基于FPGA的存储空间可扩展的高速微型投射器研究.pdf

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1、2016年2月机械设计与制造工程Feb．2016第45卷第2期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．45No．2DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2016．02．005基于FPGA的存储空间可扩展的高速微型投射器研究杨盛亚，谢捷如，崔海华(1．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)(2．南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)摘要：为了提高三维扫描设备的效率和精度，提出了一种基于FPGA的高速微型投射器设计，对投射器的投放速度、存储空间扩展

2、和系统集成度进行优化。首先，使用DLPC300和DLP3000芯片组作为投射器镜头的控制核心，使用CycloneIV系列的FPGA作为系统的控制核心来组成投射器的基本硬件框架。其次，通过扩展SDRAM和SD卡等外围设备来实现投射器可按照一定顺序高速、独立投放多张图像的功能。实验结果表明，该投射器平台可实现l15张／s的8位RGB图像投放，且图像的数量不受限制。镜头驱动部分和系统控制部分的分体设计，减小了投射器前端的体积，实现了投射器在较小的空间中配合完成三维扫描测量的功能。关键词：微型；高速；DLP；SDRAM；SD卡中图分类号：r

3、I'P23文献标志码：A文章编号：2095—509X(2016)02—0027—06电子投影⋯应用起源于20世纪40年代，最早行的实施方案。的投影系统起源于油印胶片系统，后来因其尺寸、质量、功耗、稳定性等局限，人们研制出了基于1硬件系统构成及其工作原理LCD技术的投影机J。虽然基于LCD技术的投影为了提高三维扫描设备的效率和精度，本文提机有所改进，但是其显示亮度随着分辨率的提高和出了一种基于FPGA的高速微型投射器设计。使用时间过长而衰减的特性极大影响了输出图像1．1投射器的硬件系统构成的质量。因此，基于DLP技术的投影显示系微型结

4、构光投射器系统设计方案采用控制系统应运而生。统和镜头驱动系统分开设计，其硬件电路如图1所基于DLP技术的投射器因其体积小、结构紧示。凑、颜色丰富，同时具有高亮度、高对比度和高显示分辨率的特点，使得其在三维扫描设备中应用广泛。目前在市场上的结构光三维测量设备中，大部分都是采用先采购成品的DLP投射器和相机组合，再配置PC机进行数据处理的方式。这种方式因为所有投放和采集的数据都需要和PC机进行数据传输，所以在很大程度上降低了整个设备的运行效率。基于FPGA的投射器只需要外部给出一个控制指令就可以独立工作，并在投放图像的同图l微型结构光投

5、射器硬件结构图时输出一路触发信号，用于同步相机图像数据的采集。同时FPGA能够扩展外部相机接口，为整个三本文以DLP3000和DLPC300芯片组为核维扫描系统的集成和脱机工作提供了一个切实可心搭建镜头驱动系统电路。DLP3000是一个由数收稿日期：20I5一l2一l8作者简介：杨盛亚(1989一)，男，江苏盐城人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为电工理论新技术。·27·2016年第45卷机械设计与制造工程图像处理的特点是实时性高和数据量大。因时地对SD卡进行数据读写，所以采用SPI模式。为图像数据的处理流程是按照时钟周期

6、逐点进行处理，如果要保证实时性，就要使图像的处理速度赶上甚至超过图像的传输速度，对处理器来说每个时钟需要处理的数据过于庞大，对硬件的要求太高。FPGA内部程序并行运行的特性使得它在图像处理应用中占有很大的优势，可以轻易实现图像处理过程中的空间并行性和时间并行性。比如，图7SD卡示意图FPGA可以将图像分割成多个部分，在一个时钟周期内同时进行运算，等同于多个处理器同时工作，3．2．2SD卡SPI模式初始化流程极大地提高了图像处理的速度。选择SD卡的工作模式最重要的一步是对SD本文采用低功耗、低成本的CycloneIV系列中卡进行初始化

7、。的EP4CE15芯片，其具有15408个逻辑单元、56目前市场上流通的SD卡有很多版本，如吊个18×18嵌入式乘法器和343个通用I／0接口。SDV1、SDV2、SDHCV2等。前两个版本支持的最大3．2SD卡容量只有4GB，因已无法满足日益剧增的大容量需3．2．1SD卡工作模式求而逐渐被淘汰，当前的主流版本为SDHCV2。如SD卡是一个高度集成的闪存，具备串行和随图8所示，通过初始化过程中的反馈数据可以确定机存取的能力。SD卡的控制接口有6根线，分别SD卡的版本，其中涉及到的常用指令如下：CMD0，为：CMD、CLK、DATO～

8、DAT3，如图7所示。SD卡复位命令，令SD卡处于待机(IDLE)状态；CMD8，配有两种工作模式：SD模式和SPI模式。其中，SD置命令，配置一些物理参数；CMD58，状态命令，令模式支持4线高速数据传输，SPI模式支持简单通SD卡