Электронные компоненты: выбор элементной базы и поиск информации в сети Internet. Ч.2. Электронные компоненты для систем технического зрения и цифровой обработки изображений. Учебно-методическое пособие для курсового и дипломного проектирования

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра оптико-электронных приборов и систем

С.Н.Ярышев

Электронные компоненты, выбор элементной базы и поиск информации в сети Internet часть вторая Электронные компоненты для систем технического зрения и цифровой обработки изображений

Учебно-методическое пособие для курсового и дипломного проектирования

Санкт-Петербург 1999

2

УДК 681.78 Ярышев С.Н. Электронные компоненты, выбор элементной базы и поиск информации сети Internet. Часть вторая. Электронные компоненты для систем технического зрения и цифровой обработки изображений. Учебно-методическое пособие для курсового и дипломного проектирования. - СПб, 1999. Приводятся сведения об электронных компонентах, которые используются в системах технического зрения и для цифровой обработки изображений. Описываются способы поиска информации в области производства электронных компонентов по сети Internet. Для студентов специальностей.

оптических

и

оптоэлектронных

направлений

и

Утверждено к изданию Ученым Советом ФОИСТ

Санкт-Петербургский Государственный Институт точной механики и оптики (технический университет), 1999 С.Н.Ярышев, 1999

3

Содержание Введение Дополнительные сведения о возможностях Internet для получения информации Многоэлементные фотоприемники Микросхемы программируемой логики Микропроцессоры и микроконтроллеры Специализированные микросхемы для систем технического зрения Заключение

4

Введение После выхода учебного пособия «Электронные компоненты, выбор элементной базы и поиск информации в сети Internet», вышедшего в 1998 году, автор получил многочисленные отзывы от преподавателей и студентов. В целом издание вызвало интерес, но в связи с тем, что оно посвящено быстроразвивающейся отрасли, часть разделов постоянно требует существенного дополнения. Кроме того, некоторые разделы потребовали более детального освещения, так как они наиболее часто используются студентами при курсовом и дипломном проектировании. В связи с этим было принято решение о выпуске второй части этого учебного пособия с учетом вновь появившейся информации о новых электронных компонентах, а также о тех изделиях микроэлектронной техники, которые по мнению автора, могут иметь наибольший интерес у студентов в процессе работы над курсовыми и дипломными проектами. В первую очередь это касается информации по линейным и матричным твердотельным фотоприемникам и микросхемам их поддержки, компонентам, входящим в системы технического зрения, в том числе микросхемы аппаратного сжатия, а также элементам, позволяющим минимизировать число компонентов в электронной схеме, таким как современные микроконтроллеры и программируемые логические матрицы. При этом, технически сложные компоненты освещены более подробно, чтобы можно было получить достаточное представление об их достоинствах. Дополнительные сведения о возможностях Internet для получения информации Несмотря на разнообразный внешний вид WEB-страниц, базы данных на серверах большинства известных фирм-производителей построены примерно одинаково. Рассмотреть это построение можно, скажем, на примере сайта фирмы Analog Devices. Итак, набрав в строке браузера адрес www.analog.com мы попадаем на стартовую страницу сайта фирмы. Помимо самой общей информации имеются система поиска по различным признакам, раздел новостей и раздел технической поддержки. Как правило, все разделы имеют перекрестные ссылки. Если вы точно знаете название электронного компонента, то его можно непосредственно набрать в строке поиска. После запуска поисковая машина выдаст вам результат по вашему запросу. Обычно это информация обо всех файлах и разделах так или иначе связанных с выбранным вами электронным компонентом. Далее, уже исходя из типа необходимой вам информации вы просматриваете уже более подробно результаты поиска.

5

В случае, если название компонента вам точно не известно, но известно его назначение и, хотя бы приблизительно, основные параметры, то следует воспользоваться древовидной структурой типов элементов, выпускаемых фирмой, которая вас постепенно выведет к нужным изделиям. Такой поиск, естественно, занимает больше времени, однако он очень полезен, так как у вас имеется возможность ознакомиться с многими компонентами, которые удовлетворяют вашим требованиям и выбрать из них лучший. Бывает полезно заглянуть в раздел новостей, где фирма представляет свои последние разработки. Быть может именно они вас устроят больше всего. Информация об электронных компонентах обычно представляется в виде кратких аннотаций и таблицы основных параметров, которые выполнены в виде html-файла и доступны для просмотра непосредственно браузером (например Internet Explorer). На основе этой информации обычно делается вывод о том, имеет ли смысл изучать этот компонент более детально. В случае, если вам требуется более детальная информация по компоненту, то на этих страницах всегда есть ссылки на полное техническое описание (Data Sheet), руководство по применению (Application Notes или User’s Manual), а также примеры использования. Как правило эта более подробная информация представляется не в виде html-страницы, а в виде файла специального формата, который представляет документ в страничном виде, удобном как для просмотра на экране, так и для печати на принтере. Фактически, это книги и статьи в привычном для нас виде. Этот формат предложен фирмой Adobe, а чтение его осуществляется с помощью программы Adobe Acrobat. Все файлы этого формата имеют расширение pdf. Программа Adobe Acrobat распространяется свободно. Ее можно скачать непосредственно с сервера фирмы www.adobe.com после заполнения небольшой формы запроса. Следует отметить, что документы, содержащие подробную информацию о компонентах, могут иметь большое число страниц. Например, руководства по применению микроконтроллеров, часто занимают более пятисот страниц. Более простые микросхемы имеют описания обычно от десяти до пятидесяти страниц. Все зависит от сложности изделия и многообразия его режимов и функций. Формат pdf имеет свойство значительного сжатия информации. Тем не менее размеры файлов могут достигать нескольких мегабайт. При этом, посмотреть документ можно только в том случае, если вами скачан весь файл целиком. Получение больших файлов обычно сопряжено с большой потерей времени. Даже в случае хорошей связи с провайдером этот процесс может потребовать несколько десятков минут. За это время могут возникать временные разрывы связи, которые могут привести к искажениям информации и в результате к невозможности открытия полученного файла.

6

Поэтому для получения больших файлов целесообразно воспользоваться специальными программами, поддерживающими многократное восстановление связи, например REGET или GETRIGHT. Эти программы позволяют скачивать файлы даже в случае многократного выключения компьютера. Единственным условием является возможность поддержки многократной докачки со стороны сервера, что в большинстве случаев имеет место. Следует иметь ввиду, что для обоснованного выбора того или иного компонента иногда требуется просмотреть большое число таких документов. Для этого эти все документы необходимо скачать с сервера фирмы. Это может занять очень много времени в режиме онлайнового доступа в сеть, что часто сопряжено с большими расходами. Есть другой путь. Большинство известных фирм-производителей не жалеет средств для предоставления информации потенциальным покупателям их продукции. В частности, с помощью средств Internet можно заказать краткую информацию и детальную информацию в виде справочников-книг и в виде CDROM. Такая информация практически всегда предоставляется бесплатно, причем, в случае использования почтовых отправлений, фирма-производитель берет на себя и почтовые расходы. Для этого обычно достаточно заполнить небольшую форму запроса, имеющуюся на сайтах фирм-производителей с указанием вашего профиля и места работы, почтового и электронного адреса, информации, которую вы хотели бы получить и способ получения (по почте). Если по каким-либо причинам такой формы на сайте нет, что случается достаточно редко, то можно отправить электронное письмо с запросом. В эффективности такого способа получения информации автор убедился на собственном опыте. За короткое время путем заполнения и рассылки форм и электронных писем с запросами были получены комплекты документации на CD и в виде книг с нескольких десятков фирм включая Intel, Atmel, National Semiconductor, Motorola, Burr-Broun, Microchip, Harris, Linear Semiconductor, Analog Devices, AMD, Zilog, Altera, Texas Instruments, Hitachi, Sony, Toshiba, Sharp, Samsung, Philips, Siemens, STM (бывший Thomson). Следует напомнить, что на одном CD объем документации соответствует нескольким десяткам тысяч печатных страниц. Просмотр документации в виде книг и на CD значительно удобнее, чем в онлайновом доступе через Internet. Единственным недостатком является тот факт, что справочники быстро устаревают и запросы следует время от времени повторять. В случае необходимости для получения дополнительной информации или разъяснения по какому-либо компоненту можно отправить прямо на фирмупроизводитель электронное письмо. На большинстве ведущих фирм имеются службы технической поддержки, осуществляющие связь между потребителями и специалистами фирмы. Так, довольно часто автору приходилось

