CCD瞄准与定位靶标.docx

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CCD瞄准与定位靶标

本科毕业设计论文

题目：

CCD瞄准与定位靶标

信号发生器的设计

院系：

光电工程学院

学科专业：

测控技术与仪器

学生：

舒东平

学号：

040103115

***********

2008年07日

CCD瞄准与定位靶标信号发生器的设计

摘要

在目视光学仪器系统中，读数精度会受到视觉分辨率和工作人员主观因素的影响。

应用光电测试技术对目视光学仪器进行改造，采用CCD摄像机作为仪器出瞳接收系统对仪器系统进行成像，可以在一定程度上解决目视光学仪器的缺陷，并且实现仪器测量过程的自动化。

当用监视器代替视场对目标进行观测时，在图像中确定定位基准是一个基本问题。

本文以CCD输出的视频信号为处理对象，研究一种在视频信号中生成定位十字分划刻线的技术方案，实现视频信号观测视场中确定定位基准的功能。

通过在CCD摄像机的视频信号上叠加上十字线定位基准，即可组成一种新型的十字线摄像机，此种摄像机在测量上有广泛的应用。

CCD瞄准与定位靶标信号发生器的设计基于视频字符叠加原理。

用CCD采集到的视频信号，识别出场同步和复合同步信号后，利用单片机W77E58控制专用字符叠加芯片MB90092，通过调用外挂字库中存储的十字线及相关字符信息，实现在原有视频图像中叠加上十字分划线。

文中给出了系统方案设计、各个部分电路原理及实现软件控制的主要程序，完成了CCD瞄准与定位靶标信号发生器的设计。

关键词：

单片机系统；视频叠加；MB90092；目视光学仪器；瞄准

DesignofsignalgeneratorusingCCDaimingtechnique

Abstract

Intheformervisualopticalinstrumentsystem,thereadingaccuracyisrestrictedbythesubjectivefactorofthestaff,butinordertoappeasetheaccuracyoftheimagemeasuringandtheaimtargetandsoon,theCCDcameraisusedasthereceivingsystem.Whenthestaffobservestheimagethroughthedisplaymonitororthecomputerdisplay,onekindofanchorpointoranchorlineisneededwhichcansuperimposewiththevideosequencestogether.ThisapparatusisnamelyCCD-aimingandthegenerateroftarget-locatedsignalwhichproducesthecrosswhichisusedaslocationbenchmark.Thispaperistodesignit.

OnenewkindofcrosscameraismanufacturedthroughsuperimposingthecrossanchorpointonvideoinformationoftheCCDcamera.Thiskindofcameraisappliedwidelyinmeasurement.

ThedesignofCCD-aimingandthegenerateroftarget-locatedsignalisbasedontheprincipleofvideocharactersuperposition.AfterdistinguishingtheverticalsyncsignalandthecompositesyncsignalfromthevideowhichisacquiredwithCCD,theMCUW77E58controlsthesuperimpositionchipofMB90092torealizesuperimposingthecross-divisionallineintheoriginalvideothroughtransferringthecrossandthecorrespondingcharacterinformationwhichisstoriedintheexteriormemory.Inthisdissertation,thedesigningblocksofthesystem,thecircuitofeachpartandthemaincomputerprogramwhichimplementscontrolaredescribed.Thewholesystemisachieved.

KeyWords:

videocharactersuperimposition；MB900092；thecrosscamera

中文摘要……………………………………………………………（Ⅰ）

英文摘要……………………………………………………………（Ⅱ）

1绪论…………………………………………………………………

（1）

1.1来源与背景…………………………………………………………………

（1）

1.2研究意义……………………………………………………………………

（1）

1.3国内外研究现状……………………………………………………………

（2）

1.4本文主要研究内容…………………………………………………………

（2）

1.5论文结构和内容……………………………………………………………（3）

2CCD瞄准与定位靶标信号发生器的总体设计方案……………（4）

2.1视频信号……………………………………………………………………（4）

2.1.1黑白全电视信号……………………………………………………（4）

2.2视频字符叠加原理…………………………………………………………（6）2.2.1对字符叠加芯片的要求……………………………………………（6）

2.2.2黑白字符叠加………………………………………………………（7）

2.3视频字符叠加技术发展历程……………………………………………（10）2.4视频字符叠加技术方案…………………………………………………（10）2.5总体方案设计……………………………………………………………（11）

