嵌入式機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、裝訂線 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)摘要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求也越來(lái)越高，這就要求產(chǎn)品檢測(cè)裝置應(yīng)具有更高的智能化。將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備智能、高效、高精度的重要途徑。嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)集圖像采集、處理、通信等功能于一體，具有智能化處理的功能，而且系統(tǒng)可被嵌入到其他設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的非接觸式檢測(cè)。本文采用美國(guó)德州儀器（TI）公司的DM6437為主控芯片構(gòu)建嵌入式圖像處理系統(tǒng)并在Protel DXP 2004下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建。結(jié)合圖像處理技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，嵌入式機(jī)器視覺(jué)

2、檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)以TMS320 DM6437為主控芯片，采用模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)建包括通訊單元，存儲(chǔ)單元，視頻輸入輸出接口的硬件系統(tǒng)，各模塊之間協(xié)調(diào)工作。DM6437 外擴(kuò) DDR2 存儲(chǔ)器構(gòu)成了系統(tǒng)的存儲(chǔ)模塊，可以存儲(chǔ)大量的圖像數(shù)據(jù)和配置信息數(shù)據(jù)；系統(tǒng)還提供了豐富的通信接口，如以太網(wǎng)接口，可以方便地與很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；嵌入式系統(tǒng)； Protel； DM6437Abstract With the rapid development of science and technology，industrial production automation degree is

3、more and more high，the market demand for quality and performance of products is also more and more high，this requires a product detecting device with intelligent higher.The application ofmachine vision system in automation field is an important way to realize the intelligent，high efficiency，high pre

4、cision industrial equipment.The embedded machine vision system integrates image acquisition,processing communication and other functions in one，with intelligent processing functions and the system can be embedded into other devices，to achieve the non-contact detection. In this paper, Texas Instrumen

5、ts (TI) company as the main chip DM6437 embedded image of the system to build and implement the system set up under the Protel DXP 2004. Combined with image processing technology, optical technology, network communication technology, design and implement anembedded machine vision systems, embedded m

6、achine vision inspection system hardware design can be achieved with TMS320 DM6437 as the main chip, modular design, build, including the communication unit, a storage unit, a video input and output interface hardware, the coordination between the various modules. DM6437 external expansion DDR2 memo

7、ry modules constitute a system of storage, you can store a large amount of image data and configuration information data; system also provides rich communication interfaces such as Ethernet interface, you can easily and many industrial fielddevices to communicate.Keywords: Machine Vision；Embedded Sy

8、stem；Protel；DM6437目錄第一章 緒論11.1 課題的背景、意義及來(lái)源11.2機(jī)器視覺(jué)技術(shù)概括21.3 嵌入式機(jī)器視覺(jué)概述21.4本文的主要研究?jī)?nèi)容4第二章 嵌入式機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)52.1 DSP概述52.2嵌入式機(jī)器視覺(jué)的硬件平臺(tái)62.2.1基于ARM平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)62.2.2基于FPGA平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)72.2.3基于DSP平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)82.3本章小結(jié)10第三章 PCB電路板設(shè)計(jì)113.1 PCB概述113.2 Protel DXP 2004介紹113.3 PCB設(shè)計(jì)123.3.1 PCB布局原則123.3.2 PCB布線設(shè)計(jì)133.3.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)143.

9、4 本章小結(jié)16第四章檢測(cè)系統(tǒng)芯片選型與介紹174.1 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)174.1.1 相機(jī)選型174.1.2鏡頭選型194.1.3光源選型194.1.4 DSP核心板選擇204.2 TMS320 DM6437 核心板設(shè)計(jì)214.2.1視頻存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)214.2.2調(diào)試模塊設(shè)計(jì)234.3 外圍模塊設(shè)計(jì)234.3.1視頻輸入模塊設(shè)計(jì)234.3.2視頻輸出模塊設(shè)計(jì)244.3.3電源模塊設(shè)計(jì)254.3.4 以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)254.4 本章小結(jié)26第五章TMS320 DM6437硬件電路整體設(shè)計(jì)275.1 TMS320 DM6437 核心板電路275.2 外圍模塊電路275.3 總體電路圖305.4

