毕业设计（论文）-基于ccd的车辆识别系统.doc

本 科 毕 业 设 计 第 35 页 共 35 页1引言随着社会的发展，良好的交通系统对经济的作用越来越重要，一个地区要想经济长久稳定的发展，必须要有一套完善的交通系统作为经济发展的基础。然而，传统的交通系统智能化低、管理效率低，严重阻碍了经济的发展。因此，改善传统的交通系统、提高交通系统的智能化水平，已是现代社会经济发展的迫切要求。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。 交通安全、交通堵塞是困扰当今国际交通领域的两大难题，尤其以交通安全问题最为严重。据专家研究，采用智能交通技术提高道路管理水平后，每年仅交通事故死亡人数就可减少30%以上，并能提高交通工具的使用效率50%以上。为此，世界各发达国家竞相投入大量资金和人力，进行大规模的智能交通技术研究试验。车辆识别技术也是在这种背景下逐渐发展起来的。作为智能交通系统中的重要一环，车辆识别技术可形象的比喻为整个智能交通系统的眼睛，只有在看得见、看的清的情况下，整个智能交通系统才能运转起来，并且运转的更有效。因此对车辆识别技术的研究作为对整个智能交通系统的研究是十分必要的。我国机动车计量检测事业是自上世纪六十年代引入汽车检测这一概念开始的，直到九十年代初我国第一套国家机动车计量检测标准装置才基本建立，这30年的时期是我国汽车检测事业的萌芽、起步阶段。从上世纪九十年代初到 2004 年道路交通安全法的颁布实施，这一阶段我国车辆检测事业得到了长足的发展，全国各地先后建立了各类车辆检测机制。从04年到现在是我国汽车检测技术质的飞跃时期，在此期间不仅数量上有所增长质量上更是大有提高。但由于基础差等原因，存在的问题依然很多。例如精度、成本等都是制约我国智能交通系统发展的阻力。1.1.传统的车辆检测方式 对于车辆检测,目前主要有两种方式：一种是静态方式，主要是利用位置固定的定点检测器或摄像机；另一种是动态探测方式。通常，用来采集交通流数据的定点检测器有感应线圈检测器、超声波检测器、雷达检测器、光电检测器、红外线检测器等。动态交通探测方式是指基于位置不断变化的车辆或手机来获得实时行车速度和旅行时间等交通信息的数据采集方式。动态交通探测的典型方式包括异频雷达收发机、车辆自动检测、全球定位系统（GPS）装置及手机通信等。1.1.1线圈检测、红外线检测和摄像机检测 线圈和摄像机（视频监控）是定点检测的典型手段。线圈是磁性检测器的一种变形，它依靠埋在路面下的一个或一组感应线圈产生的电磁感应变化，来检测通过的车辆的状况。该技术非常成熟，且精度较高，适用于交通量较大的道路。此方法检测精确，设备稳定，且在恶劣天气条件下仍具备出色的性能。此外，廉价的成本也是其在世界范围内得以广泛应用的原因之一。然而，其缺点也非常明显，即采集范围有限、损坏率高、施工成本昂贵、施工周期长。 红外线检测是非接触式检测技术，反应速度快，灵敏度高，布线简单容易安装，有无光线都可以检测。但是，由于其检测灵敏度与热辐射相关，易于受到干扰热源的影响且影响较大，抗干扰能力弱，在检测时对温度湿度要求严格所以很难做到大规模应用。视频监控则是利用摄像机作为记录设备，通过对一定时间段内的图像进行分析得出交通流的详细资料。这种方式安装方便，不破坏路面，施工时基本不影响交通；可实现大区域的交通信息采集；系统采用模块化设计、结构化设计、可扩展性好；实时对多车道的车流量占有率、平局车速等信息进行采集和统计；实时进行各种交通异常状况的采集和报警；对于交叉口交通状况的调查，常采用这种方法。1.2视频车辆检测国内外发展状况交通信息视频检测的概念最初由美国加州的Jet Propulsion实验室于1976年提出，该实验室在美国联邦公路管理委员会的支持下，经过两年的研究证实了该技术交通管理控制方面的可行性。1984年明尼苏达大学首次研制成功了实用的大区域视频车辆检测系统，并因此获得此项技术的专利权。1991年，明尼苏达大学的科学家们采用计算机技术进一步提高了系统的性能，并在随后的现场测试中证实了该系统在户外工作及实时运行的可行性。与此同时，日本和欧洲的一些国家也开始了这项技术的研究，并且取得了丰富的成果。目前，世界上在视频车辆检测领域最著名的公司是美国的ISS(Image Sensing System)公司，其主要产品是Autoscope系列视频车辆检测系统。Autoscope作为全世界研发最早并最先获得国际专利的视频车辆检测技术，经过近20年的不断发展，已成为全球安装最多、满足国际各种工业标准最多、在实际使用中经过广泛检验的成熟的视频车辆检测技术。到目前为止，已有超过6000套的Autoscope视频检测系统运行在欧、美、亚等洲许多国家的智能交通管理系统中，得到全世界交通专业人士的普遍认可。