7

переписываться непосредственно с инженерами-разработчиками тех или иных электронных компонентов. Следует также отметить, что возможным способом получения информации о элементной базе, в частности, замеченных недокументированных особенностях, приемах работы с программным обеспечением отладчиков и просто полезных советов является участие в www-конференциях на темы, близкие к обсуждаемым проблемам. Например, хорошие конференции по элементной базе и, в частности, микроконтроллерам, имеются на сервере московской фирмы Телесистемы (www.ts.aha.ru). Необходимо только иметь ввиду, что в отличие от общения с фирмами-изготовителями, здесь вы будете общаться с пользователями, т.е. разработчиками электронных схем, программистами и просто радиолюбителям. Поэтому ко всей обсуждаемой информации следует относиться критически с учетом того, что человек который предоставляет информацию может иметь недостаточную квалификацию и опыт. Многоэлементные фотоприемники Из всего многообразия многоэлементных фотоприемников наибольший интерес для проектирования оптико-электронных приборов и систем вызывают следующие типы электронных компонентов: - черно-белые матричные ФПЗС; - цветные матричные ФПЗС; - черно-белые линейные ФПЗС; - цветные линейные ФПЗС; - многоэлементные фотоприемники специального назначения - готовые телевизионные камеры (в том числе бескорпусные). - черно-белые и цветные КМОП-фотоприемники; Черно-белые и цветные матричные ФПЗС служат основой для создания телевизионных камер. Среди матричных фотоприемников достаточно рассмотреть продукцию фирмы SONY. Черно белые ФПЗС получили наибольшее распространение в дешевых системах наблюдения. Фотоприемник ICX055АL (рис.1) является типичным представителем телевизионных черно-белых ФПЗС формата 1/3 дюйма. При этом обеспечивается стандартное качество телевизионного изображения. Основные параметры матрицы следующие: - формат матрицы 500 х 582 активных элементов; - размер элемента 9,8 х 6,3 мкм; - размер кристалла 6,0 х 4,96 мм; - диапазон изменения времени накопления от 1/50 до 1/10000 секунды;

8

-

корпус 16-выводный с размерами 12,2 х 11,4 мм.

Матрица имеет строчно-кадровую организацию, то есть элементы накопления расположены непосредственно возле элементов переноса. При этом необходимость в секции переноса отпадает, уменьшается общий размер кристалла и уменьшается число актов переноса заряда. Отличительная особенность матрицы заключается в том, что благодаря особой технологии изготовления фотодиодов, характеристика ее спектральной чувствительности близка к характеристике спектральной чувствительности человеческого глаза, то есть максимум чувствительности приходится примерно на 550 нм (рис. 2). Как результат, изображение, полученное с помощью такой матрицы выглядит на экране монитора значительно естественнее, чем изображение с матрицы, имеющей стандартную спектральную чувствительность кремниевого фотоприемника с максимумом в районе 800 нм. Для обеспечения правильной работы матричного ФПЗС требуется достаточно сложная система управляющих сигналов. В большинстве случаев нет смысла самому разрабатывать схему поддержки. Целесообразно воспользоваться несколькими микросхемами, которые специально разработаны для этой цели (так называемый chipset). Например, для матрицы ICX055AL требуются три таких микросхемы: - CXD2400R – синхрогенератор, выполненный в 48-выводном квадратном корпусе размером 7 х 7 мкм. Эта микросхема формирует все необходимые для работы матрицы логические сигналы; - СXD1250 – преобразователь уровней. Служит для преобразования логических уровней ТТЛ, которые вырабатывает синхрогенератор в логические уровни, необходимые для работы ФПЗС (обычно около 12 В). Микросхема выполнена в компактном 20-выводном корпусе; - CXA1310 – схема аналоговой обработки. Осуществляет преобразование выходного сигнала матрицы в стандартный видеосигнал. Кроме того, в ней имеются блоки, отвечающие за оптимизацию работы всей камеры в целом путем управления работой синхрогенератора. Например, автоматическая регулировка чувствительности камеры производится путем подачи управляющего сигнала с микросхемы CXA1310 на синхрогенератор как результат анализа выходного сигнала с матрицы ФПЗС. Таким образом, микросхему ФПЗС и chipset можно считать единым электронным устройством. Основная причина, по которой они не объединены в одной микросхеме – это разные технологии изготовления самих микросхем, входящих в этот набор. Благодаря хорошим параметрам ФПЗС ICX055AL можно с успехом использовать не только в телевизионных системах наблюдения, но и в измерительных системах.

9

В случае, если число элементов покажется недостаточным, можно воспользоваться матрицами более крупного формата с большим числом элементов. К ним также выпускаются соответствующие микросхемы поддержки. В качестве примера можно рассмотреть матричный ФПЗС ICX085AL (Рис. 3). Этот фотопреобразователь разработан для телевизионных камер телевидения высокой четкости (ТВЧ). Один из используемых стандартов ТВЧ предусматривает 1024 строки разложения при сохранении значения кадровой частоты. В соответствии с этим стандартом полоса частот расширяется с 6 до примерно 20 МГц. ФПЗС ICX085AL имеет следующие основные параметры: - размер фотоприемной области 2/3 дюйма; - число элементов 1300 х 1030; - размер элемента 6,7 х 6,7 мкм; - корпус 20-выводный размером 31 х 20 мм. - Спектральная характеристика чувствительности оптимизирована под спектральную чувствительность человеческого глаза, т.е. имеет максимум на длине волны 550 нм. В качестве схем поддержки для ICX085AL используются следующие компоненты: - CXD2437 – синхрогенератор; - CXD1268 – преобразователь уровня; - CXA2006 – видеоусилитель. Технические данные можно уточнить на сервере фирмы SONY www.sony.com . Цветные матричные ФПЗС служат для построения цветных телевизионных камер. В настоящее время для этого достаточно лишь одного матричного фотоприемника, на элементы которого нанесены по интегральной технологии микроскопические светофильтры. В качестве примера рассмотрим цветной матричный ФПЗС ICX055AK фирмы SONY. Этот фотоприемник практически полностью совместим с чернобелым фотоприемником ICX055AL. Отличия, в основном, касаются схем аналоговой обработки цветного видеосигнала. Для телевидения высокой четкости разработан цветной матричный ФПЗС ICX085AK, который по параметрам и подключению совместим с чернобелым ФПЗС ICX085AL. Черно белые линейные ФПЗС можно использовать в однокоординатных измерительных системах или в сканирующих системах.

10

В качестве примера рассмотрим линейный ФПЗС фирмы SONY ILX503A (Рис.4). Основные параметры этой микросхемы следующие: - 22-выводный корпус с размерами 41,5 х 10 мм; - число фоточувствительных элементов 2048; - размер фоточувствительного элемента 14 х 14 мкм; - встроенный управляющий генератор; - максимальная тактовая частота – 5 МГц. Спектральная характеристика также близка к спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза. Отличительная особенность микросхемы заключается в исключительной простоте схемы включения. Для работы фотоприемника требуется лишь несколько пассивных элементов (конденсаторов) и внешнее питание +5 и +9 В. После этого видеосигнал и тактирующий сигнал можно снять непосредственно с выводов микросхемы. Возможны также специальные режимы работы, например, с внешним тактирующим сигналом. Все перечисленные достоинства делают такой фотоприемник очень удобным для построения малогабаритных измерительных систем. В сочетании с дешевым микроконтроллером, такая система будет иметь отличное соотношение цена/возможности. Если 2048 элементов окажется недостаточно, то имеются черно-белые линейные ФПЗС с числом элементов 4096 и 8192. Технические данные их можно посмотреть на сервере www.sony.com . Цветные линейные ФПЗС обычно предназначаются для использования в сканерах. Примером может служить фотоприемник ILX734K (Рис. 5). Технические параметры этой микросхемы следующие: - число элементов 10500 х 3; - размер элемента 8 х 8 мкм; - корпус 24-выводный размером 113 х 10 мм; - три независимых выхода для каждого цвета; - одно напряжение питания 12 В; Микросхема требует внешнего генератора синхронизирующих импульсов, логика работы которого достаточно проста. Благодаря трем независимым каналам с различной спектральной чувствительностью такой фотоприемник можно с успехом использовать в качестве трехканального однокоординатного измерителя, в котором используются три источника с различным спектром излучения. Большое число элементов в каждом канале позволяет получить очень большой динамический диапазон измерений. Имеются также цветные линейные ФПЗС с меньшим числом элементов. Всю информацию о них можно также получить на сервере фирмы SONY.

11

Многоэлементные фотоприемники специального назначения выпускаются рядом фирм в основном для научных исследований. Среди областей их применения можно выделить астрономические, медицинские исследования, экологический мониторинг, спектральный анализ, космические исследования и многие другие. Эти фотоприемники имеют более высокие технические характеристики по сравнению со стандартными. К таким характеристикам можно отнести следующие: - большой динамический диапазон (отношение максимальной величины сигнала в элементе к среднеквадратическому значению темновых шумов); - большой формат (большое число элементов); - возможность работы в режиме счета фотонов; - высокая стабильность характеристик; - нормированная спектральная характеристика чувствительности; - широкий спектральный диапазон; - возможность работы с большим временем экспозиции. Как правило, одновременного улучшения по всем этим параметрам достичь не удается. Поэтому для каждого конкретного случая следует выбирать конкретное сочетание параметров. В качестве примера мы рассмотрим матрицы производства фирмы EEV (www.eev.com ). Матрица ССD42-80 (Рис. 6) представляет собой фотоприемник на керамической подложке. Кремниевая пластина фотоприемника имеет очень малую толщину. Вследствие этого засветка матрицы производится со стороны, на которой отсутствуют слои диэлектрика и металла. Таким образом, спектральная чувствительность определяется только материалом кремниевой пластины и не зависит от других элементов микросхемы. Такие матрицы носят название ФПЗС с обратной засветкой. Они характеризуются большой стабильностью параметров и характеристик чувствительности. Фотоприемник имеет следующие параметры: - число элементов 2048 х 4096; - размер элемента 13,5 х 13,5 мкм; - размер фотоприемной области 27,6 х 55,3 мм; - тактовая частота считывания сигналов элементов 20 – 1000 КГц; - спектральный диапазон 200 – 1060 мкм; - квантовый выход на длине волны 500 нм - 90%; - динамический диапазон – 50000 (при охлаждении до 188К). Прибор имеет массивный керамический корпус размером 22 х 28 х 77 мм. Внешние цепи подключаются через разъемы.

