基于摄像头数据采集激光枪自动射击报靶装置的系统设计.docx

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基于摄像头数据采集激光枪自动射击报靶装置的系统设计

摘要…………………………………………………………………………………

ABSTRACT…………………………………………………………………………

第一章绪论…………………………………………………………………………

1.1自动射击报靶装置的作用与意义………………………………………………

1.2自动射击报靶装置发展的现状…………………………………………………第二章系统的方案设计……………………………………………………………

2.1系统设计方案框图………………………………………………………………

2.2方案选择与论证…………………………………………………………………

2.3单元电路设计……………………………………………………………………

2.4系统软件设计流程图……………………………………………………………

第三章OV6620+FIFO模组原理详解………………………………………………

3.1模组基本参数……………………………………………………………………

3.2模组硬件连接图…………………………………………………………………

3.3OV6620时序分析………………………………………………………………

3.4图像数据自动存储………………………………………………………………

3.5图像数据读取方法………………………………………………………………

3.6SCCB总线协议………………………………………………………………

3.7SCCB总线协议的时序分析……………………………………………………

3.8SCCB总线传输实现方法……………………………………………………

3.9AL422B操作方法………………………………………………………………

第四章射击点坐标值的测量………………………………………………………

4.1测量系统的整体方案设计……………………………………………………

4.2水平坐标测量……………………………………………………………………

4.3垂直坐标测量……………………………………………………………………

4.4同步分离电路……………………………………………………………………

4.5前置放大电路……………………………………………………………………

4.6钳位放大电路……………………………………………………………………

4.7高速比较器电路………………………………………………………………

4.8小结………………………………………………………………………………

第五章串口通信……………………………………………………………………

5.1RS-232串行接口标准…………………………………………………………

5.2串口通信的实现………………………………………………………………

5.3小结………………………………………………………………………………第六章误差分析……………………………………………………………………

6.1摄像头自身误差………………………………………………………………

6.2行场误差…………………………………………………………………………

6.3光斑误差…………………………………………………………………………

6.4人为误差…………………………………………………………………………

第七章自动射击报靶装置的组成………………………………………………

7.1系统组成…………………………………………………………………………

7.2软件设计…………………………………………………………………………

第八章结论…………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………

附录…………………………………………………………………………………

致谢…………………………………………………………………………………

自动射击报靶装置

——系统设计

摘要：

本作品主要采用TI公司MSP430F169低功耗单片机为核心的电路板设计开发，制作了一个能够控制激光枪击发、自动报靶及自动瞄准等功能的电子系统。

该作品主要包括图像采集与处理、电机控制和液晶显示三大部分。

数据处理电路模块对摄像头采集的图像进行处理，准确检测出弹着点方位和环数，并将该信息通过串口通信传送给单片机处理，最终将信息送入显示器进行显示；采用ULN2003对两个步进电机进行驱动，再由键盘控制电机转动使之可实现上下、左右扫描，并控制激光二极管发射激光实现准确打靶。

摄像头模组采用的OV6620+FIFO架构，显示部分采用是128×64的LCD显示器。

整个系统具有工作稳定，驱动能力强、超低功耗、方便高效、性价比高等特点。

作者主要负责摄像头模组对靶面图像数据的拍摄及处理，从而测量出相应靶点的坐标值，并将坐标值数据通过串口通信传送至单片机进行处理。

关键词：

MSP430单片机;自动报靶;OV6620;FIFO

Thedevicewhichcanbeusedtoshootandreportthetargetautomatically

Abstract：

ThisworkusesmicrocontrollerMSP430F169astheprocessingcoreofthesystem,createdanelectronicsystemwhichcancontrollasergunshoot,scoreautomaticallyandshootthetargetaccurately.Thisworkmainlyincludesthreeparts:

