基于FPGA的激光笔辅助教学系统设计与实现
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2 系统硬件设计与实现
2．1 无线发射激先笔设计
无线发射激光笔可以产生稳定可靠的激光光点，另外有5个功能按键分别发射不同的控制信息。根据设计要求，将激光头分为按键编码模块和无线发射模块。设计框图如图3所示。在此，采用了PT2262／PT2272编解码芯片，其中PT2262为编码芯片；PT2272为解码芯片。基于PT2262的工作方式，设计了6按键的编码电路方案，如图4所示。K0～K5为6个按键，分别对应数据位D0～D5。当所有按键都断开时，晶体管Q1截止，电路中没有电流，芯片不工作。当6个按键中任意一个被按下时，R1和按键的下拉电阻分压使得Q1的基极电压下降，Q1导通，PT2262芯片开始工作，指示灯D1工作。此时，除了闭合的按键所对应的数据位为逻辑高电平之外，其他位为低电平。本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/191271.htm
无线发射模块的功能是将按键信息编码调制到高频载波上并发送。载波频率为315 MHz，调制方式为幅度调制。发射后的信号可由系统的无线接收模块进行接收并解码。
2．2 无线接收模块
无线接收模块用以接收激光笔发射端的控制信号，它主要包括接收解调和信号解码两个部分。为了达到较高灵敏度的目的，选择超再生接收作为接收端的接收解调方案，其电路原理如图5所示。信号通过天线接收，首先经过L2和C23滤出315 MHz附近的频段信号。Q1为第一极放大，放大特性通过R18和R17施加偏置电压控制；Q2为超再生混频管，其本身通过C15，C16和L1构成的选频网络产生315 MHz附近的本征振荡，然后与前级放大后的信号进行混频。如果本征频率与315 MHz足够接近，混频后将产生低频分量，该分量即为调制到载波上的编码信号。
解码芯片采用PT2272，与PT2262配套使用。PT2272有多种型号，后缀可以为L4，M4，L6，M6等，后缀中的L表示锁存数据输出，M表示瞬态输出。这采用PT2272-M6，解码后的控制信号经FPGA处理后输出。
2．3 FPGA采集处理及数据传输
在系统的总体设计上，采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片作为系统的主控芯片，配合OMNIVISION公司的OV9650数字CMOS图像传感器和ISSI公司的IS42S16160B片外SDRAM存储芯片来构建摄像头激光点采集处理系统，采集到的图像可由VGA模块显示。激光点可利用其较高的亮度信息与背景色进行分辨区分，计算出的激光点坐标以及无线接收的控制信息以串口数据的方式发送，经片外CP2102串口转USB模块，可使数据通过USB口发送到授课主机。该系统的总体结构方框图如图6所示。
FPGA模块是该系统的核心模块，它将数据采集、图像处理、图像存储控制、图像显示控制、坐标计算及串口传输控制等功能集成到一片芯片上。该系统采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片，它拥有5 256个逻辑单元(LE)、36个M4K、2个PLL和18个嵌入式乘法器，还拥有最多138个通用I／O口，它能提供足够多的扩展口，以满足系统的所有要求。另外，OV9650摄像头基于CMOS图像传感器技术，最大输出图像分辨率为SxGA(1 280×1 024)。OV9650支持多种图像格式，包括10位或者8位的原始RGB，RGB565，RGB555，GBR[4：2：2]，YUV等多种格式，且具备自动图像控制功能，包括自动曝光控制AEC、自动增益控制AGC、自动白平衡AWB以及自动滤波ABF等。以上各个参数都可以通过芯片的SCCB接口进行设置。SCCB是OMNWISION公司定义的串行相机控制总线，主要用于对该公司研发的系列图像芯片寄存器进行设置。OV9650有多个寄存器，这些寄存器主要用于对图像格式和图像质量的控制，用户可以通过SCCB总线对这些寄存器进行读／写操作。
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