12

Выпускаются также матрицы меньших форматов в виде традиционных микросхем с 32 выводами. Например, ФПЗС ССD57-10 имеет формат 512 х 512 элементов, CCD47-20 – формат 1024 х 1024 элемента (рис. 7). Обе эти матрицы имеют еще больший динамический диапазон – 60000. Такие высокие технические характеристики достигаются тщательностью соблюдения технологического процесса изготовления на всех его этапах. Соответственно, стоимость таких изделий велика (несколько тысяч долларов). Поэтому использовать их следует только там, где другими средствами получить эти характеристики не удается. Среди линейных ФПЗС следует выделить компоненты этой же фирмы с большим числом элементов, например CCD31-40 имеет 8096 элементов, а CCD21-40 – 12288 элементов. Другой известной фирмой, выпускающей ФПЗС для научных целей является фирма SITe (Scientific Imaging Technologies). Сервер фирмы имеет адрес www.site-inc.com . Интересна матрица форматом 1024 х 1024 элемента SI-003A. Основные ее параметры следующие: - квадратные элементы размером 24 х 24 мкм; - размер изображения 24,6 х 24,6 мм; - динамический диапазон около 70000; - величина эффективности переноса – 0,99999; - квадратный корпус размером 40 х 40 мм - диапазон спектральной чувствительности от 200 до 1100 нм (Рис. 9). Фотоприемник SI-424A имеет 2048 х 2048 элементов (рис. 8). Размер фоточувствительной области – 49 х 49 мм, а динамический диапазон – до 40000. В остальном, параметры и характеристики примерно аналогичны SI-003A. Имеется также фотоприемник ST-002 c форматом 4096 х 2048 элементов со следующими основными параметрами: - размер элемента 15 х 15 мкм, - размер фотоприемной области 31 х 31 мм; - размер секции памяти 31 х 31 мм; - эффективность переноса 0,99999; - динамический диапазон достигает 100000. Существуют специальные матричные ФПЗС, применяемые в электронной фотографии. Основное требование к ним – высокая разрешающая способность. Требование к частоте кадров не является первоочередным. Примером может служить цветной ФПЗС FTF3020C (Рис. 10) фирмы Philips ( www.philips.com) , разработанная для цифровых фотоаппаратов и систем электронного считывания

13

с обычных 36-мм фотопленок. Основные параметры следующие: - формат 3072 х 2048 элементов; - размер фоточувствительной области 36,8 х 25,5 мм; - размер элемента 12 х 12 мм; - скорость считывания до 36 МГц; - динамический диапазон более 72 дБ; - эффективность переноса более 0,999995; - 96-выводный корпус размером 40 х 53 мм.

фотоприемника

Существуют матрицы и с большим числом элементов. Например фирма Philips анонсировала ФПЗС форматом 7000 х 9000 элементов. Однако подробные сведения об этом компоненте пока найти не удалось. Много полезной информации по ФПЗС, например по принципу и особенностям работы, о новинках в этой области, пообщаться со специалистами в конференции можно на англоязычном сервере www.not.iac.es (CCDWorld). Готовые телевизионные камеры и камерные модули целесообразно использовать в том случае, если матричный ФПЗС применяется в стандартном телевизионном режиме. При этом, можно воспользоваться бескорпусными одноплатными камерами. В настоящее время существует насколько стандартных размеров таких камер. Есть камеры с размером платы 24 х 24 мм, 32 х 32 мм, 40 х 40 мм, 50 х 50 мм как цветные, так и черно-белые. В качестве примера рассмотрим некоторые камеры производства петербургской фирмы ЭВС (EVS, Электроника и Видеосистемы). Черно-белая бескорпусная камера М12-32-504А (рис. 11) на основе матрицы SONY ICX-055AL имеет следующие параметры: - размеры 32 х 32 х 20 мм; - число элементов – 500 х 576; - разрешающая способность – 380 ТВ линий, - чувствительность – 0,05 Лк; - Потребляемый ток от источника питания 12 В – 100 мА; - Отношение сигнал/шум – 46 дБ. Цветная камера М12-40-5212 (рис. 12) на основе матрицы ICX055АК состоит из двух плат размером 40 х 40 мм и имеет следующие параметры: - число элементов 500 х 576; - разрешающая способность – 300 ТВ линий; - чувствительность – 1 Лк; - потребляемый ток от источника питания 12 В – 180 мА; - отношение сигнал/шум – 46 дБ.

14

Практически всю информацию о камерах и других изделиях фирмы ЭВС можно найти на сервере www.evs.metrocom.ru . Черно-белые и цветные КМОП-фотоприемники являются совершенно новым классом электронной техники. Принцип действия таких фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте в элементарных МОП-конденсаторах или элементарных фотодиодах, но в отличии от ФПЗС считывание зарядов происходит не с помощью переноса зарядовых пакетов, а путем временного подключения каждой ячейки к адресуемой транспортной шине. Технологически микросхема КМОП-фотоприемника очень похожа на микросхемы динамической памяти, ячейки которой, как известно, тоже состоят из МОП-конденсаторов. Но в отличие от динамической памяти в КМОПфотоприемниках считывается на дискретный, а аналоговый сигнал, сформированный в ячейках в результате фотогенерации. Самым главным достоинством КМОП-фотоприемников является их полная технологическая совместимость с цифровыми КМОП-микросхемами, а также возможность работы от низковольтного источника 5В. Таким образом, появляется возможность создания на одном кристалле как фотоприемника, так и схемы цифровой обработки видеосигнала, включая АЦП, процессор, память и другие устройства. Основным недостатком на сегодняшний день является небольшой динамический диапазон как следствие высокого уровня шумов при передаче сигналов элементов по адресной шине микросхемы. В настоящее время КМОП-фотоприемники выпускают большое число фирм. Среди них выделяется фирма Vision ( www.vvl.co.uk ), выпускающая КМОПфотоприемники с форматом от 120 х 160 элементов до 1280 х 1024 элемента. Малоформатные КМОП-фотоприемники нашли применение в дешевых камерах для видеоконференций в Internet и даже в детских игрушках. Крупноформатные КМОП-фотоприеники используются в системах цифровой обработки изображений, цифровых фотоаппаратах и других изделиях, в системах технического зрения. Рассмотрим КМОП-фотоприемники VV6801 и VV5801 производства фирмы Vision (Рис.13). Отличаются они тем, что первый из них – цветной, а второй – черно-белый. Микросхемы имеют следующие параметры: - формат изображения 1280 х 1024 элемента, - размер элемента 8,4 х 8,4 мкм; - размер фотоприемной области 8,6 х 10,75 мм; - отношение сигнал/шум более 66 дБ; - частота считывания элементов – до 10 млн в сек; - напряжение питания – 5 В; - потребляемая мощность – не более 150 мВт; - корпус 84 –выводный, соответствует стандартному корпусу PLCC-84.

15

К особенностям микросхемы следует отнести наличие внешнего последовательного интерфейса, через который можно осуществлять изменение параметров и калибровку фотоприемника. Другим примером могут служить фотоприеники OV7610 (цветной) и OV7110 (рис. 14) производства фирмы OmniVision ( www.ovt.com ). Фотоприемники имеют следующие параметры: - формат 640 х 480 элементов; - размер элемента 8,4 х 8,4 мкм; - размер фотоприемной области 5,4 х 4 мм; - отношение сигнал/шум – 42 дБ; - Чувствительность 1 Лк для черно-белой и 5 Лк для цветной матрицы; - Напряжение питания – 5В; - Корпус 48-выводный LCC. Основные особенности этого фотоприемника следующие: - наличие встроенного 8-разрядного АЦП, работающих в нескольких стандартах цветного и черно-белого цифрового видеосигнала; - простая схема включения, минимум внешних компонентов; - возможность изменения режима работы и настройка через последовательный порт. Следует отметить, что КМОП-фотоприеники стремительно совершенствуются, поэтому необходимо иметь самую свежую информацию о них. В настоящее время существует тенденция интеграции составных частей системы технического зрения от фотоприемника до получения конечной информации в одном кристалле. Существует предварительная информация о разработке таких приборов, но пока ни одна фирма их официально не представила. Микросхемы программируемой логики Тракт электронной обработки большинства оптико-электронных систем содержит микросхемы цифровой логики. В настоящее время существует альтернатива использования большого количества цифровых микросхем средней степени интеграции в виде БИС программируемой логики. В качестве примера рассмотрим систему цифровой обработки изображения на базе персонального компьютера и телевизионной камеры. Связывающим звеном между этими устройствами служит специальный блок, который носит название плата видеозахвата или фреймграббер. Типичная структурная схема состоит из набора стандартных блоков. Помимо аналогоцифрового преобразователя и микросхемы оперативного запоминающего устройства в него входят следующие блоки (рис. 15): счетчик элементов,