imageacquisition、processingsystemmotorcontrolandLCDdisplay.Thedataprocessingcircuitmodulecandealwithimagedatafromthecamera,detecttheimpactareaofbearingandringnumberaccurately,andsendthismessageto430F169single-chipthroughtheserialportcommunication,eventuallydisplaytheinformationonthemonitor.Ontheotherhand,theULN2003chipcandrivetwosteppingmotors,thenthekeyboardcancontrolthemotormovetorealisescanningupanddownorsoandmakethelaserdiodelasingtoachieveaccuratetargeting.What’smore,CameramoduleadoptsOV6620+FIFOarchitecture,Displaypartadopts12864LCDdisplay.Thewholesystemhasstrongstability,strongdrivingabilitywithultra-lowpowerconsumption,whichisveryconvenientandefficientwithhighcostperformance.Theauthorismainlyresponsibleforcameramoduleonandprocessingofthetargetimagedata,soastomeasurethecorrespondingtargetcoordinates,andcoordinatesdatatransmittedtoMCUthroughtheserialportcommunicationforprocessing.

Keywords：

MSP430microprocessor；automatictarget-scoring；OV6620;FIFO

第一章绪论

1.1自动射击报靶装置的作用与意义

传统的实弹射击采用人工报靶，存在效率低、安全性差的弊端，甚至可能造成人员伤亡，而且在考核有关人员的业务能力时，实弹射击成绩也是一项重要的参考内容，因此对射击成绩弄虚作假的现象也时有发生。

然而，自动射击报靶装置可以克服这些缺点，提高射击效率，避免报靶时造成人员伤亡，并能自动统计并打印射击成绩，确保射击成绩的真实可靠，实现快速、精确的落点报告。

目前市场上已有类似的报靶系统的产品，但是这些产品有着明显的不足之处，首先是精度不够高，其次是设备复杂易出故障，而本装置性能稳定精确，不易出故障，对于提高射击报靶效率有着良好的实际意义。

这套装置一旦推广开来，意味着我国的军事训练将向实战迈出具有决定意义的一步。

1.2自动射击报靶装置发展的现状

本自动射击报靶装置的控制系统目前采用TI公司MSP430F169低功耗单片机系统，以后应该向小型化方向发展，即向着嵌入式实时系统方向发展。

本装置主要适用于固定靶场的实弹射击自动报靶，也可以方便地携带，不但能用于军事训练，也可用于游戏射击场，适用于部队、公安、武警、民兵、体校等实弹射击训练场及各类娱乐性实弹射击场所，同时也可以用于各类旧射击场所的改造，具有相当广阔的市场前景。

同时，该装置射击寿命长，使用及维修成本低，体积小，方便灵活，可广泛应用于各类射击场所合，具有广阔的推广价值和客观的经济效益。

第二章系统的方案设计

2.1系统设计方案框图

图2-1自动射击报靶系统整体设计框架图

2.2方案选择与论证

2.2.1处理器方案选择与论证

方案一：

采用CPLD可编程逻辑器件作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，还可针对不同的应用进行功能扩展，但仅仅只用该控制芯片实现比较复杂，而且在控制功能的实现上其处于劣势。

方案二：

采用凌阳公司的16位单片机。

该单片机虽然体积小、集成度高、驱动能力强、中断处理能力强，但其功耗稍高，且使用经验较少，故不宜采用。

方案三：

采用TI公司的MSP430F169单片机。

MSP430是超低功耗的单片机，且具有丰富的I/O口和外设，有强大的处理能力，系统工作稳定，且是业内功耗最低的的一款单片机。

为了更进一步实现该打靶装置的功能，MSP430单片机也可结合CPLD可编程逻辑器件一起来实现自动打靶报靶控制，而且在电池供电的打靶装置中，使用该单片机会更加节能。