10、本章小結(jié)32第六章 總結(jié)與工作展望336.1 本文總結(jié)336.2 工作展望33參考文獻(xiàn)34致謝35第一章 緒論1.1 課題的背景、意義及來(lái)源在現(xiàn)代化的工業(yè)大生產(chǎn)中，視覺(jué)檢測(cè)往往是不可缺少的環(huán)節(jié)。比如，汽車(chē)零件的外觀、藥品包裝、IC字符印刷和電路板焊接質(zhì)量的好壞等等，都需要眾多的檢測(cè)工人，通過(guò)肉眼或結(jié)合顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)檢驗(yàn)。大量的人工檢測(cè)不僅影響工廠效率，而且?guī)?lái)不可靠的因素，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量與成本。另外，許多檢測(cè)的工序不僅僅要求外觀的檢測(cè)，同時(shí)需要準(zhǔn)確獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，比如零件的寬度，圓孔的直徑，以及基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)等等，這些工作是很難靠人眼快速完成的。隨著圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種新

11、的檢測(cè)方法機(jī)器視覺(jué)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)把圖像抓取到，然后將該圖像數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳送至處理單元，根據(jù)圖像像素分布和亮度、顏色等信息，提取特征要素，最后根據(jù)這些特征要素進(jìn)行判斷進(jìn)而控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展很快的熱門(mén)技術(shù)，尤其是面向特定應(yīng)用的解決方案，具有體積小、價(jià)格低、開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單、運(yùn)用靈活、可靠運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品主要有兩種形式：（1）基于PC機(jī)的板卡式，它利用圖像采集卡和圖像傳感器在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)；（2）嵌入式，它以嵌入式處理器為核心，整體開(kāi)發(fā)包括硬件電路、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和算法軟件等整套系統(tǒng)傳統(tǒng)基于PC

12、的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)沒(méi)有模塊化、可移植差、安裝不便，特別是與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信比較困難，諸多以往依賴于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)始向嵌入式平臺(tái)傾斜，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是基于 PC 的，系統(tǒng)需要使用采集卡，將圖像采集至 PC，并使用圖像處理算法作相應(yīng)處理。傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)有如下缺點(diǎn)： (1) 系統(tǒng)缺乏足夠的硬件加速支持，串行的操作實(shí)現(xiàn)速度慢。 (2) 傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)體積龐大，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)占用較多空間。 (3) PC 機(jī)使用操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)不具備實(shí)時(shí)特性，很難滿足實(shí)時(shí)性需求較高的應(yīng) 用。 (4) 由于 PC 機(jī)需要使用交流供電，傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)一方面不方便攜帶，另一方面功耗

13、較大，容易存在散熱問(wèn)題。 (5) 傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成部分較多，可靠性會(huì)受一定的影響。 隨著科技進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)效率及質(zhì)量提高，傳統(tǒng)的基于 PC 的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)在工業(yè)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，便攜性及低功耗等要求。隨之出現(xiàn)的嵌式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)集成度高，速度快，便攜性好，硬件架構(gòu)更適合處理數(shù)據(jù)流形式的視頻圖像數(shù)據(jù)。因此，嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)取代基于 PC 的板卡式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。 經(jīng)過(guò)近40年的研究，機(jī)器視覺(jué)在深度和廣度兩方面都取得了很大的進(jìn)展，積累了豐富的學(xué)術(shù)研究成果，各種相關(guān)文獻(xiàn)大量出現(xiàn)，己成長(zhǎng)為一門(mén)內(nèi)容十分豐富的獨(dú)立學(xué)科，在應(yīng)用研究方面也有了很廣泛的應(yīng)用。1.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)概

14、括機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，是一門(mén)涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最大的特點(diǎn)是速度快、信息量大、功能多。機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，但并不僅僅是人眼的簡(jiǎn)單延伸，更重要的是具有人腦的一部分功能,從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。機(jī)器視覺(jué)伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)日臻成熟，已是現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金

15、屬加工、電子制造、包裝、汽車(chē)制造等行業(yè)。機(jī)器視覺(jué)的引入，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測(cè)方法，極大地提高了投放市場(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于