16

счетчик строк, цифровой коммутатор, логика запуска захвата кадра, интерфейс связи с персональным компьютером. Все эти блоки реализуются на стандартных цифровых микросхемах средней степени интеграции, например серии Кр1554 (74АСХХХ). Общее число таких микросхем - более двадцати. В случае применения микросхемы программируемой логики все эти двадцать микросхем можно заменить на одну микросхему, внутренняя структура которой будет соответствовать принципиальной схеме всего блока за исключением микросхем АЦП и ОЗУ. Таким образом, вместо двадцати или тридцати микросхем принципиальная схема блока будет включать в себя всего три микросхемы: АЦП, ОЗУ и микросхему программируемой логики (рис. 16). Лидером в производстве микросхем программируемой логики является фирма Altera ( www.altera.com ). Поэтому этот класс микросхем мы рассмотрим на примере изделий этой фирмы. Имеется несколько семейств микросхем программируемой логики, имеющих некоторые отличия, но вполне достаточно рассмотреть одно семейство – 7000S. Параметры микросхем этого семейства приведены ниже: - число элементарных логических ячеек, которые можно использовать для конфигурирования схемы пользователя - от 600 до 5000; - число выводов микросхемы - от 44 до 208; - число пользовательских выводов, то есть тех выводов микросхемы, которые разработчик может использовать в качестве логических входов и выходов от 36 до 164 (зависит от общего числа выводов и наличия интерфейса JTAG); - время задержки на каждой логической ячейке - от 5 до 20 нс. Следует отметить, что семейство 7000S является средним по параметрам, его целесообразно использовать в экономичных устройствах. Вместе с тем, существуют микросхемы со значительно более высокими параметрами, например FLEX 10K. В этом семействе наиболее сложные микросхемы имеют до 158000 элементарных логических элементов и до 406 пользовательских выводов. Такие микросхемы весьма дороги и использовать их следует в особых случаях. Основное достоинство микросхем семейства 7000S заключается в том, что программирование структуры устройства осуществляется снаружи с использованием одного из стандартов последовательной передачи данных (JTAG), который обычно используется для тестирования электронных устройств. В данном случае этот интерфейс используется для загрузки электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (flash-памяти), которая находится внутри самой микросхемы и определяет структуру всей микросхемы. JTAG-интерфейс состоит из четырех линий связи между микросхемой и устройством программирования. В качестве последнего обычно выступает

17

персональный компьютер. Физически эти четыре линии подключаются к параллельному (принтерному) порту компьютера через очень простую переходную схему, которая носит название Byteblaster. В качестве среды разработки фирма Altera предлагает воспользоваться очень удобным пакетом для проектирования изделий на основе ее микросхем, который носит название MAXPLUS II. Этот пакет представляет собой интегрированную среду для сквозного проектирования всей схемы начиная от разработки принципиальной схемы устройства и заканчивая программированием микросхемы через устройство Byteblaster. Начальный этап проектирования может представлять собой разработку принципиальной схемы в графическом редакторе, который напоминает Orcad или Pcad. То есть, попросту рисуется принципиальная схема в графическом редакторе с использованием изображений логических элементов или целых логических объектов, таких как стандартные цифровые микросхемы TTL-серий. Это особенно удобно, если разрабатываемое устройство уже реализовано в виде микросхем стандартной логики. В этом случае схема просто копируется в графическом редакторе. Другой путь предполагает использование булевой алгебры для формирования всех логических связей между входами и выходами микросхемы. Этот путь более трудоемкий, однако он позволяет провести наибольшую степень оптимизации схемы и является наиболее привычным способом для разработчиков, которые уже долгое время пользуются программируемой логикой. Процесс создание схемы на основе микросхем программируемой логики фирмы Altera включает в себя следующие этапы: 1. Разработка логической или принципиальной электрической схемы устройства на основе простых логических элементов или структур стандартных логических микросхем средней степени интеграции. 2. С помощью пакета MAXPLUS II принципиальная схема изображается в графической форме. 3. В параметрах программы MAXPLUS устанавливается конкретный выбранный тип микросхемы программируемой логики. 4. Запускается режим компиляции схемы. При этом программа проверяет схему на наличие схемотехнических ошибок и готовит файл прошивки для выбранной микросхемы. Если до этого тип микросхемы не был выбран, то программа сама предложит наиболее подходящий тип микросхемы исходя из сложности внутренней архитектуры и числа внешних выводов (входов и выходов).

18

5. Затем, уже исходя из конструктивных особенностей схемы следует изменить номера выводов микросхемы таким образом, чтобы упростить разводку внешних проводников на плате. 6. Начиная с этого момента можно приступать к проектированию и изготовлению печатной платы устройства (или его макетированию). При этом помимо используемых выводов микросхемы следует подключить все выводы общего и питания (а их может быть несколько) а также предусмотреть возможность временного подключения четырех линий связи для возможности прошивки конфигурации через интерфейс JTAG. 7. После изготовления печатной платы или макета следует подключить интерфейс JTAG к микросхеме и, включив питание схемы, запустить режим программирования в программе MAXPLUS. Через некоторое время конфигурационный файл будет перенесен в микросхему и микросхема будет иметь внутреннюю логику в соответствии с исходной скомпилированной схемой. 8. Часто бывает так, что в процессе разработки цифровой схемы допускаются логические ошибки, которые компилятор распознать не в состоянии. При разработке устройств на основе стандартных логических микросхем отладка производится с использованием осциллографов и логических анализаторов. При этом, часто приходится корректировать схему путем внесения физических изменений (перепаивать выводы, добавлять или удалять логические элементы). В случае отладки устройств на программируемой логике можно воспользоваться встроенным логическим анализатором, который покажет все зависимости сигналов друг от друга с учетом временных соотношений. Исправление ошибок производится путем внесения исправлений в исходную схему в графическом редакторе, повторных компиляции и прошивки конфигурационного файла в микросхему. 9. Такие исправления можно производить неоднократно, внося при этом существенные добавления в схему. При этом, вносить физические изменения в схему путем перепайки элементов практически не требуется. В конечном итоге работоспособная схема получается гораздо с меньшими трудозатратами, чем аналогичная, но построенная на основе стандартных логических микросхем. Фирма Altera отличается хорошей технической поддержкой своей продукции. Пакет MAXPLUS можно скачать непосредственно с сервера фирмы. Правда, при этом следует запастись терпением, так как программа инсталляции занимает более 30 Мбайт. После того, как пакет получен, необходимо его зарегистрировать, чтобы открылись все его функции. Для этого следует заполнить имеющуюся на сервере небольшую анкету, где кроме всего прочего

19

необходимо указать серийный номер жесткого диска, на котором предполагается зарегистрировать программу. Через короткое время с фирмы приходит электронное письмо с кодом, который следует внести в файл конфигурации. После этого установленный пакет MAXPLUS готов к работе. Получить дополнительную информацию о микросхемах фирмы Altera можно также на русскоязычном сервере www.altera.ru , а уточнить стоимость микросхем можно, например, в петербургской фирме ЭФО ( www.efo.ru ). Микропроцессоры и микроконтроллеры Современные оптико-электронные приборы часто имеют интеллектуальные функции, такие как изменение режимов работы, удобство управления и отображения информации. Все эти функции возможны при использовании устройств вычислительной техники. В настоящее время на рынке присутствуют огромное количество типов микропроцессоров и микроконтроллеров, которые выпускаются десятками фирм. Напомним, что разница между микропроцессором и микроконтроллером заключается в наличии у последних большого количества периферийных устройств (памяти, устройств ввода\вывода, таймеров, АЦП и т.д.). То есть, одна микросхема представляет собой законченную микроЭВМ. Исходя из коллективного опыта отечественных разработчиков, наиболее перспективными микроконтроллерами являются следующие: - микроконтроллеры семейства MCS-51 различных фирм; - микроконтроллеры семейства PIC производства фирмы Microchip; - микроконтроллеры, совместимые с персональными компьютерами; - одноплатные промышленные компьютеры стандарта PC-104; - сигнальные процессоры. Рассмотрим более подробно эти типы микроконтроллеров. Микроконтроллеры семейства MCS-51 были предложены фирмой Intel и в течение многих лет широко используются разработчиками самых разных классов электронной техники. К сожалению, сама фирма Intel несколько отошла от семейства MCS-51 в сторону более сложных микроконтроллеров. В настоящее время из этого семейства появились только два типа микроконтроллеров, поддерживающих шину USB. В остальном семейство практически не развивается. Более того, наиболее удачная, по мнению автора, разработка фирмы – микроконтроллер 80C51GB в 1998 году был снят с производства. В связи с этим следует обратить внимание на микросхемы других производителей.