于是，本设计选用方案三。

2.2.2电机方案选择与论证

方案一：

采用普通直流电机。

普通直流电机虽然价格便宜，但动力不够强，体积大功耗高，难以满足要求，故不采用。

方案二：

采用减速直流电机负责坦克的前进和转向功能，其优点力矩较大，容易控制电机转动速度，但不能精确其转动角度，故不采用。

方案三：

采用步进电机。

步进电机的准确定长步进可方便地实现调速和方向偏转，承载能力强，且可以通过单片机对相数进行控制，实现激光笔的自动复位。

故激光笔转动采用此方案。

2.2.3摄像头方案选择与论证

方案一：

采用ov7620摄像头：

5V供电，每秒30帧图像，每两场作为一帧，1秒钟采集60场图像，有效分辨率达640*480。

方案二：

采用ov6620摄像头，该摄像头有以下优点：

①供电电压低，只需5V或3.3V；②本身的像素分辨率比较低，有效分辨率为288*352；③摄像头本身的帧率比较低，每秒25帧图像；④OV6620是数字摄像头，内部有集成的AD和视频分离模块，可直接接I/O口，不需要其他硬件，利用行场中断直接采集像素数据，非常容易；430单片机，通过配置摄像头寄存器，使摄像头分频，就可以很容易采集到摄像头的图像；⑤视频信号转换在内部进行，可减轻单片机负担。

综上，故采用方案二。

2.2.4显示模块方案选择与论证

方案一：

使用数码管显示。

该方案程序简单，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，不能显示汉字显示功能提示，故不适合本次设计应用。

方案二：

使用液晶屏1602显示。

但显示时1602只能显示两行，且也只能显示字符及数字，不能显示汉字及曲线，不够完善本次设计中功能，故我们放弃选择方案二。

方案三：

使用液晶屏lcd12864，可以显示字母，数字及汉字，而且一次可以显示4行，显示很直观，通过字幕显示光斑环数、方位。

虽然该方案程序较复杂，但显示观察清晰，显示更加直接明白，且可以显示胸环靶图象，故为最佳方案，于是选择方案三。

2.2.5通信模块方案选择与论证

方案一：

采用无线通信方式，通信稳定性差。

方案二：

采用有线通信方式，通信方式稳定，实现简单。

对比之后，我们决定还是采用有线通信模式。

2.2.6选择AL422B做数据暂存器的原因

由于单片机晶振为12M，存储空间为64KB，对于288*352的一帧图像，其静态存储存储速度和存储容量远不能达到要求，而AL422B具有存储体为3M，可存储VGA/CCLR/NTSC/PAL和HDTV等制式一帧图像的信息；独立的读写操作，可接受不同的I/O速率；高速异步串行存取；读写周期为20ns，存取时间：

15ns；输出准许控制（数据跳跃）等特点，故我们选择AL422B作为数据暂存器。

2.3单元电路设计

2.3.1稳压电源电路

采用L7805CV稳压输出5V、L7812CV稳压输出12V，为了节省空间，我们将两块小模块设计在同一电路板上，既简单又使电池得到了充分的应用。

该电路原理图如图2-2所示。

图2-2稳压电源电路（5V）

2.3.2电机驱动电路

驱动步进电机采用的是与之配套的ULN2003大功率达林顿芯片集成电路板,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。

驱动电压为5V。

电路原理图如图2-3。

图2-3驱动电路原理图

2.3.3摄像头模块电路

此模块由OV6620摄像头、FIFOAL422B帧存储芯片和一个与非门芯片74LS00构成，其作用摄像头拍摄图像采集数据并进行数据处理。

如图2-4所示。

图2-4摄像头模块原理图

2.3.4外接矩阵键盘的设计

由于我们持有的430单片机上键盘接的是P1口，而430单片机的I/O口中只有P1、P2口才有外部中断的功能，故可使用外接键盘的方式，将键盘接到P6口，为摄像头采集数据预留中断端口，并减少I/O资源。