视频检测技术虽然在国内研究起步比较晚，但是目前也有不少公司在这方面做了许多努力，例如清华紫光与清华大学合作开发的新一代视频交通流量检测系统，深圳神舟交通系统公司研发的产品，厦门恒智软件系统公司研发的产品国内目前较新的产品有深圳市哈工大交通电子技术有限公司，浙大电信研究所，北京布鲁顿公司等几家企业也有相应的产品。1.3课题研究的内容、原理及目标研究基于CCD的汽车识别系统。主要的功能是实时的采集道路交通的图像信息，为智能交通系统后端的道路情况分析提供数据支持。进一步通过对CCD传感器接收到的道路信号进行处理，使系统能判断道路上是否有物体经过，该物体是车还是行人。系统能够对道路情况有一个简单的识别能力。它是整个智能交通系统中最前段的部分也是整个智能交通系统中最为重要的部分，可以形象的比喻为整个系统的感知器官。整个道路图像采集系统的硬件平台主要是基于一片OV5017CCD芯片和一片8051F120高速单片机。这套高速的嵌入式硬件平台系统能够有效的实时的采集道路交通信息，为后台计算机或其它智能设备进行交通情况的分析提供实时的分析数据。传统汽车识别系统通常由四个单元构成:车辆检测单元、采集单元、处理与识别单元、查询单元。当有车辆通过时, 车辆检测单元发送一个触发信号给采集单元, 采集单元负责采集该车的图象,并送入处理与识别单元,以对图象进行预处理。基于传统的汽车检测器原理，摒弃了以前以线圈为传感器的设计方案，换为以CCD为传感器的新的设计方案。首先ccd器件从外界取得信号，并将信号传给信号处理单元，信号处理单元通过对采集上来的信号进行分类处理，最终得出处理结果，并将结果反馈输出。 系统工作原理首先CCD芯片对道路信息进行实时采集，采集的信号由中央信号处理单元（单片机）实时的收集存储到其内部存储其中，然后中央信号处理单元从采集的信号中选出若干行数据。并对数据进行简单的处理。比如中央信号处理单元从采集的信号中选出三行数据对着三行数据进行处理，首先由于汽车宽度大于行人宽度，因在三行数据中汽车通过时每一行数据检测到物体的连续宽度较行人通过时宽。据此就可以判断出道路上是否有物体通过，该物体是汽车还是行人。下图为系统基本原理图。CCD芯片采集信号中央信号处理单元系统反馈输出后台数据请求信号数据采集信号图1.1 系统基本原理框图2 什么是CCD2.1CCD诞生与发展CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉波义耳(Willard S. Boyle)和乔治史密斯（George E. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷气泡元件”（Charge Bubble Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。2.2CCD原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。CCD工作过程的主要问题 是信号电荷的产生，存储，传输，和检测。首先电荷产生，在CCD中，电荷注入的方法有很多，归纳起来,可分为光注入和电注入两类。 a）光注入 当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄象器件的光敏单元为光注入方 式。光注入电荷 QIP =qneoATC式中：为材料的量子效率：q为电子电荷量；neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积；TC为光注入时间。由此式可以看出，当CCD确定以后，.q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的光子流速neo及注入时间TC成正比。注入时间TC由CCD驱动器的转移脉冲的周期TSH决定，当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速neo 成正比。正常情况下。光注入的电荷量与入射的谱辐量度在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射的光谱辐通量的关系为ne=e/hv， h,v,均为常数。因此在这种e成线形关系。该线形关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。 b）电注入 所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，一般常用的是电流注入法和电压注入法。