基于FPGA的激光筆輔助教學系統設計與實現
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2 系統硬件設計與實現
2．1 無線發射激先筆設計
無線發射激光筆可以產生穩定可靠的激光光點，另外有5個功能按鍵分別發射不同的控制信息。根據設計要求，將激光頭分為按鍵編碼模塊和無線發射模塊。設計框圖如圖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，分別對應數據位D0～D5。當所有按鍵都斷開時，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的數據位為邏輯高電平之外，其他位為低電平。本文引用地址：http://www.cqxgywz.com/article/191271.htm
無線發射模塊的功能是將按鍵信息編碼調制到高頻載波上并發送。載波頻率為315 MHz，調制方式為幅度調制。發射后的信號可由系統的無線接收模塊進行接收并解碼。
2．2 無線接收模塊
無線接收模塊用以接收激光筆發射端的控制信號，它主要包括接收解調和信號解碼兩個部分。為了達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方案，其電路原理如圖5所示。信號通過天線接收，首先經過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構成的選頻網絡產生315 MHz附近的本征振蕩，然后與前級放大后的信號進行混頻。如果本征頻率與315 MHz足夠接近，混頻后將產生低頻分量，該分量即為調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表示鎖存數據輸出，M表示瞬態輸出。這采用PT2272-M6，解碼后的控制信號經FPGA處理后輸出。
2．3 FPGA采集處理及數據傳輸
在系統的總體設計上，采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片作為系統的主控芯片，配合OMNIVISION公司的OV9650數字CMOS圖像傳感器和ISSI公司的IS42S16160B片外SDRAM存儲芯片來構建攝像頭激光點采集處理系統，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行分辨區分，計算出的激光點坐標以及無線接收的控制信息以串口數據的方式發送，經片外CP2102串口轉USB模塊，可使數據通過USB口發送到授課主機。該系統的總體結構方框圖如圖6所示。
FPGA模塊是該系統的核心模塊，它將數據采集、圖像處理、圖像存儲控制、圖像顯示控制、坐標計算及串口傳輸控制等功能集成到一片芯片上。該系統采用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，以滿足系統的所有要求。另外，OV9650攝像頭基于CMOS圖像傳感器技術，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。以上各個參數都可以通過芯片的SCCB接口進行設置。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的系列圖像芯片寄存器進行設置。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量的控制，用戶可以通過SCCB總線對這些寄存器進行讀／寫操作。
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