3CCD瞄准与定位靶标信号发生器硬件电路设计………………（13）3.1硬件的设计目标和设计原则……………………………………………（13）

3.1.1硬件的设计目标…………………………………………………（13）

3.1.2硬件的设计原则…………………………………………………（13）

3.2CCD瞄准与定位靶标信号发生器基本电路原理…………………………（14）

3.3视频输入预处理电路……………………………………………………（15）

3.4同步信号分离电路………………………………………………………（15）

3.5字符叠加电路……………………………………………………………（16）

3.5.1MB90092专用字符叠加芯片内部结构……………………………（17）

3.5.2MB90092主要功能特点……………………………………………（17）

3.5.3MB90092专用字符叠加芯片引脚功能……………………………（18）

3.6系统控制电路……………………………………………………………（20）

3.7扩展字库…………………………………………………………………（20）

3.8缓冲驱动电路……………………………………………………………（21）

4CCD瞄准与定位靶标信号发生器系统软件设计………………（22）

4.1系统软件设计的思想和功能……………………………………………（22）

4.1.1软件设计思想……………………………………………………（22）

4.1.2软件的功能设计…………………………………………………（22）

4.1.3程序设计应遵循的原则…………………………………………（23）

4.2单片机控制程序的编写…………………………………………………（23）

4.2.1单片机工作原理介绍……………………………………………（23）

4.2.2单片机控制工作的工作时序……………………………………（23）

4.2.3单片机控制程序的编写…………………………………………（24）

4.3扩展字符库写入的程序设计……………………………………………（26）

4.3.1扩展字符库字符写入……………………………………………（26）

4.3.2制作好的字符在字符库中的存、取格式…………………………（27）

4.4自动聚焦原理的初步研究………………………………………………（28）

4.4.1图像分割的原理…………………………………………………（28）

4.4.2图像识别的原理…………………………………………………（29）

5抗干扰措施与系统调试…………………………………………（30）

5.1抗干扰措施………………………………………………………………（30）

5.1.1视频输入输出电路的防串扰……………………………………（30）

5.1.2控制电路的抗干扰措施…………………………………………（30）

5.1.3印刷电路板的抗干扰设计………………………………………（30）

5.1.4电源的抗干扰研究………………………………………………（30）

5.2系统调试及结果…………………………………………………………（31）

5.2.1电源模块的调试…………………………………………………（31）

5.2.2字符叠加模块的调试……………………………………………（31）

6结构设计…………………………………………………………（32）

7结论………………………………………………………………（33）

致谢…………………………………………………………………（34）

参考文献……………………………………………………………（35）

附录A：

电路原理连接图……………………………………………（37）

附录B:

CCD瞄准与定位靶标信号发生器实物图……………………（38）

附录B：

CCD瞄准与定位靶标信号发生器PCB图……………………（39）

附录C：

CCD瞄准与定位靶标信号发生器主程序……………………（40）

1绪论

1.1来源与背景

随着光电技术的发展，计算机视觉、基于图像处理进行测量等技术得到了蓬勃的发展，CCD与CMOS固体图像传感器及应用也迅速的发展起来。

并且这种固体图像传感器构成的摄像机在各个领域应用已十分广泛，对摄像机的功能要求也越来越高。

为了满足图像测量与目标瞄准等需要，研制一种性能优越、高清晰度且带刻线基准的黑白或彩色摄像机具有一定的实践意义及应用价值。

在以往的目视光学仪器系统中，我们采用在光学系统中安放分划板、玻罗板以及鉴别率板等来进行瞄准定位以及光学测量时，接收器是人眼，其测量数据靠人工记录，如果要进行多次测量，其人眼容易产生视觉疲劳，因此其精度受到工作人员主观因素的限制。

这种传统的方法虽然能满足一定的测量精度要求，但检测工作量大，测量速度慢，工作效率低，工作人员视觉压力大。

而采用CCD摄像机作为接收系统，通过监视器或者电脑显示器来观察图像，原有的光学定位技术不再适用。

这个时候就需要一种外置的、能和图像叠加在一起的定位点或定位线。

本课题即是设计能够满足这种性能的电子产品，即CCD瞄准与定位靶标信号发生器。

1.2研究意义

在现代测量技术的应用上，CCD瞄准与定位靶标信号发生器应用较为广泛，比如在实验室中应用这一项，这种产品就有很大的用处。

通过在普通摄像机的视频信号上叠加上十字线靶标字符图形，即可组成上述提到的这种新型的、性能优越的、高清晰度、带十字线定位基准的黑白或彩色摄像机，它在测量中的瞄准与定位上有着重要的应用。