如图2-5所示。

图2-5矩阵键盘原理图

2.4系统软件设计流程图

本系统主程序是通过按键控制步进电机的转动来实现激光打靶，再通过摄像头进行数据采集、处理后，准确检测出弾测点方位并将其方位信息用12864显示出来。

其具体流程图如图2-6、图2-7和图2-8所示。

图2-6系统主程序流程图

图2-7电机驱动程序流程图图2-8弹测点监测程序流程图

注：

中断，即对对FIFOAL422B的处理。

本系统软件最关键的是如何让将一帧有效的数据完整地传输到AL422B中，及如何在AL422B中读取数据。

对于第一点，我们采取中断的加法加以完成，即在VSYNC的上升沿产生中断，在中断服务子程序中，打开读写开关P1.7，允许数据写入到AL422B中，VSYNC的下一个上升沿到来时，关闭读写开关P1.7及关闭该中断。

第三章OV6620+FIFO模组原理详解

3.1模组基本参数

板间尺寸：

34mmx34mmx30mm（含镜头高）

定位孔尺寸：

28mm

工作电压：

DC5V±5%

工作电流：

50mA左右

扫描方式：

逐行扫描

最低照度：

2.5luxatf1.4（3000k）信噪比：

>48dB

有效像素：

（H）352x（V）288

数据输出格式：

YCrCb16bit/8bitselectable

60Hz16BitYCrCb4:

2:

2-640x480

60Hz8BitYCrCb4:

2:

2-640x480

RGBRawDataDigitalOutput16Bit/8Bitselectable

SCCB接口：

最大速率支持400kBit/s

YUV输出格式：

支持TV或监视器显示

读取方式：

MCU主动读取FIFO的图像数据

3.2模组硬件连接图

图3-1OV6620+FIFO模组硬件连接图

图3-2OV6620引脚说明图

3.3OV6620时序分析

垂直同步信号VSYN为两个正脉冲之间扫描一帧的定时，即完整的一帧图像在两个正脉冲之间；水平同步信号HREF扫描该帧图像中各行像素的定时，即高电平时为扫描一行像素的有效时间；像素同步信号PCLK为读取有效像素值提供同步信号，高电平时输出有效图像数据，若当前图像窗口大小为352×288，则在VSYNC两个正脉冲之间有288个HREF的正脉冲，即288行；在每个HREF正脉冲期间有352个PCLK正脉冲，即每行352个像素。

这就是VSYNC、HREF、PCLK三个同步信号之间的关系。

3.4图像数据自动存储

为了将OV6620输出的图像信号自动地存入FIFO，只需要通过一个“与非门”就能产生符合FIFO要求的写时序，如图3-3所示。

将帧同步信号VSYN引入MCU中断输入口，复位后WE置0，“与非门”关闭，输出1。

当MCU检测到VSYN下降沿后，WE输出1，打开“与非门”。

当OV6620输出有效像素时，HREF为高，则FIFO的WE为低，写输入全部使能。

PCLK高电平时像素数据有效，PCLK接WCK，根据PCLK的上升沿，即WCK的上升沿，触发FIFO锁存OV6620输出的图像数据。

本章程序详见附录5之OV6620+FIFO构架数据处理程序。

图3-3与非门的接法图

3.5图像数据读取方法

如上分析，图像数据根据硬件逻辑自动存储在FIFO中，MCU只需要对FIFO进行初始化后，就可以通过I/O驱动FIFOWCK输出数据，主动读取。

3.6SCCB总线协议

SCCB（OmniVisionserialcameracontrolbus），即串行摄像机控制总线。

OmniVision公司已经定义和采纳的SCCB总线是一种三线结构的串行总线,用于完成对绝大部分OmniVision系列图像传感芯片功能的控制。

在简化的引脚封装中，SCCB总线可以工作在改进的两线工作方式下。

两线SCCB接口有两条通讯连接线，即SIO_D（数据线）和SIO_C（时钟信号线）。

两线SCCB连接框图如图3-4所示。

图3-4两线SCCB连接框图

3.7SCCB总线协议的时序分析

在SCCB操作中,主设备必须做以下操作:

