隨著CCD(Charge Coupled Device)越來越廣泛地被應用到工業、軍事、民用行業。采用CCD攝像頭作為裝置的前端
圖像傳感器并結合其他硬件電路對被測圖像信息進行快速采樣、傳輸及數據處理的應用系統正日益受到人們的關注。本文所介紹的是一種帶有CCD攝像器件的視頻信號處理裝置，主要用于投影屏幕上目標點的坐標測量和光標定位。
1．系統總體設計方案
系統總體設計如圖1所示，激光筆發射到被測畫面的光點被CCD攝像器件接收，CCD攝像器件輸出視頻信號給同步分離電路和整形電路。利用同步分離電路后，可從視頻信號中得到行同步信號和場同步信號和奇偶信號，行同步和場同步信號被送到計數電路。視頻信號經過整形電路后得到光信號，光信號也被送往計數電路，計數電路處理后輸出光點的二維位置信息，此信息經單片機處理后由串口傳輸到計算機，計算機通過軟件編程實現光標的定位并模擬鼠標的單雙擊功能。
圖1 電路總體結構圖
2.系統硬件電路設計
2.1整形電路
如圖2所示，CCD攝像器件1輸出的視頻信號被直接傳送到運算放大器4放大，運算放大器4輸出的信號一路作為電壓比較器7的一個輸入，另一路被送到最大值保持電路5，最大值保持電路5主要包括電壓跟隨器5、電容C1、穩壓管Dz1 三個器件，當有信號從電壓跟隨器5A連續輸出時，由于
二極管D1的存在，電容C1不斷充電，電壓不斷增加，直到信號的最大值到來，這時C1的電壓也增加到最大值，之后再有信號到來時由于其電壓達不到加在電容兩端的電壓，因而電容不再充電，電壓保持不變。當圖中所示的場同步信號到來時，穩壓管Dz1反相導通，電容才迅速放電，再有信號從電壓跟隨器5A 輸出，電容又開始重新充電。通過這種設計，便可以從每場視頻信號中提取出最強的信號，并將這個值通過電壓跟隨器6輸出到電壓比較器7的另一個輸入端，電壓比較器7輸出的信號即為從視頻信號中提取出的光信號，并且該光信號存在這樣的特點：對于每一場視頻信號而言，只有當當前信號值大于以往信號值時，光信號輸出為高電平，否則輸出為低電平。視頻信號最大值過后，光信號輸出時刻保持在低電平。在圖2中，電壓跟隨器6相當于一個高輸入阻抗元件，可以防止電容C1放電過快。電源VCC提供一個鉗位電壓。
圖2 整形電路詳細原理圖
2.2同步分離電路
視頻信號是反映圖像內容的電視信號, 它的電壓高低表示圖像像素的明暗程度。由于圖像是隨機性的, 因此視頻信號電平也在一定范圍內隨機起伏。視頻信號是在電子掃描作用下, 由攝像頭將明暗不同的景象轉換為相應的電信號, 然后經信號通道傳送出去。目前在傳送視頻信號時，是把影像信號，消隱信號和復合同步信號三者按一定比例結合在一起發送的。我國采用的電視信號是隔行掃描（PAL）制式（黑白為CCIR）,行頻為15625Hz,行同步脈寬為4.7μs；場頻為50 Hz,場同步脈寬為160μs[1]。
準確分離視頻信號對系統的成功至關重要，在該系統中視頻信號同步分離可以選用芯片LM1881來實現，輸入為滿足CCIR標準的視頻信號，輸出有復合同步信號、場同步信號、奇偶場標志信號。其中，復合同步信號中包含了周期為64μs的行同步信號和場回掃期間的周期為32μs的場均衡信號、場同步信號[2]。
2.3計數電路
2.3.1光信號行計數
選擇20MHz的晶振作為行計數器的計數時鐘脈沖輸入，計數器的時鐘頻率實際上決定了視頻信號每一行的采樣點的數量，即每行水平的數字分辨率。行周期64μs,頻率15625Hz，每行的采樣點為20M/15625=1280，除去行消隱和行同步的時間，每行的有效采樣點可達1000點以上。為了保證計數器不會溢出，需用二進制地址10位，因此我們選擇采用12位計數器。由光信號和場同步脈沖通過與非門接到計數器的清零引腳，由20MHz時鐘信號和行同步脈沖通過與非門接到計數器時鐘脈沖輸入引腳。當光信號到來時計數器開始計數，下一行同步脈沖到來時，會停止計數，同時觸發鎖存器，存儲計數器中的數值，至此就獲得了光點的行坐標。下一場同步脈沖到來時，會將計數器清零，開始新一行的點坐標測量[3]。圖4是實現行計數的波形示意圖。
圖3 行計數的波形示意圖
2.3.2 光信號場計數
場計數的工作原理與行計數類似，只是計數器時鐘脈沖輸入改為行同步脈沖。光信號到來時開始計數，當場同步脈沖到來時停止計數，觸發鎖存器，存儲計數器中的數值，至此就獲得了光點的場坐標。同時場同步脈沖會將計數器清零，開始新一場的點坐標測量。