这种摄像机主要应用于以下几个方面：

可作水准及水准面测量（代替专业贵重的光学或激光水准仪作水准测量）；可做位移变形与倾斜测量；可作物体的表面形貌与立体测量；可定向与定位（如可用十字线定道路、隧道、涵洞建设的方向、以及大型机械与自动生产线等的安装定位）；可用于对目标的瞄准（如军事上将十字线中心用于瞄准目标，根据十字线的四个象限判断目标的方位等）；可估测出目标的距离与大小；可估算出移动目标的运动速度和方向。

具体应用有CCD定位监视系统的显示定位、接插件平行度检测、手机微型马达安装定位指示、测量仪器、PS打孔机、玻璃切割机、工装夹具的定位、多视场多光轴CCD系统中等等。

在光学和光电实验室中，它可用于在光学系统的光轴校正上，可以应用带

十字线靶标定位基准的CCD摄像系统改进一些传统的光学和光电实验，拓展一些新的光电测试手段和方法，促进光学实验室的实验建设。

这对完善现有的实

验条件和实验项目，扩展学生光电仪器设计的知识面，提高同学工程实践技能均有促进作用。

由上看出，普通摄像机叠加上靶标十字线字符图形与视频混合后，其应用就大为增加。

以上所述的靶标十字线摄像机的应用也只是初步的，如我们稍加改装，再配合其它一些相关装置，就可以研制出彩色型、日夜转换型、红外夜视型、自动聚焦型以及各种超小型与隐蔽型等等。

这样随着其功能的扩展，将使这种带十字线定位基准摄像机的应用前景更为广阔。

1.3国内外研究现状

从目前看来，十字靶标分划发生器在国外已有报道，但是国内生产这种靶标发生器的厂家较少。

良好的电十字线靶标发生器产品应具备以下几点：

输入输出接口的通用性；靶标显示位置不会产生漂移；可精确方便地调节靶标的位置；具有靶标亮度调节功能和靶标颜色切换功能；线的粗细达到一定的要求。

在我国国内流通的十字线靶标产品，从货源产地来看，主要可以分为：

国外、中国台湾地区和中国大陆地区。

国外的以S-T公司和东芝泰力为代表，这两者，由于是早期开发，在十字线靶标亮度调节和颜色切换，以及线的粗细调节方面的灵活度受到一定的限制。

中国台湾地区生产的十字线靶标产品具有一定的优越性，如十字线的调节按钮很灵活、很人性化。

但在线条粗细和颜色切换上还需进一步完善。

中国大陆地区生产十字线靶标发生器的厂家较少，其产品一部分是仿照国外品牌开发生产的，在十字线亮度调节或颜色切换，以及线的粗细调节方面的灵活度受到限制。

1.4本文主要研究内容

本课题的研究目的主要是为了能够满足在测量系统中的瞄准与定位要求，所以在设计中，我们主要是通过软硬件相结合的方法解决在视频图像信号上进行字符叠加的问题。

就上述问题，作者主要做了如下的工作:

1、深入了解、学习和研究在视频信号中叠加字符的原理和实现方法；

2、在以往视频字符叠加系统方案的基础上，提出一种适合本课题的系统方案；

3、完成系统方案的具体实现：

整个硬件电路的设计。

4、利用单片机W77E58来控制专用字符叠加芯片MB90092实现叠加十字线的功能；

5、进行系统的软件设计；

6、对整个系统设计的抗干扰措施进行了初步研究；

7、带有十字线的CCD摄像机应用技术的研究。

1.5论文结构和内容

论文分为七章。

第一章为绪论，论述本课题的来源、背景、研究意义、国内外现状以及本课题所做工作。

第二章为系统总体方案设计，介绍相关基本原理，包括视频信号与全电视信号的基础、视频字符叠加原理与几种实现的方法，最终得出适于本系统所采用的方案。

第三章为硬件设计，介绍硬件设计的指导思想，给出了本系统的电路原理图，详细介绍了硬件电路各个部分的设计，包括视频输入预处理、同步信号分离、视频字符叠加处理、系统控制、字符存储器以及缓冲驱动电路的设计。

