【《低像素图像传感器二值电路的硬件设计案例分析》4700字】

低像素图像传感器二值电路的硬件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u12低像素图像传感器二值电路的硬件设计案例分析 [17]，OV7670自带有源晶振，能够产生12M时钟作为XCLK输入。图1.4OV7670功能框图1.4.2OV7670原理图及引脚功能图1.5是OV7670芯片的原理图，图1.6是FIFO芯片（AL442B）的原理图，将OV7670与AL442B连接在一起引出其中需要与单片机进行连接的引脚，供单片机与摄像头模块进行通信。摄像头引脚功能介绍：D0-D7：数据输出信号；VSYNC：帧同步信号；HREF：行同步信号；PCLK：像素时钟信号；SIO_D：SCCB数据口；SIO_C：SCCB时钟口。图1.5OV7670原理图图1.6AL422B1.4.3OV7670接口电路OV7670摄像头模块为一个整体，将OV7670芯片与FIFO芯片（AL442B）连接在一起，从两个芯片中一共引出18个引脚，其中有8个引脚为数据输出引脚，两个SCCB通信引脚，1个时钟信号引脚，1个帧同步信号引脚，1个接地引脚，1个电源引脚，加上FIFO芯片（AL442B）的读、写、使能等4个引脚，每个引脚都有其对应的功能，其引脚连接图如下图1.7所示。为了实现图像的二值化，数据输出引脚只从D7数据引脚输出，将D7引脚输出的数据经过二值化电路后传输给单片机，单片机对数据进行存储。图1.7摄像头接口电路1.5二值化电路模块1.5.1二值化电路设计原理二值化电路设计是本次设计的一个较为重要的模块，本次设计的主要目的是利用硬件电路实现图像的二值化处理，使用硬件将图像二值化相较于软件可以减少MCU的大量工作，为MCU节省更多的时间来完成其它工作。OV7670摄像头输出方式为并行输出，一次输出8位，对应于像素的范围为0~255，二值化电路的目的就是选定一个合适的阈值th，当像素点小于阈值，二值化电路将其自动转化为0，当像素点大于等于阈值时，二值化电路将其自动转化为1，经过一帧输出后，所有的像素点全部变成0或1，故二值化电路输出一个只有0和1的二维数组，将二维数组输入单片机就实现了二值化图像的保存。其中二值化中有一步就是对于阈值的选取，本文选用的阈值选取方法是利用电阻的分压，将一个光敏电阻与一个可调电阻串联，利用串联分压的原理调试合适的电阻，其电路图如图1.8所示，当光照较强时，光敏电阻的阻值较小，可调电阻分压较大，故阈值电压也较大，同理，当光照较弱时，光敏电阻的阻值较大，可调电阻分压相对较小，故阈值电压也相对较低。利用光敏电阻的阻值变化特性，实现阈值电压的自适应，由于光敏电阻的阻值跳跃较大，为了保证阈值的合理调试，将光敏电阻并联一个可调电阻和一个开关按钮，如需使用该可调电阻，按下开关按钮即可连接。二值化电路除了选取阈值的电路外还有一个重要的器件就是比较器，二值化的过程主要是靠比较器来实现的，阈值连接比较器的负输入端，而从摄像头D7口输出的信号连接比较器的正输入端，当摄像头输出电压大于阈值电压，比较器输出端输出高电压1.3V，当摄像头输出电压小于阈值电压是，比较器的输出电压输出低电压0V，将比较器输出端连接单片机的P1.0口（同时也是串口2），高电压对应于1，低电压对应于0，故通过比较器和阈值的调试，图像二值化就能够较好的实现。图1.8二值化电路图1.5.2二值化电路原理图及连接图1.9二值化电路原理图由二值化设计原理可以快速画出其电路原理图如上图1.9所示，对于比较器本次设计选用LM339芯片，LM339内部设有四个独立的电压比较器，其输出与TTL、CMOS等可兼容，对于本次设计而言。只需要使用其中的一个电压比较器即可，为此本次选择1号比较器，阈值连接在IN-（4号引脚），摄像头D7输出连接在IN+（5号引脚），3号引脚VCC接1.3V电源，12号引脚GND接地，输出信号OUT1接单片机的P1.0，为了方便利用示波器观察二值化后的输出波形，将输出信号OUT1和GND用排针引出。1.6显示屏模块显示屏本次设计使用的是LCD12864点阵液晶显示屏，其总共20个引脚，引脚图如下图1.10所示，LCD12864的主要参数有：工作电压（VDD）：1.3V或者5V；驱动电压（VO）：0~7V；逻辑电平：2.7~5V图1.1012864引脚图LCD12864引脚定义：VSS：电源地；VDD：电源；VO：驱动电压；RS：片选信号；R/W：读写选择；E：使能信号；DB0-DB7：数据口；PSW：并/串行接口选择；RST：复位信号；A：背光源正极；K：背光源负极；对12864引脚有了一定的了解后就可以画出12864的引脚接口电路图，如下图1.11所示，对于显示屏的接口电路在此做了一点小小的扩展，此接口不但能够连接12864，还能够连接TFT和和LCD1602，一个接口经过扩展改变变为能够连接3种显示屏的接口，可以满足不同电路对于不同显示屏的需求。图1.1112864接口电路图原理图1.7电路测试模块对于任何设计，都存在理论和实践的差别，理论上可行的对应于实物却不一定可行，且对于制作电路来说，还包括许多其它各种各样的影响，包括PCB的铺铜布线、元器件的焊接、元器件是否损坏等等，许多都是很难发现很难避免的事情，故本次设计加入了一个单片机测试模块，其原理图如下图1.12所示，将单片机的P5.5脚连接一个LED灯，对于制作完成的电路板首先测试单片机是否能够点亮该LED灯，如若LED能够正常被点亮，则单片机没有问题，能够进行正常的供电和程序的下载，如若不能点亮该LED灯，则元器件的焊接或者单片机存在一定的问题，需要对电路板及元器件进行检查，排除故障才能进行后续的其它工作。 图1.12LED测试电路 1.8绘制PCB板原理图画完就需要画PCB板了，在此之前需要给各器件添加封装，器件的封装可以自己画也可以直接查找已有的封装，直接导入，加完封装检查无错误就可以将原理图导入到PCB上。画PCB图主要分为几个步骤：布局、布线、定板大小、补泪滴、铺铜；原理图导入PCB后首先要对整个PCB板进行布局，布局可以使用自动布局也可以手动布局，一般而言自动布局的效果是不太好的，为了达到较好的布局效果，一般选用的都是手动布局或者先自动布局，在自动布局的基础上进行手动布局，一般布局的规则是一个功能模块的器件尽量放在一起，所有模块都放置完成以后在对一些器件进行调整，达到更加美观。布局完成后就需要进行布线，布线和布局一样可以自动布线也可以手动布线，一般而言选用的也是先自动布线后手动布线，在自动布线的基础上进行修改，布线需要注意一些布线的规则，比如注意走线不要往PCB板的边缘走线，布线的长度尽量短以及环路最小规则等等，布局布线完成就可以定下PCB板子的大小了，PCB板不用太大也不能太小，只需要差不多合适能够框住所有器件和走线即可。布局、布线、板子大小都定好之后就可以进行最后的工作添加泪滴和进行铺铜，补泪滴主要是防止机械制板的时候，焊盘或过孔因承受钻孔的压力而与铜膜导线在连接处断裂，需要注意的是，泪滴不能重复添加，若由于某些原因需要对导线进行改动一定要先将泪滴移除。所有工作做完最后就可以