电荷的存储：构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体），在栅极G施加正偏压 UO之前，P型半导体中空穴（多数载流子）分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG（此时UG小于P型半 导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当UGUth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用S 表示)变得 如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10um )但电荷浓度很高的反型层，反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.然而,当栅极电压由零变到高于阈值电压时,轻掺杂半导体中的少数载流子很少,不能立即建立反型层.在不存在反型层的情况下,耗尽区将进一步向体内延伸,而且,栅极的衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上,如果随后可以获得少数载流子,那么耗尽区将收缩,表面势下降,氧化层上的电压增加.当提供足够的少数载流子时,表面势可降低到半导体材料费密能级P 的两倍。表面势S 与栅极电压UG 的关系曲线。表面势S 与反型层电荷密度的关系曲线.曲线的直线性好,说明表面势S与反型层电荷浓度QVIN 有着良好的反比例线性关系.这种线性关系很容易用半导体物理中的”势阱”概念描述.电子所以被加有栅极电压UG 的MOS结构吸引到氧化层与半导体的交界处,是因为那里的势能最低.在设有反型层电荷时,势阱的”深度”与栅极电压 UG的关系恰如S 与UG 的线性关系,如图IV(a)空势阱的情况.图IV(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多时，使势阱被填满时，S 降到2F，此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象，这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压UG氧化层的厚度dox 有关，即与MOS电容容量cox 与UG的乘积有关，势阱的横截面积取决于栅极电极的面积A。MOS电容存储信号电荷的容量。Q=Cox UG*A。3课题的具体思路与方案3.1课题硬件部分基于OV5017CCD芯片与高速单片机8051F120组成的嵌入式硬件平台，并以此为基础设计软件部分实现对交通信息的采集、分析。以下是硬件部分的介绍3.1.1CCD信号采集芯片的设计目前，CCD（电荷耦合器件）是主要的实用化固态图像传感器件，其基本结构图3.1。. 时序与控制 控制寄存器CMOS感应核心电压可编程增益放大器模数转换器输出寄存器3.3/5光照图像输出指令图3.1 CCD基本原理它具有读取噪声低态范围大、响应灵敏度高等优点。CMOS图像传感器是近向年发展较快的新型图像传感器，由于采用了相同的CMOS技术，因此可以将像素阵列与外围支持电路集成在同一块芯片上。实际上，CMOS图像传感器是一个较完成的图像系统（Camera on Chip），通常包括：一个图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器。CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上。3.1.2 OV5017特性简介 美国Omnivision Technologies 公司推出的大规模集成电路系列芯片OV5017 是一种光传感器和IC 集成的器件,比较适合于这一类的应用范围。OV5017由CMOS数字式图像传感器和模拟/数字混合IC 集成在单片芯片上的器件,因而具有比较高的性价比。基于OV5017 的视频图像处理仪器设备的抗干扰性和可靠性特别好,由于OV5017 本身带有智能化接口,可以直接与单片机或者PC 接口相连接,实现数据通信。因而硬件系统的设计非常的简单。OV5017是美国OmniVision公司开发的CMOS黑白图像传感器芯片，该芯片将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能，其输出的视频为黑白图像，与CCIR标准兼容。OV5017芯片的基本参数为：a)图像尺寸4.2mm3.2mm，像素尺寸11m11m;b)信噪比SNR42dB;c)帧频50时，最小照度为0.5luxf1.4；d)帧频50时，峰值功耗小于100mW。OV5017 芯片内部核心是一个384*288像素大小的模拟感光区，它可以全视频速度运行。