TI杯电子设计正文1.doc

TI杯电子设计大赛-设计论文所用TI公司（德州仪器Texas Instruments）元器件清单：TMS320LF2407AOPA2340PATPS5430DDATPS5433IDRTLC5510SN74LVC4245 摘 要本设计采用TI公司（德州仪器Texas Instruments）DSP-TMS320LF2407A单片机作为控制核心，主要包括电源模块、无线模块、摄像头图像采集模块、液晶显示模块和语音模块电路组成。由双舵机控制激光枪；利用CCD摄像头作为传感器，通过采集图像识别灰度识别激光枪弹着点，并将信息传输到MC9S12XS128中；MC9S12XS128与TMS320LF2407A通过无线进行通信，DPS主控制器通过通信接口完成寻迹、语音播报环数和方位、液晶显示环数及位置。其中可以通过键盘控制激光打靶，并且可以自动控制激光枪实现自动打靶。实验表明该系统基本达到了设计的各项要求。 关键词： 自动 射击 识别 智能 ABSTRACTThis design uses TI (Texas Instruments Texas Instruments) DSP - TMS320LF2407A MCU as control center, including the power supply module, wireless module, camera, image acquisition module, LCD module, and voice module circuit. Controlled by the dual steering gears laser guns; CCD camera as a sensor, through the acquisition of image recognition grayscale identify the point of impact of the laser gun, and the transmission of information to MC9S12XS128; MC9S12XS128 and TMS320LF2407A by the wireless to communicate to complete the look for the DPS host controller via the communication interface tracks, voice broadcast, ring the number and orientation, LCD ring the number and location. Which can be controlled through the keyboard with laser targeting, and can automatically control the laser guns to automatic shooting. Experiments show that the system has basically reached the requirements of the design.KEY WORDS : automatic shooting distinguish capacity1. 方案设计1.1 总体方案论证与比较1.1.1核心控制电路的论证与选择方案一：FPGA系统实现采用数字电路系统进行逻辑分析，其具有多进程，实时性高，响应触发信号快等优点，可以由目前比较主流的FPGA实现。通过VHDL语言编程，配置FPGA内部逻辑门资源可以实现该设计的逻辑要求关系。但使用FPGA具有编程复杂和电路复杂的缺点。方案二：DSP技术实现该方案基于TMS320LF2407A设计，运用DSP技术，通过摄像头采集光源进行图像分析。其为TI公司(德州仪器Texas Instruments)推出的一款定点DSP控制器。其负责整个系统的控制，包括按键扫描，LCD显示驱动，外置DAC，ADC驱动，大量数据处理等。它采用了高性能静态CMOS技术，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度提高了控制器的实时控制能力；集成了32KB的Flash程序存储器，高达1.5KB的数据/程序RAM，544B双口RAM（DRAM）和2KB的单口RAM（SARAM）。