20

Фирма Atmel (www.atmel.com) предлагает большое разнообразие микроконтроллеров MCS-51, среди которых следует обратить внимание на микросхемы АТ89С2051 (Рис. 17). Эти микроконтроллеры являются самыми простыми и, соответственно, самыми дешевыми из семейства MCS-51. Использовать их можно в простых микропроцессорных системах управления с предельно низкой стоимостью. Отличительной особенностью является наличие встроенной памяти программ, которую можно многократно перепрограммировать (Flash-память). Микросхема выполнена в компактном 18выводном корпусе и имеет 13 программируемых входов\выходов, таймер, последовательный порт, систему прерываний и встроенное ОЗУ на 128 байт. Такой конфигурации вполне достаточно для построения небольшой системы управления. Единственным недостатком этого микроконтроллера является невозможность подключения внешних микросхем памяти, что можно делать в других микросхемах семейства. Микросхема работает на тактовой частоте до 24 МГц, что соответствует среднему быстродействию около 1,5 млн. операций в секунду. Более подробную информацию можно получить на сервере фирмы или на русскоязычном сервере www.atmel.ru. Микроконтроллеры семейства MCS-51 производства фирмы Siemens интересны другой своей крайностью: они являются наиболее сложными в данном семействе. Следует обратить внимание на микроконтроллер С517А (Рис. 18). Он обладает следующими возможностями: - Внутреннее ПЗУ программ размером 32 Кбайт; - Встроенное ОЗУ объемом 256 байт и дополнительно к нему внутреннее ОЗУ объемом 2 Кбайт, входящее во внешнее адресное пространство; - Три программируемых счетчика-таймера; - 12-канальный 10-разрядный АЦП с внутренней коррекцией, - свыше пятидесяти программируемых входов\выходов; - два программируемых последовательных порта; - многоуровневая система прерываний; - блок обработки событий; - Возможность подключения внешних микросхем памяти программ и данных по 64 Кбайт каждая; - 84 или 100-выводный корпус (Рис. 19); - Разнообразные режимы уменьшения энергопотребления. Немотря на большое количество внутренней периферии и широкие возможности, эти микросхемы относительно недорогие и позволяют создавать сложные устройства управления и обработки информации. В качестве примера использования этих микросхем можно привести блоки управления работой инжекторных двигателей с впрыском топлива автомобилей ГАЗ и ВАЗ. В этих блоках установлены микросхемы С517А или их более старые варианты.

21

Существует более простой вариант этой микросхемы С515А (Рис. 20), основные отличия которой заключаются в уменьшении числа линий ввода\вывода и, соответственно общего числа выводов. У микросхемы С515А корпус 68-выводный. Следует отметить, что эта микросхема является почти полным функциональным аналогом микросхемы 80C51GB, которую фирма Intel сняла с производства. Благодаря наличию внутри процессора относительно большого ОЗУ данных – более 2 Кбайт появляется возможность более удобного программирования этих микроконтроллеров на языке высокого уровня Си. Микросхемы имеют устройство, позволяющее восстановить работоспособность микроконтроллера после возможных сбоев, вызванных, например, мощной электромагнитной помехой или помехой по питанию. Это устройство носит название ждущий таймер (watchdog – в буквальном переводе с английского – сторожевой пес). Технически это устройство представляет собой обычный таймер, который тактируется от задающего генератора, а в ряде случаев и от собственного автономного генератора. Нормально работающая программа должна время от времени сбрасывать этот таймер до того, как он достигнет своего конечного отсчета. В случае сбоя в работе программы в большинстве случаев нарушается периодичность сброса таймера. При достижении таймером своего конечного значения подается сигнал сброса на логику инициализации микроконтроллера. Этот процесс равнозначен аппаратному рестарту микроконтроллера, то есть он начинает свою работу с начального адреса программы. Там самым, работоспособность устройства восстанавливается. Более подробную информацию можно получить с сервера www.siemens.com , однако следует иметь ввиду, что вследствие сложности микросхемы С517А общий объем руководства по применению составит более 500 страниц, а файл в формате pdf – около 5 Мбайт. Микроконтроллеры фирмы Microchip выпускаются под торговой маркой PIC. Выпускается достаточно большая номенклатура микроконтроллеров этой фирмы различной сложности. Объединяет их одна особенность – это программная совместимость по исходному коду программы. Это означает, что программа, написанная для одного контроллера может быть перенесена на микроконтроллер другого типа (обычно более сложный) без существенных изменений. Для написания программ и их отладки для всех типов процессоров PIC используется один программный пакет, который бесплатно распространяется фирмой Microchip и носит название MPLAB. Этот пакет включает в себя редактор для написания текста программ, компилятор, отладчик и программу,

22

позволяющую прошивать микросхему процессора с использованием определенного типа программатора. Общей особенностью всех микроконтроллеров PIC является RISCархитектура, характеризуемая малым набором команд. При этом сложность арифметико-логического устройства процессора резко уменьшается, соответственно уменьшается и общая стоимость изделия. Вместе с тем время выполнения каждой команды составляет всего один машинный цикл. У процессоров PIC система команд составляет всего около 35 различных инструкций. Этот факт иногда не очень нравится программистам, поскольку программа на ассемблере требует большего числа инструкций, чем, например на ассемблере семейства MCS-51. Среди всего разнообразия микроконтроллеров PIC, по мнению автора, наиболее интересными являются самые простые микроконтроллеры. Исключительно низкая стоимость этих типов микроконтроллеров позволяет создавать интеллектуальные устройства при низкой цене. Более сложные микроконтроллеры PIC уже достаточно дорогие и приближаются по стоимости и по возможностям к микроконтроллерам фирмы Siemens. Последние при этом являются более предпочтительными. В качестве примера рассмотрим микроконтроллер PIC16F84 (рис. 21). Микросхема имеет 18 выводов из которых 13 разработчик может использовать по своему усмотрению. Основные параметры этой микросхемы следующие: - используется система команд из 35 инструкций; - электрически перепрограммируемая память программ размером 1К слов; - ОЗУ данных – 36 байт; - Электрически перепрограммируемая память данных 64 Байт; - Встроенный ждущий таймер; - 8-разрядный таймер-счетчик; - Большой диапазон питающего напряжения – от 2 до 6 В; - Малый потребляемый ток (2 мА при 5В и 4 МГц и 60 мкА при 2В и 32КГц). Другим интересным примером являются микросхемы PIC12C671 и PIC12C672 (рис. 22). Обе этим микроконтроллера выполнены в малогабаритном 8-выводном корпусе, при этом 6 выводов могут быть использованы как входы и выходы. Отличаются эти микроконтроллеры только объемом внутренней памяти программ: для 12С671 это 1024 слова, а для 12С672 – это 2048 слов. В остальном эти процессоры имеют одинаковые параметры и возможности: - наличие встроенного задающего генератора на 4 МГц (возможно также подключение внешних задающих генераторов, но это потребует использования двух выводов микросхемы); - четырехканальный 8-разрядный АЦП; - возможность программирования непосредственно в схеме;

23

-

таймер-счетчик; низковольтное питание (от 2,5 до 5,5 вольт); низкое энергопотребление. ОЗУ объемом 128 байт. Характерной особенностью микроконтроллеров PIC являются достаточно мощные выходы, позволяющие непосредственно подключать светодиоды или светодиодные индикаторы. Детальное описание микроконтроллеров PIC можно найти на сервере фирмы www.microchip.com. Там же можно скачать и последнюю версию пакета MPLAB. Целесообразно следить за обновлениями пакета, так как они производятся довольно часто в связи с расширением номенклатуры микроконтроллеров, выпускаемых фирмой. Информацию по продукции фирмы Microchip можно также найти на русскоязычном сервере www.microchip.ru . Микроконтроллеры, совместимые с персональными компьютерами, целесообразно использовать в тех случаях, когда прибор в макетном варианте предстваляет из себя устройство, подключенное к персональному компьютеру. При этом последний выполняет функции устройства управления режимами работы, ввода, обработки и вывода информации. На персональном компьютере пишется и целиком отлаживаютется программное обеспечение всей системы. При чем, в этом случае программное обеспечение может быть настолько сложным, что перенос его на какой-либо из типов микроконтроллеров с другой системой команд может быть нецелесообразен. Затем, когда аппаратура и программное обеспечение уже отлажено, целесообразно перейти на упрощенный вариант персонального компьютера, в качестве которого может выступать ПК-совместимый микроконтроллер или одноплатный микрокомпьютер. В настоящее время фирм Intel выпускает два семейства однокристальных ПК-совместимых микроконтроллеров: семейство 80186/80188 и микроконтроллер 386ЕХ. Семейство 80186/80188 считается в настоящее время устаревшим. Оно базируется на архитектуре персональных компьютеров первого поколения РС ХТ с присущими для них ограничениями. В частности объем адресуемого адресного пространства в них ограничен 1 Мбайтом и используется только реальный режим. Соответственно, программное обеспечение под такой микроконтроллер может быть написано только в среде DOS. Процессор контроллера является 16-разрядным, и на кристалле находятся ряд периферийных устройств, соответствующих периферии персонального компьютера (таймеры-счетчики, последовательные порты и некоторые другие). С другой стороны, на кристалле находятся специфические устройства, в