输出的模拟视频信号符合CCIR标准。全速运行时它的最高速度为50帧频，并且其帧频速度还可以通过编程对其进行设置其曝光方式可被设置成手动或自动曝光形式。芯片内部还有一个帧分频器，可以在不改变外部晶振频率的情况下获得不同的帧频。输出模拟视频信号，格式为逐行扫描。OV5017内部嵌入了一个8bit的A/D，因而可以同步输出8位的数字视频流D70。在输出数字视频流的同时，还提供像素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC，便于外部电路读取图像。3.1.3 OV5017寄存器简介 OV5017是一个带有数字接口的SOC图像采集芯片，因此其外围接口应用简单。表3.1 OV5017各端口功能引脚号引脚名引脚功能1SGND传感器地2SVDD传感器电源5V3AVDD模拟电源4FSI外部帧同步信号输入5VrCR内部参考电压接地6AGND模拟地7AGND模拟地8-17N/C18 1920 46A3-A0内部寄存器地址线（CSB=0时寄存器可用）21OEB8位数据输出使能（OEB=0可用OEB=1不可用）22WEB内部寄存器写使能（当CSB=0在WEB上升沿数据被存到内部寄存器）23CSB片选端口（CSB=0可用）24 25XCLKIXCLKO外部晶振输入26HREF水平同步信号（高电平视为有效）27PCLK像素时钟输出（默认是连续输出，可在valid window期间通过内部寄存器设置。视频信号D0-D7在其上升沿被修改并在其高电平期间可保证数据存在）28VSYNC垂直同步信号输出29DVDD数字电源5V30DGND数字地31OGND数字输出地32-39D0-D7视频数据输出，或内部寄存器读写数据40OVDD数据输出电压3.341ZVDD模拟电源5VOV5017 具有丰富的编程控制功能，其图像帧频、曝光时间、增益控制、Gamma 校正、图像开窗等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置，数字视频流的输出也必须通过对寄存器读取才能实现。芯片内部有11 个8 位寄存器，通过对地址线A3.0的设置来选择寄存器，通过读写数据线7.0来读取或设置寄存器。在对寄存器进行读（或写）时，应使片选CSB 与输出使能OEB（或定使能WEB）有效。3.1.3 芯片时序视频数据的读出方式。图3.2 视频数据时序表当选中地址（A0、1、2、3）为视频数据输出端口，设置好CSB（片选）后HREF信号产生,这时使能OEB数据开始输出（前提假设我们已经设置好帧频，曝光的参数），并且它的周期与内部反馈信号PCLK同步。因此可以根据它的时序工作方式来设置单片机的端口对CCD芯片采集的视频数据进行。介绍内部寄存器读取方式。内部寄存器读取分为两种方式，一种是片选读方式，另一种是地址控制读取方式。内部寄存器读时序图。图3.3内部寄存器读时序a） 片选读取方式在片选读取方式中，首先设置CSB（片选位）、WEB(写寄存器使能位)，在设置好这些位后就要选择读取寄存器内部数据的方式了。若是选择了片选读取方式，这时首先要首先向地址端（A）写入要读取的内部寄存器地址，这时内部寄存器数据还没有出现在DATA(数据端口)，此时就需要设置OEB进行数据的读出。使能OEB后DATA口数据被更新，此时单片机就可以读取DATA端口的数据即读取内部寄存器数据。b)地址控制方式若是选择地址控制内部寄存器数据输出，同样需要首先设置WEB(写寄存器使能位)、CSB（片选位），在设置好这些位后就又要选择读取寄存器内部数据的方式了,在此选择地址控制方式。那么首先使能OEB，然后，再设置地址端口（A）此时数据端口被更新。此时可以用单片机读取数据端口数据即内部寄存器数据。芯片内部寄存器写时序，同样它也分为两种写入方式。a）片选式写入同上面介绍的片选式读取方式相同，要首先设置几个是能引脚。首先是输出使能置高电平，然后将地址写入地址端口选择好要写入的地址，将数据也写入数据端口此时是指CSB为低数据就被所存入寄存器内B）WE控制写入首先是输出使能置高电平，然后将地址写入地址端口选择好要写入的地址，将数据也写入数据端口，CSB是能设置，此时在设置WEB使能。这时端口数据将被所存入内部新片中寄存器被写入数据。图3.4内部寄存器写时序2.14芯片内部寄存器详细介绍OV5017 具有丰富的编程控制功能，其图像帧频、曝光时间、增益控制、Gamma 校正、图像开窗等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置，数字视频流的输出也必须通过对寄存器读取才能实现。芯片内部有11 个8 位寄存器，通过对地址线A3.0的设置来选择寄存器，通过读写数据线7.0来读取或设置寄存器。