TMS320LF2407A芯片集成了16通道10位500ns的高性A/D转换器；CAN2.0模块；串行通信接口（SCI）模块，16位SPI（串行外部设备接口）模块，WD（看门狗）定时器模块，基于PLL（锁相环）的时钟发生器，高达41个可单独编程和复用的GPIO（通用输入/输出）引脚，5个外部中断（2个驱动保护、复位和2个可屏蔽中断），电源管理具有3种低功耗模式等。数字信号处理器(DSP)技术的发展为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持。由于DSP采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器(一个周期内完成乘法和加法两种运算)、多级流水线操作和专用的DSP指令等方法使其获得了高速并行处理能力，能够实时地完成复杂的控制算法，所以，DSP已成为高性能处理器的首选器件。因TI公司(德州仪器Texas Instruments)推出的DSP控制器简化了外部控制电路，可靠性高，速度快、精度高，所以选第三方案。1.1.2摄像头选择方案方案一：采用CMOS摄像头结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，但是CMOS信号时以点为单元的电荷信号，成像效果略有逊色。方案二：采用CCD摄像头其一般应用于高档数码设备中，比CMOS成像效果好，颜色还原分辨率高，是以行为单位的电流信号，其更为精确。通过比较，选择方案二。1.2选用芯片理由及介绍本设计中使用的主要器件为TI公司（德州仪器Texas Instruments）制造，分别为单电源双路CMOS运放OPA2340PA、开关电源芯片降压转换器TPS5430DDA、TPS5433IDR、A/D芯片TLC5510、CMOS八路总线收发器和位移器 SN74LVC42451.2.1 TPS5430DDA：名称：TI公司（德州仪器Texas Instruments）开关电源芯片作用：为系统提供3.3V电压。特点：此具有5.5V-36V宽输入电压范围，高达3A连续（4A峰值）输出电流。高效率，可达95%，最低输出为1.2V。内部置有慢启动电路，以实现过流保护，还设有电压反馈电路，以改善瞬态响应。并有固定500K的开关速率。1.2.2 TPS5433IDR：名称：TI公司（德州仪器Texas Instruments）非同步降压转换器作用：为系统提供5V电压。特点：具有3.5V-28V输入电压范围，可调输出电压低至0.8V，支持最大3A电流输出，高效率，具有固定570KHZ开关频率，具有过压瞬态保护、限流保护。1.2.3 OPA2340PA：名称：TI公司（德州仪器Texas Instruments）单电源双路CMOS运放作用：制作电压跟随器。特点：轨对轨输入，轨对轨输出，并高速运转。宽带为5.5MHZ，高压摆率为6V/us。2.7V to 5.5V单电源供电，输出电压摆幅在1mv,具有良好的动态响应。1.2.4 MC34063A：名称：升压转换器作用：为系统提供12V电压。特点：是一个含有所需的初级功能的控制电路DC-to-DC转换器.其在3V-40V输入电压下工作，工作频率也从100HZ达100KHZ,该装置由内部温度补偿参考,最大电流可达1.6A。1.2.5 TLC5510名称：TI公司（美国德州仪器Texas Instruments）A/D芯片作用：模数转换特点：它是一种采用CMOS工艺制造的8位高阻抗并行A/D芯片，可提供最小采样率为20Msps的。由于TLC5510采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。1.2.6 LM1881名称：视频同步分离器作用：可以从摄像头的视频信号中分离出行同步、场同步信号、奇偶场信号等特点：AC耦合的复合输入信号，具有复合同步和垂直输出，水平扫描率150Khz,边沿触发。1.2.7 SN74LVC4245名称：CMOS八路总线收发器和位移器作用：将3.3V信号转为5V信号，控制舵机。给激光供电。特点：采用先进的双金属LVC4245的0.5微米CMOS技术，其同相总线包含两个独立的供电轨，高输出驱动，使其信号从3.3V环境翻译到5V环境。2. 单元电路设计2.1 系统框图本系统主要由电源模块、激光发射模块、图像采集模块、控制电路模块、键盘模块、舵机模块、无线传输模块、液晶显示模块，语音模块组成。DSP主控制机舵机模块键盘模块激光模块飞思卡尔芯片图像采集液 晶显示器语音模块无线传输图2-1.系统框图2.2 单元电路设计2.2.1 电源模块本电源模块首选由TI（美国德州仪器公司）推出的开关电源转换芯片，以达到高效、稳定的特点。 