第四章为软件实现部分，介绍软件的设计思想和功能、各软件模块的功能和实现方法以及系统控制流程图。

第五章是抗干扰措施及系统调试的过程和结果。

第六章为结构设计及设计中的注意措施。

第七章结论是对系统实现功能的评价以及改进的几个方面。

最后是参考文献和致谢。

2CCD瞄准与定位靶标信号发生器总体方案设计

本章主要介绍了视频信号，其中我们只介绍黑白全电视信号，点阵信号与视频信号叠加的基本原理与几种实现方法，介绍了视频字符叠加技术的发展历程以及现代视频字符叠加技术的几种方案，基于此基础上提出了一种适合于本课题的总体设计方案。

2.1视频信号

电视是根据人眼的视觉特性，用电子学的方法，实时地传送活动或静止图像的技术。

一幅图像由许许多多像素组成。

像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。

电视系统中，把构成一幅图像的各个像素传送一遍称进行了一个帧处理，或者称为传送了一帧。

在传送时可以把图像不同位置上具有不同亮度的像素转变成相应的电信号，再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去，接收端接收后又同时进行转换，恢复出原发射信号[1][2]。

现代视频信号分为黑白视频信号和彩色视频信号,它们又都可以分为模拟视频和数字视频，其中模拟视频又可分为标准和非标准视频[3]。

2.1.1黑白全电视信号

电视系统要完成图像信号的传输，不失真的重现原图像，除必须传送图像信号这一主体信号外，为保证收发同步、逆程不显示光栅及隔行扫描均匀嵌套，还必须传送复合同步信号，复合消隐信号，槽脉冲和均衡脉冲信号等辅助信号。

将以上主体信号与辅助信号统称为全电视信号。

黑白全电视信号是研究彩色全电视信号的基础，而我们的系统中处理的是黑白全电视信号，所以我们只对黑白全电视信号进行研究。

摄像机获取图像形成视频信号是采用扫描方式逐行顺序进行的。

由于人眼有一定的视觉惰性和分辩能力，假若在不产生亮度闪烁感觉和保证有足够清晰度的情况下，场扫描频率须在48Hz以上，扫描行数须在500行以上[24]。

根据这些指标，电视信号每秒传送25帧图像，帧周期为40ms。

采用隔行扫描方式，从景物的左上角开始扫描第一行，然后向下移动扫描第二行，直到这场扫描完312行（PAL制），到第313行的一半时，这一场结束，形成一幅奇场图像；从图像的最上部中间开始第313行的后半部扫描，即开始了第二场偶场的扫描，第二场的第一行夹在第一场的相邻行中间，直到625行结束，形成一幅偶场图像，同时由奇场和偶场图像相邻行交叉形成一帧图像[3]。

显然，隔行扫描方式场频为50Hz，场周期为20ms。

隔行扫描的行扫描频率降低到逐行扫描时的一半，结果使信号带宽减小一半，节省了宝贵的通讯资源。

而

每帧画面扫描的总行数是两场扫描行数之和，仍与逐行扫描时相同。

这样，隔行扫描既保持了逐行扫描的清晰度，又达到了降低图像信号频带的目的，因此世界各国都采用隔行扫描的电子扫描方式。

需要强调指出的是，隔行扫描方式要求每帧扫描总行数为奇数。

因为只有这样，在扫描锯齿波电流波形顶点位置对齐的情况下方可使相邻两场均匀嵌套。

隔行扫描方式中，NTSC制式下的场频为60Hz，每帧扫描的行数为525行，PA1制式下的场频为50Hz，每帧扫描的行数为625行，即一帧图像分625行传送，每场传312.5行，行周期为64