在对寄存器进行读（或写）时，应使片选CSB 与输出使能OEB（或定使能WEB）有效。此芯片对内部寄存器读写非常方便，就像读写一般的存储器。配置DATA A WEB OEB CSB。就可以对芯片内部寄存器进行读写操作。但是，读写操作仅仅针对于其内部可以读写的寄存器。地址号0000的寄存器为状态寄存器,它是只读的,反映芯片的某些状态。地址号0001的寄存器为帧控制寄存器,它是只写的,用于控制帧与行的同步信号。地址号0010的寄存器为曝光控制寄存器,它是读写的,可选择自动曝光,也可选择手工光曝光时间控制在1帧至1/100帧之间。地址号0011的寄存器为增益控制寄存器,它是读写的,当手工曝光时,增益控制018db 之间。地址号0100的寄存器为帧频控制寄存器,它是读写的,帧频控制在500.5fps 之间。地址号0101的寄存器为杂项控制寄存器,它是读写的,负责设置 gamma 校正、图像象背景光补偿、图像锐化等功能。地址号0110与0111的寄存器为窗口控制寄存器,它们均是读写的,负责设置窗口的水尺寸、水平位置、垂直尺寸、垂直位置,以确定图像中的一个窗口。地址号1110与1111的寄存器保留,用于测试。表3.2寄存器地址及功能A3.0寄存器R/WBIT NAME功能默认值10XXVPORTRVD7.0VIDEO DATAXXXXXXXX0000STATUSRTO2,TO1,OV,VSYNC,HREF, RDY状态寄存器00xxxxxx0001FCTLWSFR,FSET,SKIP, FBLC,STOP,SRST信号帧控制系统控制00XX00000010EXCTLR/WAUTO, EX6:0自动、手动曝光111111110011GCTLR/WGN2:0增益值XXXXX0000100FRCTLR/WFDIV5:0帧速率分频器XX0000000101MCTLR/WGAMMA, MIR, DN,BKL,FZEX, PCKS,PCKI, BPSHP杂项控制000000000110HWCTLR/WHWS3:0, HWE3:0窗控制XXXXXXXX0111VWCTLR/WVWS3:0, VWE3:0窗控制XXXXXXXX1110TSTWTST7:0预留XXXXXXXX1111TOPTWTOPT7:0预留XXXXXXXX表3.3 寄存器各位具体含义寄存器名位范围功能VPORTVDVD7:0视频数据选择端口，此口在选中的情况下，VD数据不能被更新STATUSTO2STA7预留位TO1STA6预留OVSTA3像素超限标志位，在STAO被设置的情况下，像素数据每次更新他就被设置一次VSYNSTA2VSYN电平副本HREFSTA1HREF电平副本RDYSTA0每次像素数据更新时它就被设置FCTLFSETFCTL7单帧传输启动设置位，在FCTL6被设置后才工作SFRFCTL6设置单帧运作模式SKIPFCTL3浏览模式，每个一行去一次数据FBLCFCTL2背光补偿设置STOPFCTL1设置为阻止芯片时钟和进入低功耗待机模式。这给出了一个不改变注册内容。芯片放在缺省状态和所有的图像数据丢失。设置这一点并不阻止进一步的寄存器访问。在清算这一点,它通常需要大约两帧芯片变得稳定。SRSTFCTL0软件重置启用。这个位设置重置所有芯片上注册并将芯片在默认状态。在清算这一点,它一般大约要花两帧芯片成为刺EXCTLAUTOEXCTL7允许自动曝光。选择自动曝光模式,设置这一点。到选择手动曝光模式,明确这一点。EXEXCTL6:0曝光时间,是1/50s 7跳频,00 h是1 /(50 * 128 * 2)年代。这个寄存器用于手动曝光模式下只。GCTLGNGCTL2:0选择放大器增益的,其中111是18分贝增益和0000分贝的在一个线性关系。这个寄存器用于手动expo-sure模式下只。更新后进行这个寄存器,它需要两个帧使芯片变得稳定。FRCTLFDIVFRCTL5:0Frame Rate = F0/ (FDIV+1)Pixel Rate = fosc/ (FDIV +1)*2F= f/ (458*625);F=50 14.318MhzHWCTLVWCTLHWSHWCTL7:4开始水平同步信号HWEHWCTL3:0结束水平同步信号VWSVWCTL7:4开始垂直同步信号VWEVWCTL3:0结束垂直同步信号3.1.5芯片电路设计原理图中*A、*B为OV5017的两个part。下面将详细介绍OV5017电路中各个部分。图3.5 OV5017整体电路图a）电源部分 图3.6 5V电源 图3.7 3.3V电源5V电源为芯片提供工作电压。3V电源接OVDD(芯片输出电压控制顿5/3.3)决定芯片各数字引脚输出高电平电压值。由于使用的是F120单片机其内部高电平是3.3所以在OV5017中也选择了3.3V输出，以方便和单片机通信。