TPS5430DDA稳压芯片向DSP主控制器和液晶显示屏供电，DSP主控制器通过SN74LVC4245升压至5V给激光枪供电；用MC34063升压到12V给摄像头供电；采用TPS54331DR升压至5V飞思卡尔主控芯片和舵机供电。这样分配的电源主要是考虑到了不同模块工作时对电源要求的不同，分配图如下：电池电压SSN74LVC42455V摄像头激光枪舵机MC9S12XS128(飞思卡尔主控芯片)DSP主控制器 液晶 显示屏3.3VTPS54331DRMC34063TPS5430DDA5V12V图2-2.电源分配供给图1. TPS5430输出3.3V电压图2-3.TPS5430输出3.3V电压2. TPS5433IDR为提供5V电压图2-4.TPS5433IDR输出5V电压3. MAX34063升压转换，输出12V图2-5.34063A输出12V电压2.2.2 激光发射模块将激光笔改造成激光枪，并把它固定在双舵机上，与DSP主控制器相连。当DSP主控制器给激光枪所接I/O口置高电平时，激光枪发射出激光；当DSP主控制器给激光枪所接I/O口置低电平时，激光枪关闭，停止发射激光。2.2.3 图像采集模块1. CCD摄像头的选取本方案选取了CCD摄像头作为传感器，CCD摄像头分为黑白和彩色，由于彩色摄像头的输出信号比较复杂，不易采集处理，所以本方案采用黑白摄像头，通过识别灰度值来识别激光枪的弹着点，找出胸环靶上的位置。表2-1 摄像头参数表摄像头型号JD13SOB影响制式PAL/NTSC像素PAL：537（H） 597(V)NTSC：537（H） 505（V）同步方式内置同步水平解析度380TV线信噪比48dB(AGC OFF)电子快门1/50(1/60)-1/10000s背景光补偿自动视频输出1.0Vp-p0.25电源DC-12V25% (60mA20mA)图2-6 CCD外观同时，为了得到更好的视频信号，可以将一个电阻串入信号线以得到更高信噪比信号。2. LM1881视频分离电路MC9S12XS128要对摄像头输出的视频信号进行采集，必须将信号中的行同步信号和场同步信号分离出来，作为中断触发信号，使AD模块采集视频信号。LM1881可以从摄像头的视频信号中分离出行同步、场同步信号、奇偶场信号等。图2-7 LM1881外观图2-8 LM1881电路图引脚2位视频信号输入端，经LM1881芯片处理，引脚1输出行同步信号PH5，引脚3输出场同步信号PJ3(1)，引脚7输出奇偶场信号PJ0，引脚5输出滞后行信号5.8s的后肩区同步信号。3. TLC5510外部ADTLC5510是德州仪器生产的一款20M高速八位并行接口ad，其精度高、转换速度快、操作简便、外围电路简单，适合于初学者使用。图2-9 TLC5510外观图2-10 TLC5510参考电压电路2.2.4 键盘模块直接用独立式键盘，其接口设计简单，电路配置灵活，软件实现快捷。且本方案所需按键较少且对操作速度要求较高。软件实现时，采用中断查询方式，实现对舵机上下左右的控制。从而改变激光枪投射在胸环靶上的弹着点。2.2.5 舵机驱动模块 使用SG5010舵机，采用双舵机连接方式，用胶直接把舵机粘在短U型支架上，与DSP主控制器通过SN74LV4245芯片相连。由程序对舵机进行操作，在外部由键盘对舵机进行控制操作。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图 所示。图2-11 舵机的控制要求舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。2.2.6无线传输模块 无线串口模块的作用是代替两个设备间的串口连接导线，以实现无线的数据传送。使用CC1101模块通过无线来连接DSP主控制器和MC9S12XS128单片机，对串口收发操作，单片机不用对模块作任何控制。模块一般成对使用的，以半双工的方式传送数据。成对的两个模块，波特率和通信频道必须设为一样的。无线串口模块默认设置是：通信波特率9600，无线通信频道001。图2-12 无线传输模块2.2.7液晶显示模块使用2864点阵的汉字图形型SMG12864G2-ZK液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标 GB2312 码简体中文字库（16X16 点阵） 、128 个字符（8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（GDRAM）。用8位串行方式与 DSP主控制器直接接口。