16、實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中重要的組成部分，近年來(lái)正成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的新興亮點(diǎn)之一，目前已經(jīng)在包裝、印刷、紡織、制藥、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 非接觸，非接觸的檢測(cè)不會(huì)對(duì)被檢對(duì)象造成損害，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)備更方便耐用。 (2) 檢測(cè)更精確，機(jī)械方式的檢測(cè)精確程度低，且受震動(dòng)等環(huán)境因素影響。 (3) 光譜響應(yīng)范圍寬，可以獲得紅外、遠(yuǎn)紅外的檢測(cè)圖像。 (4) 成本低，相比于其它傳感器，攝像頭的成本非常低，且用于工業(yè)檢測(cè)的傳感網(wǎng)絡(luò) 中經(jīng)常需要用大量的傳感器，安裝及維護(hù)都將帶來(lái)成本。 (5) 不會(huì)視覺(jué)疲勞，

17、可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。總之，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計(jì)它將在現(xiàn)代和未來(lái)制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1.3 嵌入式機(jī)器視覺(jué)概述目前，我國(guó)的機(jī)器視覺(jué)行業(yè)也出現(xiàn)了不少具備自主創(chuàng)新能力的企業(yè)，將嵌入式技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)就是應(yīng)市場(chǎng)需求變化而推出的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視覺(jué)圖像采集、視覺(jué)圖像處理控制，使其結(jié)構(gòu)更緊湊，甚至完全不需要計(jì)算機(jī)的介入，提高處理速度，并能有效降低成本的專用機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)(以下簡(jiǎn)稱 PC)的視覺(jué)系統(tǒng)，一般由光源、CCD或 CMOS 相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件以及

18、 PC 構(gòu)成。相機(jī)和圖像采集卡在光源的配合下，完成圖像的采集，圖像處理軟件在 PC 中完成對(duì)采集圖像的處理。 嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用了嵌入式技術(shù)，包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)及大容量存儲(chǔ)器(DDR2 SDRAM 和 NAND FLASH)等，將圖像采集、圖像處理和通信等功能集成于一體，實(shí)現(xiàn)了模塊化、智能化的嵌入式機(jī)器視覺(jué)解決方案，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、可靠性高等特點(diǎn)。嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。圖像處理算法單元圖像處理單元網(wǎng)絡(luò)通信接口圖像采集單元 圖1-1嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)示意圖 嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和基于 PC 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的差別主要體現(xiàn)在 3

19、個(gè)方面： 1、外觀體積。嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與普通數(shù)碼相機(jī)的體積相當(dāng)，安裝簡(jiǎn)單，可以方便的裝卸和移動(dòng)；而基于 PC 的視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積相對(duì)龐大，不僅包括采集攝像機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)還需要提供一臺(tái)用于圖像處理的 PC，不便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的裝卸與移動(dòng)。 2、硬件結(jié)構(gòu)。嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)將圖像采集單元、圖像處理單元和網(wǎng)絡(luò)通信單元等集成于一體，并經(jīng)過(guò)可靠的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工作效率和可靠性都得到了充分的保證。但是由于系統(tǒng)的硬件電路已經(jīng)固定，在后期開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中系統(tǒng)電路缺乏靈活性，各模塊之間無(wú)法改裝或裝配。基于 PC 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要有攝像機(jī)、圖像采集卡和 PC 組成，只要各模塊之間采用的是標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶便可以選擇不同類

20、型的產(chǎn)品，因此在后期開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)上具有較高的靈活性。但是由于不同的產(chǎn)品來(lái)自不同的廠家，各產(chǎn)品之間存在兼容性問(wèn)題，這在某種程度上又影響了系統(tǒng)工作的可靠性。 3、軟件架構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要用于工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)和識(shí)別應(yīng)用，軟件在功能上具有一定的通用性，是一種比較通用的產(chǎn)品。由于在嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中已經(jīng)固化了成熟的圖像處理算法，因此用戶無(wú)需編程，只需在提供的軟件界面上配置用于圖像處理的參數(shù)(即配置信息)，就可以實(shí)現(xiàn)有/無(wú)判斷、工件定位、尺寸測(cè)量、目標(biāo)計(jì)數(shù)、字符識(shí)別、條碼讀取等功能，這在一定程度上提高了系統(tǒng)集成的效率和速度。而基于 PC 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)軟件一般是用戶針對(duì)某個(gè)特定的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)