5V和3.3V分别由此电路板18、19脚连接，这两个引脚连接着主控制器板（F120板）上的5V和3.3V电源。电源与芯片引脚连接时都并联了一个0.01uf的滤波电解电容使电源为芯片提供的电压高频杂波减少，电源干扰减小，输出电压更加平滑。b）振荡电路图3.8 外部晶振OV5017需要外接一个晶振电路为其内部提供合适的震荡频率。石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。2、压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。3、符号和等效电路当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.00020.1Pf。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达100010000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。4、谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即当 L、C、R 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于 R） 。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时 L、C、R 支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗频率特性曲线。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。芯片使用的是14.318M晶振，其内部有一个帧分频器寄存器，通过设置此寄存器，就可以用其内部分频器将外部频率分频为芯片内部所需要的频率，计算公式如下帧频=F0/(FDIV+1)像素频率=f/(FDIV+1)*2F0=f*(458*625) (F0=50；14.318)f为外部晶振频率c）5017芯片电路设计美国Omnivision Technologies 公司推出的大规模集成电路系列芯片OV5017 是一种光传感器和IC 集成的器件。OV5017由CMOS数字式图像传感器和模拟/数字混合IC 集成在单片芯片上的器件,因而具有比较高的性价比。基于OV5017 的视频图像处理仪器设备的抗干扰性和可靠性特别好,由于OV5017 本身带有智能化接口,可以直接与单片机或者PC 接口相连接,实现数据通信。因而硬件系统的设计非常的简单。图3.9 OV5017芯片接口*A part为芯片的电源、地、晶振的引脚，其中电源引脚中OVDD(芯片输出电压控制顿5/3.3)决定芯片各数字引脚输出高电平电压值。由于使用的是F120单片机其内部高电平是3.3所以在OV5017中也选择了3.3V输出，以方便和单片机通信。*B part为芯片数据输入输出和同步信号、地址信号、电源、地接口，与单片机控制端口连接其中D0-D7为数据口，负责为OV5017寄存器写入或读出数据或者输出视频数据。VSYNC、PCLK、HREF分别为视频数据输出的同步信号，为外部单片机读视频数据提供同步信号。CSB、WEB、OEB分别为片选、写使能、和输出使能信号，为单片机控制提供了方便。A1、A2、A3是内部寄存器地址总线，用于选择内部寄存器。2.1.7电源电路与F120单片机电路设计原理C8051F12x系列器件使用Silicon Lab的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51 TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软开发。图3.10 F120总体电路图a）电源电路图3.11电源此电源是5V转3.3V，使用了LM1117MP-3.3芯片LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在 1.2V 输出,负载电流为800mA 时为 1.2V。LM1117有可调电压的版本,通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出(1.8V,2.5V,2.85V,3.3V和5V)的型号。LM1117提供电流限制和热保护.电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内.LM1117系列具有LLP,TO-263,SOT-223,TO-220和TO-252 D-PAK 封装.