24

частности параллельные порты и логика выбора кристалла. Следует отметить, что эти микроконтроллеры не имеют встроенной памяти, то есть для базового включения им нужны как минимум микросхемы ПЗУ, ОЗУ и регистры-защелки. Микроконтроллер 386EX (рис. 23) представляет собой 32-разрядное ядро процессора 386 и ряд периферийных устройств, соответствующих периферийным устройствам персонального компьютера. Основное достоинство по сравнению с семейством 80188/80186 заключается в введении защищенного режима и снятия ограничения по объему адресуемой памяти. На этот микроконтроллер можно перенести программное обеспечение, написанное в операционной системе Windows персонального компьютера. Таким образом, микроконтроллер 386ЕХ является практически полным однокристальным аналогом персонального компьютера АТ386. Также как и в семействе 80186/80188 для начального включения потребуются микросхемы внешних ОЗУ и ПЗУ. Несмотря на высокую степень интеграции микроконтроллеры фирмы Intel не являются полными аналогами персональных компьютеров. Помимо внешней памяти для полноценной работы требуется интерфейсы с накопителями на жестких и гибких магнитных носителях, видеоадаптер, интерфейс клавиатуры. Все эти устройства приходится выполнять на дополнительных периферийных микросхемах. В результате вычислительный блок превращается в устройство немногим меньше материнской платы компьютера и при этом намного дороже. Значительно большими возможностями в этом смысле обладает микросхема производства фирмы AMD ( www.amd.com ) ELAN410 (Рис. 24). Этот микроконтроллер построен на базе ядра процессора 486SX (то есть без встроенного математического сопроцессора) и имеет следующие стандартные устройства персонального компьютера: - два последовательных порта; - стандартный параллельный порт; - шину ISA; - интерфейс клавиатуры; - возможность подключения стандартных модулей динамической памяти. Однако, снаружи по-прежнему требуется установка контроллера накопителей и видеоадаптера. Наибольший интерес представляет недавно анонсированный микроконтроллер фирмы National Semiconductor ( www.national.com ) под названием Geode SC1400 (Рис. 25). Основой этого контроллера составляет 64-разрядный микропроцессор, совместимый с Pentium MMX с тактовой частотой 266 МГц. Здесь уместно напомнить, что в состав National Semiconductor входит фирма Cyrix – один из

25

конкурентов фирмы Intel в области процессоров для персональных компьютеров. На кристалле также находится следующая периферия: - 64-битный интерфейс модулей динамической памяти; - видеоадаптер с ускорителем 2D; - контроллер захвата и вывода видеосигнала PAL и NTSC; - контроллер шины PCI; - интерфейс IDE (для подключения жестких дисков и CD-ROM); - интерфейс USB; - аудиопроцессор; - декодер MPEG2; Микросхема имеет размеры 40 х 40 мм и число выводов 680. Данные об энергопотреблении не приводятся. Таким образом, эта микросхема является наиболее полным аналогом персонального компьютера класса Pentium. Еще одним вариантом сохранения совместимости разрабатываемого устройства с персональным компьютером является использование одноплатных промышленных компьютеров, выпускаемых целым рядом фирм. В качестве примера можно рассмотреть одноплатные компьютеры фирмы Advantech ( www.advantech.com ). Эта фирма производит большую номенклатуру одноплатных компьютеров. Среди них есть класс компьютеров, соответствующих промышленному стандарту PC-104. Этот стандарт определяет конструктивные параметры промышленных компьютеров. В основном это касается размеров печатных плат процессорных блоков и плат расширения, а также типом соединяющих разъемов. Так, размеры плат обычно должны соответствовать размерам 146 х 102 мм или 203 х 146 мм. Кроме этого имеется специальный интерфейс расширения PC-104, который по электрическим сигналам соответствует шине ISA, но конструктивно выполнен в виде компактного разъема. Платы, выполненные в стандарте PC-104, обычно соединяются посредством разъемов шины PC-104, причем эти разъемы на платах расположены в одном и том же месте.. При этом, платы устанавливаются параллельно друг другу и вся конструкция напоминает бутерброд. За это сходство семейство компьютеров названо BisquitPC (Рис. 26). Среди всех компьютерных плат рассмотрим плату РСМ-4825/L (Рис.27). Плата выполнена на основе процессора 5х86 с тактовой частотой 133 МГц фирмы AMD. Как и в обычных материнских платах персональных компьютеров в качестве основных микросхем поддержки используется так называемый чипсет. В данном случае используются микросхемы фирмы VIA. Остальные особенности платы следующие; - имеется управление энергопотреблением;

26

-

есть стандартный 72-контактный разъем для установки модуля памяти SIMM объемом до 32 Мбайт; - имеется поддержка твердотельных дисков, то есть аналогов жестких дисков на микросхемах флэш-памяти; - имеется встроенный сторожевой таймер; - имеется встроенный видеоадаптер с поддержкой как стандартного монитора, так и жидкокристаллической панели; - возможна установка на плате контроллера Ethernet (сетевая поддержка); - два последовательных порта, причем, один из них можно переключить в режим RS-485; - стандартный параллельный порт; - контроллер жестких и гибких магнитных дисков; - звуковая подсистема на основе контроллера, совместимого с платой SoundBlaster16; - слот расширения PC-104; - питание от одного источника 5 В; - размеры платы 146 х 102 мм; - установленная на плате микросхема ПЗУ с BIOS; - полная программная совместимость с DOS и Windows. Имеются также и другие процессорные платы стандарта PC-104 на базе процессоров 386, 486 и Pentium. Существует огромное количество плат расширения промышленных компьютеров, выполненных в стандарте РС-104. В качестве примера можно привести следующие платы, выпускаемые той же фирмой: - PCМ-3600 – плата факс-модема; - РСМ-3724 – модуль цифрового ввода/вывода на 48 каналов; - РСМ-3290 – приемник системы глобального позиционирования (GPS); - Большое количество плат АЦП, ЦАП, управления шаговыми двигателями, плат реле и многое другое. Кроме этого, благодаря электрической совместимости с шиной ISA, к промышленному компьютеру через переходную плату можно подключить практически любую плату расширения от персонального компьютера. Производители промышленных компьютеров предлагают также большое количество различных дополнительных узлов, таких как блоки питания, корпуса различных форм и размеров, электронно-лучевые и матричные дисплеи, клавиатуры и мыши. Все эти устройства могут иметь различное исполнение, касающееся условий работы системы. Существуют пылезащитное, влагозащитное, радиационно-стойкое, космическое, военное исполнения. Как правило, с промышленными компьютерами работают следующим образом:

27

-

-

-

-

-

-

-

выбирают тип процессорной платы в соответствии с ориентировочными требованиями к быстродействию и составу периферийных устройств на этой плате. При этом, наибольшее предпочтение отдается платам, а которых содержится максимум необходимых устройств для уменьшения числа внешних плат; выбирают, при необходимости, дополнительные модули расширения из состава стандартных или разрабатываются самостоятельно в стандарте PC104. В последнем случае система может оказаться более рациональной, так как специально созданная плата расширения, возможно, заменит несколько стандартных плат. При этом следует придерживаться всех рекомендаций стандарта PC-104, так как в этом случае коммерческий интерес к ней может быть заметно выше; полученная конфигурация временно дополняется стандартными устройствами, с которым достигается полная аппаратная совместимость с персональным компьютером. Такими устройствами обычно являются монитор, клавиатура, мышь, накопители на гибких и жестких магнитных дисках; полученный аппаратно-программный комплекс отлаживается так же как и персональный компьютер с использованием любого стандартного программного обеспечения по DOS или Windows; пишется и отлаживается программное обеспечение на любом доступном языке программирования; после отладки и проверки работы системы из нее исключаются все лишние блоки, они исключаются из конфигурации путем внесения изменений в BIOS; оставшиеся блоки (возможно, останется только одна плата промышленного компьютера и одна плата расширения) проверяют на работоспособность в автономном режиме; окончательно определяют конструктивное исполнение изделия.