21、，需要用戶完全或部分開(kāi)發(fā)適合該應(yīng)用的圖像處理算法，對(duì)用戶的編程要求較高。此外，由于每個(gè)用戶的開(kāi)發(fā)水平和硬件的支持不同，不同用戶開(kāi)發(fā)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也具有很大的差異。1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容在前文所述的技術(shù)和項(xiàng)目背景下,本文的主要工作是設(shè)計(jì)基于TI的DSP(DM6437)視頻處理開(kāi)發(fā)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì),需要完成原理圖的設(shè)計(jì)以及 PCB 板的制作及后期調(diào)試,論文的主要組織如下:第一章主要分析了項(xiàng)目的背景,意義及來(lái)源,闡述了機(jī)器視覺(jué)及嵌入式機(jī)器視覺(jué)在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。第二章概述了DSP結(jié)構(gòu)、DSP 的開(kāi)發(fā)環(huán)境及設(shè)計(jì)流程，介紹了DSP設(shè)計(jì)調(diào)試的常用工具,介紹了三種視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)分析了不同視覺(jué)處理平

22、臺(tái)方案的優(yōu)劣。第三章介紹了PCB電路板的設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)以TMS320 DM6437為主控芯片構(gòu)建嵌入式圖像處理系統(tǒng)，在Protel DXP 2004下完成系統(tǒng)的搭建。第四章是本文的重點(diǎn)章節(jié)，主講理論，下一章完成設(shè)計(jì)，對(duì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明，主要完成對(duì)視頻輸入，視頻處理，輸出部分，以及輔助模塊（電源模塊和調(diào)試模塊）的設(shè)計(jì)。第五章要求嵌入式機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)以TMS320 DM6437為主控芯片，構(gòu)建包括通訊單元，存儲(chǔ)單元，視頻輸入輸出接口的硬件系統(tǒng)，本章完成利用Protel來(lái)實(shí)現(xiàn)基于DSP圖像檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。第二章 嵌入式機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)2.1 DSP概述凡是利

23、用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字硬件，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的一切變換或按預(yù)定規(guī)則進(jìn)行的一切加工處理運(yùn)算稱為數(shù)字信號(hào)處理2。例如，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、參數(shù)提取、頻譜分析、壓縮等處理。對(duì)DSP狹義理解可為Digital Signal Process數(shù)字信號(hào)處理，廣義理解為Digital Singal Processing 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP）是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到

24、極為廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是圍繞著數(shù)字信號(hào)處理的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字信號(hào)處理在理論上的發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的發(fā)展。反過(guò)來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理理論的提高。而數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁 。如下圖2-1為一種DSP芯片。 圖2-1 DSP芯片 數(shù)字信號(hào)處理3是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過(guò)程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來(lái)新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分?？梢?/p>

25、說(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種：(1) 在通用的計(jì)算機(jī)（如PC機(jī)）上用軟件（如Fortran、C語(yǔ)言）實(shí)現(xiàn)；(2) 在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)；(3) 用通用的單片機(jī)（如MCS-51、96系列等）實(shí)現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜 的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等；(4) 用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信 號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法；(5) 用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用

26、 DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，例如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)算法的DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需進(jìn)行編程。上述幾種方法中，第1種方法的缺點(diǎn)是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬；第2種和第5種方法專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大的限制，第2種方法也不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行；第3種方法只適用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DSP算法；只有第4種方法才使數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用打開(kāi)了新的局面。雖然數(shù)字信號(hào)處理的理論發(fā)展迅速，但在20世紀(jì)80年代以前，由于實(shí)現(xiàn)方法的限制，數(shù)字信號(hào)處理的理論還得不到廣泛的應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代末80年代初世界上第一片單片可編程DSP芯片的誕生，才將理論研究結(jié)果廣泛應(yīng)用

27、到低成本的實(shí)際系統(tǒng)中，并且推動(dòng)了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，DSP芯片的誕生及發(fā)展對(duì)近20年來(lái)通信、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，一般具有如下主要特點(diǎn)：（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；（4）具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6）具有單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；（7）可以并行