输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。外部电容稳定性输入旁路电容使用输入旁路电10uF的钽电容。调节端通过一个旁路电容接地可增强对纹波的抑制.该旁路电容可防止输出电压放大倍数的增加。输出电容对于保持输出电压的稳定性起着非常重要的作用,通常需要使用较大容量的输出电容(22uF 的钽电容)。b）按键复位电路图3.12复位电路单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。上电时，但由于电容C15两端的电压RST不能突变，因此RST保持低电平。但随着电容C15的充电，RST不断上升，只要选择合适的R和C，RST就可以在CPU复位电压以下持续足够的时间使CPU复位。复位之后RST上升至电源电压，CPU开始正常工作。当CPU需要复位时按下按键S电容C15上的电压将被泄放掉，此时RST电压变为低电平，单片机复位。当放开按键后同上电复位原理相同C15又被充电RST变为高电平这一过程，就是按键复位过程。c）芯片与电路介绍CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定器、两个全双工 UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR ）地址空间及8/4 个8 位宽的I/O 端口。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51 内核，70% 的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51工作在最大系统时钟频率100MHz时，C8051F120/1/2/3的峰值性能达到100MIPSCIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51提供20个中断源（标准 8051 只有7 个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器 0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR0 输入引脚及/RST 引脚。/RST 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST 引脚。除了 VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用 MONEN 引脚使能/禁止VDD监视器。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，可以用软件将WDT永久性使能。 MCU内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到24.5MHz的内部振荡器。另外，片内提供的PLL 允许达到更高的系统时钟频率以提高运行速度。CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM的高128字节，用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 C8051F12x 器件还另有位于外部数据存储器地址空间的8K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。这个片内的8K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址（以 8K为边界重叠）。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（8K以下的地址指向片内，8K以上的地址指向EMIF）。EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。 C8051F12x器件的程序存储器包含128K字节的分块FLASH。该存储器以1024字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从0x1FC00到0x1FFFF 的1024字节被保留。 还有两个位于地址0x20000 - 0x200FF的128 字节扇区，这两个扇区可被软件用于数据存储。 图3.13 F120电路图C8051F12x系列器件具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE 1149.1规范，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。 