我们通过激光枪发射激光，由摄像头识别信息并传回DSP主控制器，通过主控制器对12864液晶模块进行控制，使其显示环数以及打在靶上的位置。图2-13 液晶显示模块2.2.8语音模块采用SYN6288合成芯片，其硬件接口简单、低功耗、音色清亮圆润。本模块使主控制器和SYN6288语音合成芯片通过UART接口连接，控制器通过通讯接口向SYN6288语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6288语音合成芯片把接到的文本合成为语音信号输出，输出信号经功率放大后连接到喇叭进行播放。最后播报出激光着点方位及环数。2.3不同功能单元之间的接口设计摄像头扫描激光枪投射在胸环靶上的弹着点光斑，通过飞思卡尔芯片进行扫描，根据灰度值不同，找出弹着点的环数及方位。通过无线模块将环数及方位信息转换为数字信息传送给DSP主控制器。DSP主控器通过通信接口向SYN6288语音合成芯片发送控制命令，SYN6288语音合成芯片把接到信号合成为语音信号输出，输出信号经功率放大后连接到喇叭，从而播放方位及环数。液晶显示采用EDM12864液晶屏，该液晶工作电压3.3V，可以直接与TMS320LF2407A直接相连。键盘通过串口将键值发送给单片机，单片机利用I/0口模拟串口接收键值，并进行相应的处理。舵机带动激光枪实现实现弹着点的改变，是靠键盘通过主控制器而实现的。2.4硬件设计注意事项及窍门1.系统中各组电源输出在连到其它芯片之前最好加一个间距比较近的跳线,这样即可以防止电源芯片配置电阻焊错时输出较高的电压损坏后级器件,又方便在检测完成后使用电烙铁把它短起来。2. 在做改动时,把需要改动的每一项写成列表的形式,改好一项就打上标志,以免有遗漏。3. 特别注意模块及外壳的结构问题,不能有冲突的地方。4. 选取器件时尽可能选择性价比较高,容易采购,有替换品的器件,尽可能减少器件的种类。5. 调试时要把调试中发现的原理问题,布版问题,结构问题,加工问题逐一记录并寻找错误。6. 调试时应该搞清楚各种信号的流向,从可能发生问题的位置向前或向右查,确认信号流经的每一个环节。7. 在调试之前可能把系统的全部功能列个表,逐一测试是否工作正常,每处理完一个功能就打上标志,以免遗漏。3.软件设计 3.1软件算法及流程3.1.1 弹着点原理分析、计算1.AD采集利用外部AD芯片对摄像头信号进行处理，返回8位的数字量，用单片机8位I/O口直接读取每个口的高低电平即可。测试中发现，外部AD比单片机的内部AD有转化周期短、黑白反差较大等优点，而且也比较稳定，很适合用来对摄像头的信号进行转化。2. 图像隔行处理如果全部扫描进行采集，单片机无法处理，调试中我们舍弃了偶场并对奇场进行了处理。只采集某些行列。调试中通过调节所采的行列来保证图像的稳定。3.黑点的提取由于采用外部AD，需要处理的数据量比以往明显加大，如果按照以前一样逐点找黑点所需要的时间会很长，而且由于视场较大杂点会比较多，容易影响后面控制。因此我们采用递推的方法，利用上一行的黑点值推算下一行黑点的大概位置，对一个小范围进行扫描，找出黑点的具体位置。这样既减少了运算时间，又可以滤掉绝大部分杂点。经过反复调试后很稳定。3.1.2激光枪自动控制原理分析将激光管改造成激光枪，连接TMS320LF2407A单片机的一个I/O口。当单片机的此I/O口置高电平时，点亮激光枪；当单片机此I/O口置低电平时，不点亮激光枪。因此，通过单片机对于I/O口的控制就可以精确控制激光枪的通断。图3-1 投射在胸环靶上的弹着点3.2 DSP的程序设计技巧TMS320LF2407A是2000系列中目前应用最为广泛的产品，它在片上不仅具有一个适于进行数字信号处理的高效处理器，而且还集成了存储器和适应控制领域应用的丰富片上外设，从而构成了一个基本的片上计算机系统。除了具有改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还采用高性能静态 CMOS技术，电压降为3.3V，减少了功耗，指令执行速度提高到40MIPS，几乎所有指令都可以在2 5ns的单周期内完成。TMS320LF2407A的基本结构包括中央处理器单元(CPU)、存储器、片内外设与专用硬件电路三个组成部分。本系统硬件平台充分利用TMS320LF2407A控制器的特点采用模块化设计，分为基本电路和扩展控制电路部分。基本电路包括电源电路、复位电路、时钟电路、A/D 输入通道和JTAG仿真电路等。扩展电路包括存储器及译码电路、串行通信SCI与RS-232接口电路、CAN接口电路、SPI功能模块等。