28、執(zhí)行多個(gè)操作； (8) 支持流水線操作，使取指、譯碼、和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。TMS320系列芯片基本結(jié)構(gòu)包括:(1) 哈佛結(jié)構(gòu)；（2）流水線操作；(3)專用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指令；（5）快速的指令周期。這些特點(diǎn)使得TMS320系列DSP芯片可以實(shí)現(xiàn)快速的DSP運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算(例如乘法)能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。由于TMS320系列DSP芯片是軟件可編程器件，因此具有通用微處理器方便靈活的特點(diǎn)。2.2 嵌入式機(jī)器視覺(jué)的硬件平臺(tái)現(xiàn)有的視覺(jué)處理平臺(tái)硬件架構(gòu)有以下幾種：基于 PC 機(jī)的視覺(jué)處理平臺(tái)；基于 DSP 的視覺(jué)處理平臺(tái)；基于 GPU 的視覺(jué)處理平臺(tái)；基于 DSP+FPG

29、A的視覺(jué)處理平臺(tái)4和基于 FPGA 的視覺(jué)處理平臺(tái)。本章詳細(xì)分析了某些平臺(tái)硬件架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)及不足之處，通過(guò)分析給出了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。2.2.1 基于ARM平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)ARM是Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，ARM公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，將技術(shù)授權(quán)給合作伙伴，而不生產(chǎn)。另外提供軟件工具、評(píng)估板、調(diào)試工具、應(yīng)用軟件、外圍模板等服務(wù)。ARM 架構(gòu)是構(gòu)建每個(gè) ARM 處理器的基礎(chǔ)。ARM 架構(gòu)隨著時(shí)間的推移而不斷發(fā)展，其中包含的架構(gòu)功能可滿足不斷增長(zhǎng)的新功能、高性能需求以及新興市場(chǎng)的需要。ARM 架構(gòu)支持跨躍多個(gè)性能點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，

30、并已在許多細(xì)分市場(chǎng)中成為主導(dǎo)的架構(gòu)。ARM 架構(gòu)支持非常廣泛的性能點(diǎn)，因而可以利用最新的微架構(gòu)技術(shù)獲得極小的 ARM 處理器實(shí)現(xiàn)和極有效的高級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)規(guī)模大、性能高和低功耗是 ARM 架構(gòu)的關(guān)鍵特性。ARM 架構(gòu)與精簡(jiǎn)指令集計(jì)算 (RISC) 架構(gòu)類似，因?yàn)樗韵碌湫?RISC 架構(gòu)特征：統(tǒng)一寄存器文件加載/存儲(chǔ)架構(gòu)，其中的數(shù)據(jù)處理操作只針對(duì)寄存器內(nèi)容，并不直接針對(duì)內(nèi)存內(nèi)容。簡(jiǎn)單尋址模式，所有加載/存儲(chǔ)地址只通過(guò)寄存器內(nèi)容和指令字段確定。ARM處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來(lái)講比等價(jià)

31、32位代碼節(jié)省達(dá)35%，卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。高端的Cortex系列的處理器最高頻率可以高達(dá)上GHz,高端處理器上可以集成DSP指令,浮點(diǎn)運(yùn)算模塊,SIMD擴(kuò)展指令等增強(qiáng)功能。ARM特點(diǎn)有：1.加載/存儲(chǔ)架構(gòu),數(shù)據(jù)的處理操作只在寄存器里實(shí)現(xiàn),并不直接用內(nèi)存數(shù)據(jù)參加運(yùn)算。2.簡(jiǎn)單的尋址模式,所有的加載/存儲(chǔ)地址只通過(guò)寄存器內(nèi)容和指令字段確定。3.支持多級(jí)流水線結(jié)構(gòu),使得指令執(zhí)行效率更高。ARM不同架構(gòu)都具有通用的指令集, 使得軟件兼容性很好。ARM處理器5的工作模式除用戶模式外,其他都是特權(quán)模式,可以通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)模式的切換。不同模式下程序可以訪問(wèn)的系統(tǒng)資源和表現(xiàn)的實(shí)時(shí)性也不同。A