由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場構成一幀畫面，奇數場掃奇數行，偶數場掃偶數行，所以此時得到的場坐標與實際值之間有較大誤差。為了提高精度，需要確定當前掃描的是奇數場還是偶數場。如果場計數器中的值為n，LM1881的奇偶場標志腳輸出0，則表明當前掃描的是偶數場，光點實際應在第2n行；若輸出1，表明掃描的是奇數場，光點實際應在第2n-1行。
3.單片機串口通信流程
在本系統中使用的單片機是陵陽SPCE061A，它的UART模塊提供了一個全雙工標準的通信口，用于與外設之間的串行通信。在使用SPEC061A的異步串行端口UART實現與PC通信時，由于SPEC061A的I/O電平和PC不一致，要采用一片MAX232進行電平轉換，MAX232的RXD和TXD分別接SPCE061A的IOB10（TX）和1OB7（RX）。
根據RS-232的標準，SPCE061A單片機是按字節傳輸數據的。利用IOB口的特殊功能和UART IRQ中斷，可以同時完成
UART接口數據的接收和發送。SPCE061A單片機串行通信幀結構為：1位啟動位，8位數據位，1位奇偶校驗位，1位停止位。使用UART模塊進行通信時，必須事先分別將管腳I0B7設置為輸入狀態，IOB10設置為輸出狀態。將波特率設置為9600b/s即可滿足本系統實時數據傳輸要求。
初始化的代碼為：
*P_IOB_Dir=0x0400; //IOB0~IOB7初始化為輸入，IOB10為輸出
*P_IOB_Attrib=0x0480;
*P_UART_BaudScalarHigh=0x05; //波特率設置為9600bps
*P_UART_BaudScalarLow=0x00;
*P_UART_Command1=0x0000; //允許接收、發送
*P_UART_Command2=0x00C0;
單片機數據發送程序代碼片段為：
Ret=*P_UART_Command2; //檢查標志位，查看上次數據是否發送完畢
在計算機接收端，由串口1接收單片機發來的數據，采用VB 6.0設計軟件程序，串行通訊利用MSCOMM控件實現[4]。MSCOMM能十分方便地開發出使用計算機串口的計算機通信程序。在本系統中MSCOMM控件采用事件驅動方式從端口獲取數據，軟件處理流程為：打開串口開始接收單片機發送來的數據，首先判斷數據幀的開始字節，是則關閉OnComm接收事件，然后接收數據字節，判斷數據最大最小值，采用坐標轉化算法將接收的坐標轉化為屏幕坐標，最后打開OnComm接收事件，等待下一次OnComm事件產生。
Windows SDK中函數SetCursorPos（）可以實現將鼠標光標顯示在投影大屏幕上的激光點處，該函數帶有兩個參數x和y,表示鼠標在屏幕上的坐標。函數mouse_event（）可以模擬一次鼠標事件，例如可用如下命令模擬左鍵單擊：mouse_event MOUSEEVENTF_LEFTDOWN or MOUSEEVENTF_LEFTUP, 0, 0, 0, 0。這樣就實現了利用激光筆光點控制目標大屏幕的鼠標指針定位，移動和單雙擊。
5.結束語
試驗表明，裝備設計合理，滿足設計技術指標要求，工作穩定可靠，且具有較強的可擴充性，只需做少許改動即可適應用戶更高的要求，若要求進一步提高光標定位的精度，可選擇更高的晶振作為行
計數器脈沖的輸入，必要時對計數器加以擴展。這相當于將像素點加以細化，因而精度提高。
本裝置是配合計算機，投影儀而用于產品演示、電化教學及學術會議等場合的理想演示用工具。經過改裝后，還可用于警員、軍隊槍械的模擬訓練，有著廣闊的應用前景。
[1]. 俞斯樂等編著.電視原理 (第五版).北京: 國防工業出版社，2000
[2]. LM1881, LM1881-X Video Sync Separator General Description. National Semiconductor, June 2003
[3]. 胡敦輝等. 采用視頻方式的點坐標測量方法[J]. 電子技術應用,2003,(3):33-35www.51kaifa.com
[4]. 李光明等. 用VB實現S7-300 PLC與PC機的普通串口通信[J].微計算機信息,2005, (09):38-40