s。

为了能够正确地重现图像，要求接收端与发送端同步扫描。

所谓同步是指接收端与发送端的扫描点应有一一对应的几何位置。

实际上只要扫描频率相同、起始位置相同，接收端就可以重现发送端图像，并认为是同步的。

若同步得不到保证，图像就无法正确重现，因此在图像信号中必须加入同步脉冲（亦称同步信号）。

在发送端，每扫完一行图像时，加一个行同步脉冲，每扫完一场图像时加入一个场同步脉冲。

它们与图像信号一起被发送出去。

在接收端，行扫描锯齿波电流只有当行同步脉冲到达后才开始逆程期；而场扫描锯齿波电流也只有在场同步脉冲到达时才开始逆程期。

这样就能保证收、发端扫描电流的频率、相位相同，即保证了同步。

通常将行、场同步信号合称为复合同步信号。

无论是图像的分解还是恢复重现，都需要电子扫描才能完成。

电子束在行偏转电压的作用下从左到右扫描，这是扫描正程，此时要显示图像；从右到左返回到下一行扫描的起点，这是扫描逆程，此时不显示图像。

因此，在回扫时，必须采取措施，否则行或场都将出现回扫线，这将对正程所传送的图像起干扰作用。

所以，电视信号在行扫描逆程需要有行消隐脉冲，在场扫描逆程也需要有场消隐脉冲。

二者合称复合消隐脉冲或复合消隐信号。

这需要发送端在发送图像信号的同时，在逆程期间将消隐信号也发送出去。

为了保证消隐期间能截止电子束，使屏幕变黑，消隐电平幅度必须为黑色电平；行、场消隐信号的周期应分别与行、场扫描周期相同；行、场消隐脉冲的宽度应分别等于行、场扫描的逆程时间。

但在接收端为了确保消除回扫线，实际上消隐脉冲宽度稍有加宽。

因为同步与消隐都出现在行场扫描的逆程，为了能够区分同步脉冲和消隐脉冲，可使同步脉冲电平高于黑色电平。

由于场同步脉冲较宽，因而在场同步期间会使行同步的信息丢失。

这样，在场逆程期间行就可能失步，造成每场开始时的前几行不能立刻同步，因而屏幕显示图像的最上面几行出现不稳定现象。

解决这个问题的办法是在场同步脉冲上加开几个槽，称槽脉冲，且使槽脉冲的后沿（即上升沿）恰好对应于应该出现原行同步脉冲的前沿位置，使槽脉冲起到行同步信号的作用，加入槽脉冲之后就可以保证在场同步脉冲期间可以检测出行同步脉冲。

槽脉冲的宽度与行同步脉冲相同[24]。

由于采用隔行扫描，每场包含半行，在奇数场和偶数场的场同步脉冲前后，行同步脉冲相互错开半行，分布不均衡，此后果会造成并行现象，即偶数场光栅不是均匀镶嵌奇数场光栅间，这将严重降低图像清晰度。

场同步脉冲是通过积分电路分离，如果行同步脉冲相差半行，会使两场的场同步脉冲积分起始电平不同，这会严重影响隔行扫描的准确性。

为了消除误差，使相邻两场的场同步脉冲经积分电路输出后，上升沿延时相等，保证隔行扫描的准确性，在场同步脉冲持续期及其前后若干行内，插入5个均衡脉冲，分别称为前均衡脉冲和后均衡脉冲[25]。

2.2视频字符叠加原理

2.2.1对字符叠加芯片的要求

视频字符叠加属于视频图像叠加的一种，它是在视频信号中混入字符信号，从而在屏幕的特定位置上与图像信号同时进行显示。

本课题中对字符叠加芯片的基本要求如下:

①十字线显示位置不会产生漂移，要在屏幕上稳定的显示所叠加的十字线，叠加的信号必须与图像信号同步。

实现这种同步主要有两种方法。

一种是从视频图像信号中分离出行、场同步信号，叠加芯片内部电路受外来同步信号所控制；另一种是叠加芯片本身产生出行、场同步信号。

在实际应用中可根据具体情况选定，本系统采用第一种。

②可精确方便地调整十字线的位置,要求所叠加十字线能够在屏幕上一定范围内上下左右移动，且十字线移动距离可通过十字分划移动的相对坐标数据读出。

③线的粗细需满足一定的精度要求：

叠加芯片所显示字符图形的大小决定了在垂直方向上所占的行数及水平方向上一行中所占的宽度；所叠加字符的精度决定了构成一个字符的像素的多少。

就目前情况看，字符的点阵结构有多种，常用的有5×7、8×8、6×9、7×9、12×12、12×16、12×18，以及24×32点阵等各种不同精度的结构方式。

④本课题所做的十字线图像有空心模式与实心模式的相互转化。

空心模式时，在十字线的中心有一个像点，这更有利于瞄准定位。

⑤在有些情况下，需具有十字线亮度调节功能或者