Q1為第一極放大，放大特性通過R18和R17施加偏置電壓控制；Q2為超再生混頻管，其本身通過C15，C16和L1構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生315 MHz附近的本征振蕩，然后與前級放大后的信號進(jìn)行混頻。如果本征頻率與315 MHz足夠接近，混頻后將產(chǎn)生低頻分量，該分量即為調(diào)制到載波上的編碼信號。
解碼芯片采用PT2272，與PT2262配套使用。PT2272有多種型號，后綴可以為L4，M4，L6，M6等，后綴中的L表示鎖存數(shù)據(jù)輸出，M表示瞬態(tài)輸出。這采用PT2272-M6，解碼后的控制信號經(jīng)FPGA處理后輸出。
2．3 FPGA采集處理及數(shù)據(jù)傳輸
在系統(tǒng)的總體設(shè)計上，采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，配合OMNIVISION公司的OV9650數(shù)字CMOS圖像傳感器和ISSI公司的IS42S16160B片外SDRAM存儲芯片來構(gòu)建攝像頭激光點采集處理系統(tǒng)，采集到的圖像可由VGA模塊顯示。激光點可利用其較高的亮度信息與背景色進(jìn)行分辨區(qū)分，計算出的激光點坐標(biāo)以及無線接收的控制信息以串口數(shù)據(jù)的方式發(fā)送，經(jīng)片外CP2102串口轉(zhuǎn)USB模塊，可使數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送到授課主機。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖6所示。
FPGA模塊是該系統(tǒng)的核心模塊，它將數(shù)據(jù)采集、圖像處理、圖像存儲控制、圖像顯示控制、坐標(biāo)計算及串口傳輸控制等功能集成到一片芯片上。該系統(tǒng)采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片，它擁有5 256個邏輯單元(LE)、36個M4K、2個PLL和18個嵌入式乘法器，還擁有最多138個通用I／O口，它能提供足夠多的擴展口，以滿足系統(tǒng)的所有要求。另外，OV9650攝像頭基于CMOS圖像傳感器技術(shù)，最大輸出圖像分辨率為SxGA(1 280×1 024)。OV9650支持多種圖像格式，包括10位或者8位的原始RGB，RGB565，RGB555，GBR[4：2：2]，YUV等多種格式，且具備自動圖像控制功能，包括自動曝光控制AEC、自動增益控制AGC、自動白平衡AWB以及自動濾波ABF等。以上各個參數(shù)都可以通過芯片的SCCB接口進(jìn)行設(shè)置。SCCB是OMNWISION公司定義的串行相機控制總線，主要用于對該公司研發(fā)的系列圖像芯片寄存器進(jìn)行設(shè)置。OV9650有多個寄存器，這些寄存器主要用于對圖像格式和圖像質(zhì)量的控制，用戶可以通過SCCB總線對這些寄存器進(jìn)行讀／寫操作。
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