（1）产生开始/停止信号

（2）在SCL上施加串行时钟

（3）将7位从设备地址，读写位和8位子地址串行放到SDA上。

读的一方必须在确认位时间里拉低SDA，返回一个确认位作为对从设备所写数据的确认。

在写周期OV6620返回确认位，在读周期里，主设备返回确认位，除非读的数据是最后一个字节。

如果读的数据是最后一个字节，主设备并不返回确认位，通知从设备读周期可以终止。

每一字节内，最高位总是先传输。

对于OV6620，SCCB总线通信仅需两个管脚:

SCL和SDA。

SDA设置成开漏双向端口，SCL为高时，SDA上从高到低的转换表示开始。

SCL为高时，SDA上从低到高的转换表示结束。

只有主设备可以产生开始/结束信号。

除了以上两种情况外，协议要求SDA在时钟SCL

位高电平器件保持稳定。

只有当SCL为低时每一位才允许改变状态。

如图3-5、图3-6所示，分别为SCCB总线位传输的时序图和SCCB总线数据传输的时序图。

图3-5SCCB总线位传输时序图

图3-6SCCB总线数据传输时序图

3.8SCCB总线传输实现方法

OV6620支持单个从设备，当只有唯一的从设备时，OV6620ID须置为0XC0（写）和0XC1（读）。

在写周期中，SCCB总线上的第一个字节是选择单个片内寄存器的子地址,第三个字节是读写该寄存器的数据。

写一个未定义的子地址将被忽略。

在读周期中，SCCB总线上的第一个字节是读写该寄存器的数据，子地址用前面的。

读一个未定义的子地址，返回数据不定。

如图3-7所示，为主设备向从设备读写数据的结构图。

图3-7主设备向从设备读写数据的结构图

图3-7主设备向从设备读写数据的结构图

3.9AL422B操作方法

1初始化

上电后，分别给/WRST和/RRST各0.1ms的初始化脉冲，使AL422B初始化。

2复位操作

通常，复位信号可在任何时候给出而不应考虑/WE,/RE,/OE的状态，但是它们仍然要参照时钟信号的输入情况，使它们满足建立时间和保持时间的要求。

如果在禁止时钟周期内给出复位信号，必须要等到允许周期到来后才会执行复位操作。

当/WRST和/RRST均为低电平时，数据的输入和输出均从地址0开始。

3写操作

当/WE为低电平时，在WCK信号的上升沿，数据通过DI0-DI7写入到写寄存器，参照WCK的输入周期，写入的数据须满足建立时间和保持时间的要求。

当/WE为高电平时，写操作被禁止，写地址指针停在当前位置上；当/WE

再次变为低电平时,写地址指针从当前位置开始。

4读操作

当/RE和/OE均为低电平时，在RCK信号的上升沿，数据由DO7-DO0输出。

当/RE为高电平时，读地址指针停在当前位置上；当/RE再次变为低电平时，读地址指针从当前位置开始。

执行读操作时，/OE须为低电平，如/OE为高电平，则数据输出端均为高阻态，且读地址指针仍然同步加1。

/RE和/OE须参照RCK的输入周期，满足建立时间和保持时间的要求。

第四章射击点坐标值的测量

本章主要介绍在实弹射击中对子弹落点坐标的测量。

在枪上安装有一个红色激光器（在实验中用红色激光笔代替），它会在靶面上子弹落点附近的某一固定位置产生一个光点。

实际上，该测量系统的测量对象是光点，通过测量光点位置，可以间接得到子弹的落点。

该系统由摄像头拍摄打靶画面，输出的视频信号经过处理后，得到所需要的一系列信号，然后在CPLD数字电路中完成特定的逻辑运算后，得到落点坐标。

但此坐标仅是初始值，与子弹落点的真实值有一定偏差，故还需要误差校正，详见后面第六章的误差分析。

4.1测量系统的整体方案设计

调整摄像头的焦距，使其恰好能拍摄整个靶面屏幕。

加入红色滤光片的摄像头拍下靶区屏幕画面，输出视频信号，经过同步分离电路，分别得到复合（行）同步信号和场同步信号。

同时，视频信号经过前置放