32、RM是32位單片機(jī)，由于結(jié)構(gòu)和計(jì)算速度的原因，目前適合做事務(wù)處理或者中低端應(yīng)用，從中高級(jí)工控到簡(jiǎn)單語(yǔ)音/圖片（不含視頻）處理。ARM的缺點(diǎn)就是在低端應(yīng)用時(shí)ARM性價(jià)比較低，開(kāi)發(fā)難度也更大，新手入門(mén)較困難。2.2.2 基于FPGA平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng) FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)是在 PAL(可編程陣列邏輯)、GAL(通用可編程陣列邏輯)、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)等基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出來(lái)的。FPGA 是近幾年發(fā)展最快的可編程邏輯器件之一，它作為一種半定制電路，它既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)目有限的缺點(diǎn)。 首先

33、，F(xiàn)PGA 對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)均由內(nèi)部硬件邏輯資源實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)的結(jié)果是由 FPGA 內(nèi)部現(xiàn)有的電路來(lái)完成，從實(shí)現(xiàn)的機(jī)制上硬件的速度要優(yōu)于軟件，故而被稱為硬件加速。其次，F(xiàn)PGA 內(nèi)部的基本邏輯單元相互之間都是獨(dú)立工作的，使用 FPGA實(shí)現(xiàn)的算法在處理的并行程度上要比通用處理器高，這是 FPGA 在處理速度上最具有優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)。同時(shí)，F(xiàn)PGA 具有可重構(gòu)的特點(diǎn)，其 I/O 資源可以與其他芯片直接相連，通過(guò)內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)，完成相應(yīng)功能。這就使 FPGA 設(shè)計(jì)的可移植性高、設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)。另外，F(xiàn)PGA 采用基于 IP 核的資源復(fù)用，隨著各公司研發(fā)的 IP 核增多，F(xiàn)PGA 的使用將越來(lái)越方便。最后，F(xiàn)

34、PGA 低成本，低功耗等優(yōu)勢(shì)也引起了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。目前主流的 FPGA 是基于查找表技術(shù)的，圖 2-2為查找表結(jié)構(gòu)的 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6。 圖2-2查找表結(jié)構(gòu)的FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA 硬件資源逐漸增多，其硬件可編程、可并行運(yùn)算、高速低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出。將 FPGA 技術(shù)和視覺(jué)處理技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮 FPGA 硬件實(shí)現(xiàn)，并行處理，多級(jí)流水線技術(shù)等在視覺(jué)檢測(cè)處理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力和數(shù)據(jù)處理能力，是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。2.2.3 基于DSP平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng) ARM是32位單片機(jī)，由于結(jié)構(gòu)和計(jì)算速度的原因，目前適合

35、做事務(wù)處理或者中低端應(yīng)用，從中高級(jí)工控到簡(jiǎn)單語(yǔ)音/圖片（不含視頻）處理。FPGA一般來(lái)說(shuō)比ASIC（專用集成電路）的速度要慢，無(wú)法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)空間小，不易使用，不能直接用C語(yǔ)言編程，而且一般情況下構(gòu)造ARM/DSP不如專用ARM/DSP方便。 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)采用哈佛結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)總線和地址總線分開(kāi)，數(shù)據(jù)和指令存放在不同空間，使 DSP 在執(zhí)行指令的同時(shí)可以完成下一個(gè)取指操作并且同時(shí)譯碼，這大大提高了 DSP 的處理速度。DSP 芯片一般具有如下主要特點(diǎn)： (1) 在一個(gè)指令周期內(nèi)可同時(shí)完成一次加法和一次乘法。 (2) 數(shù)據(jù)空間與程序空間分開(kāi)，程序可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。 (3)

36、 片內(nèi)具有高速 RAM，可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線同時(shí)訪問(wèn)兩塊 RAM，完成數(shù)據(jù)的乒乓 操作。 (4) 具有無(wú)開(kāi)銷或低開(kāi)銷的循環(huán)機(jī)制及跳轉(zhuǎn)機(jī)制。 (5) 快速的硬件 I/O 及中斷處理支持。 (6) 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。 (7) 算法實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)行并行操作，但其并行能力受硬件架構(gòu)限制。 (8) 支持流水線操作，但其流水線結(jié)構(gòu)固定，級(jí)數(shù)固定。 DSP 具有良好的易用性。DSP 提供商都會(huì)提供功能完善的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，比如TI 的 Code Composer Studio 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于這一開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn) C/C+、匯編等多種語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)調(diào)試。這些開(kāi)發(fā)平臺(tái)還會(huì)提供大量的優(yōu)化工具，利用這