系统硬件原理框图如图3-2所示。图3-2 TMS320LF2407A最小系统设计1.最小系统中 DSP2407特点：图3-3 TMS320LF2407A 原理图TMS320LF2407A 原理图如图3-3。TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS技术，似的供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度是得指令周期缩短到33ns，从而提高了实时控制能力。基于TMS320C2xx DSP的CPU核，保证了F240x系列DSP代码与TMS320系列DSP代码兼容。片内有很大的程序存储器以及数据/程序RAM，DRAM，SARAM。拥有较大的可扩展外部存储器。拥有看门狗定时器模块。控制器局域网络（CAN）2.0B模块，串行通信接口（SCI）模块，16位串行外设接口（SPI）模块，使得可以方便的通讯。基于锁相环的时钟发生器，众多的通用I/O引脚，5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。2.最小系统中IS61LV6416的介绍图3-4 IS61LV6416IS61LV6416芯片原理图如图3-4。1）IS61LV6416特点高速存取时间：8，10，12和15纳秒CMOS低功耗操作- 250 mW（典型值）操作系统 - 250W（典型值）待机TTL兼容接口水平3.3V单电源全静态操作：没有时钟或刷新需要三态输出数据控制上限和下限字节工业温度2）描述1+51 IS61LV6416是高速，由16位为65,536字1,048,576位静态RAM组织的。它是使用1+51的高性能CMOS技术制造的。这种高度可靠的过程，再加上创新的电路设计技术，产量与低功耗的8 ns的快速访问时间。当CE为高（取消选择），设备假定备用模式的功耗可通过CMOS输入电平来降低。简易的内存扩展提供通过使用芯片启用输出使能输入，CE和OE。活跃的低写入使能（WE）控制写入和读取的内存。一个数据字节允许上字节（UB）和低字节（LB）访问。3）IS61LV6416功能框图如图3-5。图3-5 IS61LV6416 功能框图3.3编程感想1. 要有整体和局部观念，把程序按功能经行分解，模块化，一个模块一个功能，避免大程序。2. 规划好变量，并按作用域对变量经行分类，有些是函数内部的变量，有些是成员变量，避免全局变量，如果确实需要，采用静态变量。3. 规划好常量，把诸如取值范围、参数变量都作为常量，除非只用一次，否则避免在程序中直接使用具体的数。4. 变量名命名要体现一定的含义，避免随意命名。5. 要设计好实现算法再写代码，否则当发现设计不合理时，更改起来很困难。6. 分析问题要有逻辑，遇到问题要把说有的可能行都找出来，然后逐个分析。7. 程序可以单步执行或连续执行。连续执行是指一条指令执行完后接着连续立即执行下一条，中间不停止。这样程序执行的速度很快。可以看到程序执行的总体效果。即最终结果是正确或错误。但如果程序有错，则难以确认具体出错地方。8. 单步执行指每执行完一条指令后即停止。等待命令执行下一行程序，此时可以观察该条指令执行后得到的实际结果。对比分析是否与预期结果一致。借此可以找到程序中的错误原因所在。这种方式的缺点是需要时间长，排查错误效率很低，尤其当程序很大时。4.作品性能测试及分析4.1 测试仪器：秒表，光源靶，米尺，胸环靶。4.2基本部分要求测试1. 要求：用激光笔改装激光枪，激光枪可受电路控制发射激光束，激光束照射于胸环靶上弹着点的光斑直径5mm；激光枪与胸环靶间距离为3m。 测试结果：激光枪距离胸环靶的距离为3m，着弹点的光斑直径为5mm。 2.要求：激光枪固定在一机构上，可通过键盘控制激光枪的弹着点（用键盘设置激光束在靶纸上上下、左右移动一定距离）。 测试结果：通过键盘可以随意控制激光束在胸环靶靶纸上下、左右移动。 3.要求：制作弹着点检测电路，通过摄像头识别激光枪投射在胸环靶上的弹着点光斑，并显示弹着点的环数与方位信息。其中环数包括：10、9、8、7、6、5、脱靶；方位信息是指弹着点与10环区域的相对位置，包括：中心、正上、正下、正左、正右、左上、左下、右上、右下。测试结果：见下表实际结果测试结果环数区域环数区域10中心10中心9正上9左上8正下8正下7正左6左上6正右6正右5左上5左上脱靶左下脱靶左下7右上7右上9右下8右下8左上8正上6正上6正上错误结果分析：由于是识别由激光枪发出的激光，当激光打在边界是，由于是手画的胸环靶，造成误差，因此会产生