С промышленными компьютерами можно ознакомиться на сервере фирмы Advantech ( www.advantech.com ) а также на сервере его российского представителя – фирмы Prosoft ( www.prosoft.ru ). Имеется также англоязычный сервер посвященный стандарту РС-104 ( www.pc104.com ). Там можно найти информацию о производителях оборудования в этом стандарте, примерах использования, много ссылок на отдельных разработчиков, а также поучаствовать в www-конференции на эту тему. Сигнальные процессоры являются вычислительными устройствами, оптимизированными специально для обработки сигналов. Это значит, что система команд содержит такие инструкции, которые наиболее часто

28

используются для цифровой обработки одномерных и двумерных сигналов, обычно получаемых путем аналого-цифрового преобразования. В случае необходимости вычислительный блок сигнального процессора содержит в своем составе несколько специализированных вычислителей, каждый из которых оптимизирован для работы с небольшим количеством инструкций. Пиковое быстродействие сигнальных процессоров достигает нескольких миллиардов инструкций с плавающей точкой. Однако, наиболее корректным способом оценки быстродействия является определение времени выполнения какого-либо характерного для обработки сигналов алгоритма, требующего больших вычислительных затрат, например двумерного быстрого преобразования Фурье. Сигнальные процессоры обычно работают на высокой тактовой частоте, поэтому внешние микросхемы памяти могут существенно замедлять их работу. Для достижения максимального быстродействия используется только внутренняя память программ и данных, хотя можно подключить и внешние ОЗУ и ПЗУ. Как правило, к сигнальному процессору подключается так называемое загрузочное ПЗУ, содержимое которого копируется во внутреннюю память программ при включении системы. Из-за особенностей системы команд сигнальные процессоры редко применяются как процессоры в системах управления. В случае если система должна обеспечивать обработку сигналов и функции управления обычно используют сразу два процессорных компонента: сигнальный процессор и микропроцессор или микроконтроллер широкого применения. Признанным лидером в производстве сигнальных процессоров является фирма Texas Instruments ( www.ti.com ). Хорошо известны также сигнальные процессоры фирм Analog Devices ( www.analog.com ) и Motorola ( www.mot.com ). В качестве примера рассмотрим два семейства сигнальных процессоров, выпускаемых фирмой Analog Devices. Семейство ADSP-2100 содержит 16-разрядные сигнальные процессоры с фиксированной точкой. Это сравнительно простые и дешевые компоненты содержат до 1 К памяти данных и до 8 К памяти программ. Пиковое быстродействие составляет до 25 млн. операций с фиксированной точкой в секунду. В качестве периферийных устройств имеются последовательные и параллельные порты и возможность подключения к системной шине процессора (хост-порт). Семейство ADSP-21000 содержит значительно более сложные, быстродействующие и дорогие сигнальные процессоры. Отличительной особенностью является то, что эти процессоры работают как с 32-разрядными целыми числами, так и с 40-разрядными вещественными числами. Пиковое быстродействие составляет около 180 млн. операций с плавающей точкой в

29

секунду. Внутренняя память данных может составлять до 544 Кбит и может конфигурироваться под конкретную задачу. Внешняя память может достигать 64 М слов. 1024-элементное комплексное быстрое преобразование Фурье выполняется этим процессором за 0,31 мс. В качестве внутренних периферийных устройств присутствуют параллельные и последовательные порты, хост-порт, таймеры, контроллер прямого доступа к памяти. Среди сигнальных процессоров фирмы Texas Instruments отметим компоненты с наивысшим быстродействием. Процессор TMS320C6701 c пиковым быстродействием до 1 млрд. операций с плавающей точкой в секунду. Процессор TMS320C6201 – 32-разрядный с фиксированной точкой и пиковым быстродействием 1,6 млрд. операций с фиксированной точкой в секунду. Общую информацию о сигнальных процессорах можно, например, найти на англоязычном сервере http://www-dsp.rice.edu/. Краткую информацию на русском языке можно получить на сайте http://servccphtf.stu.neva.ru/products/DSPS/UNIMOD/inform2.htm. Обсудить применение сигнальных процессоров можно в соответствующей конференции на сервере www.ts.aha.ru . Специализированные микросхемы для систем технического зрения Для создания системы технического зрения на основе стандартной телевизионной камеры с аналоговым видеосигналом требуется сначала перевести этот сигнал в цифровую форму. С черно-белым видеосигналом все достаточно ясно – следует взять стандартный АЦП, удовлетворяющий разработчика по числу разрядов (обычно от 8 до 16) и по быстродействию (не менее 20 МГц). Для цветного видеосигнала требуется аналоговая обработка с целью выделения цветовых каналов. В настоящее время цветной оцифрованный видеосигнал стандартизован. Например, согласно стандарту CCIR-601 видеосигнал должен передаваться с тактовой частотой 13,5 МГц по двум параллельным 8-разрядным каналам. При этом, по одному каналу передается оцифрованный сигнал яркости, а по второму каналу – оцифрованный сигнал цветности. Сигнал цветности содержит чередующиеся выборки двух цветоразностных сигналов. Таким образом, сигналы цветности передаются с прореживанием в два раза. АЦП для цветного телевидения выпускает, в частности, фирма Philips. В качестве примера рассмотрим видеопроцессор SAA7111 (Рис. 28). Эта микросхема имеет следующие составные части: - четырехканальный входной мультиплексор видеосигнала; - канал аналоговой обработки видеосигнала; - канал обработки сигналов цветности;

30

-

блок синхронизации; тестовый блок; двухканальный 8-разрядный АЦП; блок управления. Все эти блоки обеспечивают сквозную обработку цветного видеосигнала от аналогового входа до цифрового выхода. Четырехканальный входной мультиплексор позволяет подключить четыре источника видеосигнала и коммутировать их. Блок аналоговой обработки видеосигнала обеспечивает автоматический контроль за параметрами входного видеосигнала. Канал обработки сигналов цветности аналогичен блоку цветности многостандартного цветного телевизора. Этот блок позволяет выделить цветовые составляющие сигнала PAL, SECAM и NTSC нескольких типов. Блок синхронизации обеспечивает формирование синхронизирующих импульсов для внешних блоков, а также обеспечивает общую синхронизацию блоков внутри микросхемы. Блок управления обеспечивает контроль за режимами работы микросхемы со стороны внешнего оборудования через последовательный интерфейс. Микросхема выполнена в 68-выводном корпусе и требует напряжения питания 5В. Несмотря на обилие выполняемых функций схема включения микросхемы очень проста. Требуются лишь пассивные дополнительные элементы, например, кварцевый резонатор, резисторы и конденсаторы в четырех входных аналоговых каналах и фильтрующие конденсаторы по цепям питания. Оцифрованный видеосигнал выводится по шестнадцатиразрядной шине данных. Имеется также контрольный аналоговый выход. Дополнительно имеются выходы синхронизации и выводы последовательного порта управления. Часто конечным результатом цифровой обработки является видеосигнал, который нужно отобразить на мониторе в аналоговом виде. Для этого используются соответствующие ЦАП. Для черно-белого видеосигнала можно воспользоваться стандартной микросхемой ЦАП с необходимой разрядностью и быстродействием. Для цветного видеосигнала целесообразно воспользоваться специализированными микросхемами. Рассмотрим ЦАП для формирования цветного видеосигнала ADV7175, который выпускает фирма Analog Devices ( www.analog.com ).

31

Эта микросхема служит для преобразования цветного оцифрованного видеосигнала стандарта CCIR-601 в аналоговый видеосигнал стандартов PAL или NTSC. Микросхема содержит следующие блоки (рис. 29): - входной цифровой интерполятор цифрового сигнала цветности; - матица преобразования цифровых сигналов яркости и цветоразностных сигналов в цифровые RGB-сигналы (три основных цвета); - блок цифровой обработки цифрового сигнала для получения цифрового композитного сигнала; - три 10-разрядных ЦАП с аналоговыми выходами основных цветов RGB; - 10-разрядный ЦАП для формирования аналогового композитного цветного видеосигнала в стандартах PAL или NTSC; - блок управления с последовательным интерфейсом связи. Таким образом, выходными сигналами могут являться как три компоненты цветного видеосигнала, которые поступают на RGB входы мониторов, так и композитный цветной видеосигнал в стандартах PAL или NTSC, принятых в телевидении и видеотехнике. Микросхема размещена в малогабаритном 44-выводном корпусе, практически не требует внешних элементов и питается от одного источника напряжения 5 В. Часто в качестве вычислительного устройства системы обработки изображения выступает персональный компьютер. В этом случае для эффективной работы следует воспользоваться одним из стандартных высокоскоростных интерфейсов персонального компьютера, например шиной PCI. Как известно, пропускная способность этой шины достигает 132 Мбайт в секунду, что вполне достаточно для передачи оцифрованного видеосигнала. Поскольку задача ввода изображения в персональный компьютер является достаточно распространенной, то существует и элементная база, позволяющая упростить создания таких систем. Одним из лидеров в создании микросхем для обработки изображения является фирма Brooktree ( www.brooktree.com) , которая в настоящее время входит в состав компании Rockwell. Микросхема ВТ848 (Рис. 30) представляет собой устройство состоящее из следующих блоков: - входной аналоговый мультиплексор на три канала; - аналоговый блок цветности PAL/SECAM/NTSC; - два АЦП с частотой квантования до 40 МГц; - Контроллер прямого доступа к памяти; - Контроллер шины PCI; - 24-битный цифровой интерфейс ввода/вывода общего назначения.