37、些工具，開(kāi)發(fā)人員可以完成對(duì)程序性能的分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)程序在 DSP 平臺(tái)下的告訴運(yùn)行。此外，DSP 還具有良好的可擴(kuò)展性，與廣泛應(yīng)用的專用集成電路芯片(Application specific Integrated Circuit，ASIC)相比，DSP 可以通過(guò)修改源程序的方法方便的對(duì) DSP 實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展。數(shù)據(jù)處理在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中起著至關(guān)緊要的作用,而數(shù)據(jù)處理是由視頻處理主控芯片來(lái)完成的。在視頻處理系統(tǒng)中,視頻處理主控芯片主要有三種類型7:通用 DSP、專用圖像處理芯片和多媒體處理器。主要區(qū)別如表 2-1: 表2-1視頻處理主控芯片對(duì)比類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)代表公司通用 DSP高效的數(shù)學(xué)

38、運(yùn)算能力；靈活、兼容性強(qiáng)；易升級(jí)；外設(shè)接口少,不易擴(kuò)展；只適合重復(fù)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理；TI、Philips專用圖像處理芯片自帶圖像處理算法算法固化在內(nèi)部,不能修改；適應(yīng)性不強(qiáng)；ADI多媒體處理器處理能力強(qiáng)；靈活、兼容性強(qiáng)；易升級(jí)；接口豐富,易擴(kuò)展；編程方便價(jià)格偏高TI 本系統(tǒng)在 DSP 芯片的確定時(shí)主要是從以下因素來(lái)綜合考慮: 1、 DSP 芯片的運(yùn)算速度。在處理視頻圖像時(shí)，運(yùn)算速度非常重要，要能夠滿足編碼 器更新發(fā)展，因此在選擇時(shí)需要認(rèn)真考慮；2、DSP 芯片的接口功能。主要考慮是否便于和所需外部設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展接口；3、DSP 芯片的運(yùn)算精度和動(dòng)態(tài)范圍；4、DSP 芯片的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)軟件。在 D

39、SP 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,擁有一個(gè)功能強(qiáng)大的 開(kāi)發(fā)工具可以大大縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，使得產(chǎn)品能夠更快地推向市場(chǎng)； 5、 價(jià)格因素。芯片的價(jià)格直接影響著芯片的推廣程度和設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品化，影響產(chǎn) 品在市場(chǎng)上具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力；6、 除了以上因素,還應(yīng)該考慮 DSP 芯片的功耗、封裝形式、供貨情況、技術(shù)支持以 及是否有工業(yè)級(jí)或軍品級(jí)芯片提供等等；結(jié)合以上因素,在設(shè)計(jì)視頻處理開(kāi)發(fā)平臺(tái)中選用了 TI 公司的達(dá)芬奇系列的高速數(shù)字多媒體處理器 TMS320DM6437 做為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的主處理器。2.3 本章小結(jié)本章對(duì)DSP進(jìn)行了概述，包括DSP的概念、實(shí)現(xiàn)方法及開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具。詳細(xì)分析了視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)的硬件構(gòu)架方案?？偨Y(jié)

40、如下：基于ARM平臺(tái)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)軟件兼容性很好，而且支持多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，使得指令執(zhí)行效率更高，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和計(jì)算速度的原因，目前適合做事務(wù)處理或者中低端應(yīng)用。FPGA的優(yōu)勢(shì)在于低成本、低功耗、可移植性高并且設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)。不過(guò)FPGA一般情況下構(gòu)造ARM/DSP不如專用ARM/DSP方便，增加了設(shè)計(jì)難度。然而基于 DSP 的視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)有強(qiáng)大的計(jì)算能力，適合數(shù)據(jù)處理，并且有良好的易用性和可擴(kuò)展性。在設(shè)計(jì)視頻處理開(kāi)發(fā)平臺(tái)中選用了 TI 公司的達(dá)芬奇系列的高速數(shù)字多媒體處理器 TMS320DM64378做為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的主處理器,主要它有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 有視頻輸入、輸出接口，能方便的與視頻編解碼芯片