Silicon Lab 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC和SMBus 除外）都停止运行，以保持同步。该系列MCU具有标准8051 的端口（0、1、2和3）。在100脚TQFP封装的器件中有4个附加的端口（4、5、6和7），因此共有64个通用端口I/O。这些端口I/O的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚。与具有标准复用数字I/O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。 我只用到了F120单片机的P5.0到P7.0作为控制口与前面设计的OV5017相连,JP1为JTAG口用于在线调试。单片机在程序设计中，要注意它的特殊寄存器是按页来分的。在初始化配置寄存器时要注意先为其配置好其特殊寄存器所在的页。对于单片机内部频率，其内部有一个内部晶振，也可以使用外部晶振。外部晶振最大值为30M。在单片机内部有一个锁相环可以通过设置其寄存器来获得25M到100M的内部时钟信号。4程序部分4.1对端口定义Sbit D0=P70;Sbit D1=P71;Sbit D2=P72;Sbit D3=P73;Sbit D4=P74;Sbit D5=P75;Sbit D6=P76;Sbit D7=P77;Sbit VSYNC=P60;Sbit PCLK=P61;Sbit HREF=P62;Sbit CSB=P63Sbit WEB=P64Sbit OEB=P65Sbit A1=P66Sbit A2=P67Sbit A3=P504.2主体程序框图首先由单片机向OV5017写控制指令，进行初始化设置，包括帧频和数据传输方向单片机系统初始化配置端口CCD芯片初始化判断接收CCD选择数据输出接收存储数据NY主程序部分图4.1 主程序框图的设置。帧参数的设置：F120分别控制OV5017的A3，A2，OEB端口，选中frctl寄存器，进行频率设置。这时便可通过p0端口向OV5017输入频率的初始设定值，为方便，我们可设定为1HZ。读输出的视频信号：主要是读OV5017的VPORT寄存器。选中VPORT寄存器。使得OV5017的数据发往主控芯片。4.3向内部寄存器写数设置帧频对于帧频的设置，可对芯片内部帧频设置寄存器FRCTL进行设置其默认值为XX00000000即帧频为50，为了方便操作将其设置为1HZ,即XX110001.其帧频计算公式如下表4.1时序图时间标号 描述 最大 典型值 最小 单位Twc 寄存器写入中期 - - 100 ns Tcs 片选脉冲宽度 - - 50 ns Tas 地址设置时间 - - 0 nsTah 写周期持续时间 - - 0 nsTwe 写使能脉冲宽度 - - 50 nsTds 写数据设置时间 - - 20 nsTdh 写数据持续时间 - - 0 ns图4.2内部寄存器写时序帧频计算公式:帧频=F0/(FDIV+1)像素频率=f/(FDIV+1)*2F0=f*(458*625) (F0=50；14.318)f为外部晶振频率根据时序图我们可以得出程序Void initFrame（） /*为方便起见将帧频设置为1HZ*/ OEB=1; CSB=0; WEB=0; P7=00110001； A0=0; A1=1;A2=0;A3=0;WEB=1;4.4读芯片视频数据首先要选中vport寄存器，使能OEB在根据，再根据同步信号读数据端口上的数据。读一个像素初始化选中VPORT口Void V1D()/*用于读取一个数据*/char data；/*读取数据存储于此*/CSB=0;/*设置片选*/OEB=0;/*设置输出使能*、A0=0;/*设置地址*/A1=0;A2=0;A3=1;IF(PCLK)/*判断像素数据是否更新*/Data=P7;/*读出数据*/读一行数据Void V1DS()/*用于读取遗憾数据*/char data383；/*定义一个384的8位数组用于存储采集上的数据*/ Char I=0;/*定义循环次数（用于控制调用读取像素点的函数）*/Char j=0;/*data地址位*/For(;i384;i+)/*循环开始*/ Void V1D(); If(href)If (PCLK)DataJ=Data;/*将取出的像素存储于数组中*/J+;上面的程序主要是简单的介绍了，怎样从CCD中取出一个像素的数据，然后怎样循环调用单个像素数据来取出一整行数据，同理取出一帧数据。OV5017芯片内部共有384*288个数据像素，共有384行288列。因此循环调用上面的单行数据即可完成一帧数据的读取。理论上可以实现实时的数据采集。结论研究基于CCD的汽车识