32

Микросхема имеет достаточно сложную структуру. Достаточно сказать, что ее техническое описание занимает более 140 страниц и имеет 1,3 Мбайт в формате pdf. Размещена эта микросхема в 160–выводном корпусе, из которых 50 выводов используются для поддержки шины PCI. Микросхема требует соответствующей программной и аппаратной поддержки, характерных для устройств, подключаемых к локальной шине PCI. Режимы работы достаточно многообразны и выбираются программно. Доступны традиционные регулировки параметров изображения (яркость, контрастность, цветовая насыщенность), а также масштабирование. Микросхема требует минимум внешних компонентов, в частности согласующие цепи для трех входных каналов, два кварцевых резонатора. В случае необходимости через 24-битный интерфейс можно управлять внешними по отношению к микросхеме устройствами, которыми могут являться: - дополнительный многоканальный мультиплексор видеосигнала; - блок управления положением и фокусировкой телевизионных камер; - блок управления осветительными устройствами; - блок управления видеомагнитофонами; Благодаря высококачественной аналоговой обработке, АЦП с частотой 40 МГц и высокой пропускной способности шины PCI оцифрованный видеосигнал соответствует качеству S-VHS. Цифровая обработка изображений характеризуется очень большим объемом информации. Достаточно вспомнить что один цветной кадр несжатого видео занимает более 1 Мбайта памяти. Поэтому в этой области очень актуальным является сжатие информации. Алгоритмов сжатия существует довольно много, и все они могут быть реализованы на персональном компьютере программным способом на стандартном процессоре. Однако, ввиду большого объема данных такое программное сжатие требует больших вычислительных ресурсов и, следовательно, время обработки кадра может быть достаточно большим. Это приводит к тому, что процессор может не успевать обрабатывать все кадры в видеосигнале, что приводит к заметным искажениям. Целесообразно воспользоваться одним из существующих вариантов аппаратного сжатия видеосигнала с применением специализированных микросхем. В настоящее время доступны два варианта аппаратного сжатия оцифрованного видеосигнала: - сжатие с помощью Wavelet-анализа; - сжатие в стандарте JPEG.

33

Wavelet-анализ основан на представлении исследуемого процесса (например, видеосигнала) в виде линейной комбинации различных функций, именуемых базисом соответствующего преобразования. Для Wavelet-анализа очень важным является понятие масштаба, под которым следует понимать изменение масштаба времени исследуемой функции. Wavelet-анализ позволяет исследовать каждый масштаб с необходимой и достаточной для него разрешающей способностью. Применительно к обработке изображения алгоритм Wavelet-анализа реализуется в виде набора алгоритмических блоков трех видов: цифровых фильтров низкой частоты, цифровых фильтров высокой частоты и масштабирующих блоков, осуществляющих прореживание оцифрованного сигнала через элемент. В результате такого преобразования получается набор массивов данных, называемых Маллат-блоками, представляющих собой уменьшенные по масштабу кадры изображения в различных сочетаниях прошедших через фильтры высокой и низкой частоты. Следует отметить одну существенную особенность этого набора массивов. Все массивы, кроме последнего, самого маленького по размерности, представляют собой видеоданные, прошедшие через фильтры высоких частот. Следовательно, в них содержится информация о высокочастотных составляющих видеосигнала, что соответствует резким переходам яркости. Как правило, таких переходов в кадрах относительно немного, поэтому внешне эти массивы данных выглядят как графический рисунок на ровном фоне. Такие массивы легко поддаются эффективному сжатию, поскольку содержат большое число повторяющихся элементов (элементов фона). Можно применить, например, алгоритм Хаффмана. Окончательно, сжатый видеосигнал представляет собой набор сжатых с помощью алгоритма Хаффмана Маллат-блоков. Цифровые фильтры высокой и низкой частоты, блоки масштабирования и блок сжатия по алгоритму Хаффмана легко реализуются аппаратно и могут быть выполнены в виде специализированной микросхемы. Микросхема ADV601 фирмы Analog Devices представляет собой блок аппаратного сжатия видеосигнала с помощью Wavelet-анализа (Рис 31). Микросхема способна работать в обоих направлениях, то есть осуществлять как аппаратное сжатие оцифрованного видеосигнала в реальном масштабе времени, так и восстановление оцифрованного видеосигнала из потока сжатых видеоданных. Коэффициент сжатия видеоданных выбирается пользователем исходя из необходимого качества изображения. Технически предусмотрена возможность со сжатием до 350 раз. Однако, сжатие без потерь видеоданных (соответствует формату S-VHS, 450 строк) возможно при коэффициенте сжатия

34

примерно 4 раза. Если достаточно качества видеосигнала, соответствующего формату VHS (240 строк), то коэффициент сжатия должен быть в пределах 20. Для нормальной работы к микросхеме следует подключить следующие элементы (рис. 32): - аналого-цифровой преобразователь, например SAA7111 (см. выше) для ввода аналогового сигнала; - цифро-аналоговый преобразователь, например ADV7175 (см. выше). Он подключается к той же шине, что и АЦП; - вспомогательная микросхема памяти. Используется стандартная микросхема VDRAM, используемая, например, в видеоадаптерах персональных компьютеров; - внешний цифровой канал для приема\передачи сжатого изображения. Последний может представлять собой микропроцессорное устройство на базе 16 или 32-разрядного процессора (например 386ЕХ), через которое транслируются данные во внешний накопитель (например, жесткий диск). Шина данных микросхемы – 32-разрядная. Однако, разработчики предусмотрели возможность подключения к 16-разрядной и даже к 8-разрядной шине путем мультиплексирования. Последний вариант оказался слишком низкоскоростным и фирма не рекомендует его использовать. Остальные параметры микросхемы следующие: - входной сигнал черно-белый или цветной по стандарту CCIR-601; - разрядность оцифрованного черно-белого видеосигнала – 8, 10 или 12; - разрядность оцифрованного цветного сигнала – 8 или 10; - напряжение питания – 5 В; - потребляемый ток – до 0,27 А; - корпус квадратный 160–выводный. Существует также упрощенная версия этой микросхемы под названием ADV601LC, отличающаяся корпусом (120-выводов) и разрядностью оцифрованных видеосигналов, которая ограничена 8 разрядами. Существует также микросхемы ADV611 и ADV612, отличающиеся большим диапазоном коэффициентов сжатия (до нескольких тысяч). Семейство это является новым, поэтому следует ждать выпуска очередных более совершенных микросхем. Информацию о них можно получить по адресу www.analog.com . Альтернативный вариант – сжатие в стандарте JPEG основано на применении дискретного косинусного преобразования. Этот алгоритм более сложен в аппаратной реализации, но он давно известен и широко используется в персональных компьютерах. Общая структура алгоритма следующая: - весь кадр разбивается на квадратные участки (субматрицы) размером 8 х 8 элементов;

35

-

для каждой субматрицы выполняется стандартная процедура дискретного косинусного преобразования путем последовательного выполнения двух матричных перемножений размерностью 8 х 8; - полученная матрица подвергается квантованию. Практически это еще одна операция с матрицей, в результате которой малозначащие элементы превращаются в нули; - после квантования эта матрица размером 8 х 8 элементов специальным образом трансформируется в одномерную последовательность из 64 элементов. Последовательность получена таким образом, что большинство нулевых элементов идут друг за другом; - используется стандартный алгоритм Хаффмана для сжатия этой одномерной последовательности. Благодаря большому количеству одинаковых элементов (в основном, нулей) получается довольно значительный коэффициент сжатия; - указанная последовательность действий выполняется для каждого субблока изображения. Качество сжатого изображения ухудшается с увеличением коэффициента сжатия. Последний можно изменять на этапе квантования. Обычно удовлетворительное качество изображения получается при коэффициенте сжатия не более 10. В противном случае будут наблюдаться искажения в виде выделяющейся квадратной структуры изображения (видно разбиение на субблоки). Техническая реализация аппаратного алгоритма JPEG предложена фирмой Atmel в виде микросхемы АТ76С101 (Рис. 33). Микросхема эта предназначена прежде всего для цифровых фотокамер, цветных принтеров и плоттеров, то есть для работы с отдельными кадрами, а не с видеопоследовательностями. Дело в том, что для обработки видеосигнала в реальном масштабе времени у микросхемы не хватает быстродействия. Включение микросхемы достаточно сложное (Рис. 34). Требуется два независимых ОЗУ, из них одно – размером 32К х 16 для хранения промежуточных данных и другое – для хранения сжатых кадров. Требуется также внешний управляющий микроконтроллер и логика подключения входного АЦП. Остальные параметры микросхемы следующие: - полная совместимость со стандартным форматом JPEG; - максимальная скорость обработки элементов видеосигнала – 1,6 млн. элементов в секунду; - поддержка как цветного, так и черно-белого сигналов; - максимальный размер кадра 1024 х 1024; - кадровая частота при стандартном формате кадра 720 х 480 элементов – 3-4 кадра в секунду;

36

-

микросхема выполнена в 100-выводном корпусе. Эта микросхема является первой в своем семействе, поэтому следует ожидать обновлений информации, которая доступна по адресу www.atmel.com . Заключение В данном учебном пособии даны краткие сведения электронным компонентам, которые часто используются в курсовом и дипломном проектировании для построения систем технического зрения и систем цифровой обработки видеосигнала. Многие из рассмотренных компонентов являются новыми и появились в 1999 году. Однако следует иметь ввиду, что подобная элементная база обновляется очень быстро. Для того, чтобы быть в курсе самых новых разработок в области электронных компонентов, следует регулярно обращаться к источникам информации ведущих фирм – производителей, а также к опыту своих отечественных и зарубежных коллег. Для такого обмена информацией Internet является наиболее удобным средством.