طراحی و ساخت دوربین CMOS با FPGA

مقدمه:

در دهه اخیر استفاده از دوربین های مبتنی بر CMOS جهت ثبت تصاویر، گسترش وسیعی پیدا کرده است و امروزه با قیمت های پایینی در سیستم های مختلف تجاری همچون دوربین های عکاسی و فیلم برداری و هم چنین سیستم های با کاربرد خاص مانند سیستم های هوشمند مورد استفاده قرار می گیرد.در سیستم های کاربرد خاص نیاز به یک پردازنده می باشد که به صورت مستقیم با دتکتور CMOS در تماس باشد و بعد از پردازش اطلاعات ، نتایج لازم را به قسمت های دیگر ارسال نماید. در این پروژه یک دوربین CMOS با رزولوشن 6.6 مگاپیکسل با استفاده از پردازنده FPGA طراحی می شود که علاوه بر راه اندازی و کنترل و نظارت بر دتکتور CMOS ، اطلاعات لازم را از طریق یک لینک USB2 به کامپوتر ارسال می دارد. در شمار نوآوری هایی که در طراحی و ساخت این دوربین استفاده شده است، استفاده از FPGA با امکانات کم ،استفاده از یک سیستم کنترل توان روی برد جهت جلوگیری از آسیب جدی دوربین و رفع ایراد اتصال کوتاه مقطعی با تکنیک Auto Reset ، عدم استفاده از حافظه RAM جهت انتقال تصویر به کامپیوتر و قابلیت پیاده سازی الگوریتم های پردازش تصویر در FPGA روی برد ، را می توان نام برد

cmos-fpga-02.jpg

سخت افزار ساخته شده دوربین:

پس از طی مراحل طراحی سخت افزار و تهیه PCB آن و پس از مونتاژ و رفع عیوب احتمالی این برد ، سخت افزار نهایی به صورت زیر آماده گردید که در تصاویر زیر قسمت های مختلف آن قابل مشاهده می باشد. در تصاویر زیر لایه رویی برد مونتاژ شده مشاهده می شود. قسمت پاور و کنترل آن به همراه دتکتور CMOS بر روی برد قرار دارند . از طریق کانکتور DB9 به منبع تغذیه و ارتباط سریال RS485 متصل می شود ، کریستال تراشه CY7C68013 بر روی برد قراردارد. در زیر می توان تصاویر Bottom Layer سخت افزار مونتاژ شده دوربین را مشاهده نمود. بر روی لایه پشتی سخت افزار تراشه درایور USB2.0 یا CY7C68013 ، درایور RS485 به همراه یک رگولاتور TPS73601 مشاهده می شود ، همچنین کانکتور MiniUSB ، کریستال اسیلاتور FPGA ، تراشه FPGA و قطعات جانبی انها مشاهده می شود. تصاویر از طریق کانکتور MiniUSB منتقل می شوند.

 

cmos-fpga-board.jpg

 

دوربین ساخته شده به همراه لنز کانن:

بعد از مونتاژ سخت افزار و قطعات الکترونیکی و طی نمودن مراحل تست نوبت به مونتاژ لنز کانن به همراه متعلقات آن بر روی سخت افزار و متصل نمودن کابل های ارتباطی آن می رسد در زیر تصاویر دوربین ساخته شده به همراه لنز مشاهده می شود. مراحل مونتاژ لنز و آماده سازی دوربین جهت تصویر برداری در زیر مشاهده می شود. همانطور که از تصاویر زیر مشاهده می شود پس از مونتاژ سخت افزار باید مانت لنز مربوطه به همراه فیکسچر لنز بر روی سخت افزار مونتاژ گردد ، از طریق 4 سورراخ قلاویز شده به همراه 4 پیچ 2 میلی متر 2 سانتی متری بردالکترونیکی به مانت و فیکسچر متصل می گردد. کابل پاور دوربین از طریق کانکتور DB9 و کابل تصویر یا کابل USB2.0 از طریق کانکتور MiniUSB2.0 به کامپیوتر متصل می شود. ولتاژ مورد نیاز این دوربین 5 ولت می باشد که از طریق یک منبع تغذیه آزمایشگاهی تامین شده است. میزان جریان کشی این دوربین در حدود 200 میلی امپر می باشد که به نسبت نمونه های تجاری موجود نصف می باشد.

 

cmos-fpga-hw.jpg

 

محیط نرم افزار ارتباط با دوربین از طریق کامپیوتر:

با استفاده از این نرم افزار می توان نسبت به تصویر برداری اقدام نمود ، نرم افزار تصویر برداری می تواند اتصال یا عدم اتصال دوربین به کامپیوتر ، فرمان تصویر بردای ، تصویر برداری زنده با یک فریم بر ثانیه ، تغییر سایز فریم تصویر ، نمایش تصویر دریافتی ، ذخیره آخرین فریم دریافتی در یک فایل txt ، اعمال چرخش در تصویر ، نمایش لاگ اتفاقاتی که در نرم افزار در حال رخ دادن می باشد جهت بررسی خطاها ، فرمان توقف تصویر برداری و توقف پخش زنده را انجام دهد. پس از اتصال دوربین به کامپیوتر و انجام تنظیمات اولیه جهت ارتباط صحیح PC با دوربین ابتدا گزینه ترسیم را زده و به دلخواه پنجره مورد نظر ترسیم می شود ، پس از آن فرمان تصویر برداری را فشار داده می شود تا پس از مدتی تصویر دریافت گردد . در پنجره مورد نظر نمایش داده شود .

جهت دریافت یک تصویر مناسب ، تنظیم لنز و فوکاس کردن آن بسیار مهم می باشد.

cmos-fpga-software.jpg

 

قابلیت های دوربین برای کاربردهای خاص :

 ابعاد کوچک ، توان مصرفی پایین و شکل هندسی دلخواه (دایره ، مستطیل و مربع)

قابلیت تغییر پارامترهای دوربین مانند زمان نورگیری ، ROI و Sub Sampling از طریق لینک USB2.0 و RS485 .

قابلیت تغییر سایز تصویر و نرخ فریم از 10 FPS تا 100 FPS .

قابلیت خواندن دتکتورهای دیگر با مشخصات متفاوت جهت ساخت دوربین های دیگر با مشخصات ویژه.

قابلیت پیاده سازی الگوریتم های پردازش تصویر بر روی FPGA که عنصر اصلی این دوربین می باشد.

قابلیت کار در شرایط سخت محیطی و مقاوم در مقابل ارتعاشات شدید و EMC .

 

نتیجه گیری:

با توجه به تحریم کشورمان در رابطه با فروش دوربین های کاربرد خاص پیشنهاد میشود در جهت طراحی و ساخت یک دوربین با فربم ریت 400 هرتز از شرکت Cypress و ساخت یک دوربین سرعت بالا جهت تصویر برداری از حوادث و شبیه سازی حوادث ، پروژه ای تعریف شود . با استفاده از این پروژه می توان نسبت به طراحی و ساخت دوربین های هوشمند که قادر به پیاده سازی الگوریتم های پردازش می باشند ، اقدام کرد و از انها در سامانه های نظامی و دفاعی استفاده نمود. با توجه به اینکه این دوربین مبتنی بر FPGA می باشد ، لذا قابلیت دارد که الگوریتم های پردازش تصویر را نیز بر روی آن پیاده سازی نمود. با ساخت این دوربین می توان انواع دوربین های هوشمند را طراحی نمود و نسبت به ساخت آنها اقدام کرد.