41、實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，省去外圍 復(fù)雜的擴(kuò)展電路，減小硬件設(shè)計(jì)難度，直接實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的輸入和輸出；（2） 具有較大的數(shù)據(jù)緩存空間，同時(shí)能夠支持外擴(kuò)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠緩存視 頻圖像數(shù)據(jù)；（3）具有較高的主頻及較高的運(yùn)算速度和精度，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理視頻數(shù)據(jù)； （4）具有 DMA 或 EDMA 控制器，這樣可以在不占有 CPU 的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 輸出過(guò)程中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)；（5）技術(shù)資料豐富、封裝形式多,便于購(gòu)買(mǎi)。綜上所述，基于DSP的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)最符合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。第三章 PCB電路板設(shè)計(jì)3.1 PCB概述PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制線路板，簡(jiǎn)稱印制板

42、，是電子工業(yè)的重要部件之一。幾乎每種電子設(shè)備，小到電子手表、計(jì)算器，大到計(jì)算機(jī)，通訊電子設(shè)備，軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，為了它們之間的電氣互連，都要使用印制板。在較大型的電子產(chǎn)品研究過(guò)程中，最基本的成功因素是該產(chǎn)品的印制板的設(shè)計(jì)、文件編制和制造。PCB幾乎會(huì)出現(xiàn)在每一種電子設(shè)備中。如果在某樣設(shè)備中有電子零件，那么它們也都是鑲在大小各異的的PCB上，除了固定各種小零件外，PCB的主要功能是提供上頭各項(xiàng)零件的相互電氣連接。隨著電子設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，需要的零件越來(lái)越多，PCB上頭的線路與零件也越來(lái)越密集了。印制板的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接影響到整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，甚至導(dǎo)致商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的成敗。電

43、子設(shè)備采用印制板后，由于同類印制板的一致性，從而避免了人工接線的差錯(cuò)，并可實(shí)現(xiàn)電子元器件自動(dòng)插裝或貼裝、自動(dòng)焊錫、自動(dòng)檢測(cè)，保證了電子設(shè)備的質(zhì)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低了成本，并便于維修。國(guó)內(nèi)外對(duì)未來(lái)印制板生產(chǎn)制造技術(shù)發(fā)展動(dòng)向的論述基本是一致的，即向高密度，高精度，細(xì)孔徑，細(xì)導(dǎo)線，細(xì)間距，高可靠，多層化，高速傳輸，輕量，薄型方向發(fā)展，在生產(chǎn)上同時(shí)向提高生產(chǎn)率，降低成本，減少污染，適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)方向發(fā)展。印制電路的技術(shù)發(fā)展水平，一般以印制板上的線寬，孔徑，板厚/孔徑比值為代表。PCB的常規(guī)分類：按層次分可分為單面板、多面板、多層板；按材質(zhì)分可分為剛性板、柔性板、剛?cè)岚?；按結(jié)構(gòu)分可分為HD

44、I板和非HDI板；按使用信號(hào)頻率可分為高頻板和非高頻板等等。PCB主要組成部分有焊盤(pán)、過(guò)孔、插件孔、安裝孔、阻焊層、字符、反光點(diǎn)、導(dǎo)線圖形、內(nèi)層、外層、CS面、SS面。印刷板有許多優(yōu)點(diǎn)，如：（1）提高質(zhì)量：減少布線錯(cuò)誤，提高整機(jī)裝配質(zhì)量；（2）降低成本：生產(chǎn)自動(dòng)化，適合大批量生產(chǎn)；（3）提高效率：適宜裝配過(guò)程自動(dòng)化，提高整機(jī)裝配效率；（4）單元模塊：能實(shí)現(xiàn)和提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)器單元化、模塊化；（5）技能要求：裝配應(yīng)用無(wú)需熟練技術(shù)工人，對(duì)操作者要求低；（6）符合潮流：有助于電子設(shè)備輕量化、小型化；（7）便于擴(kuò)展：便于根據(jù)功能要求，擴(kuò)展模塊。3.2 Protel DXP 2004介紹Protel

45、DXP 20049拓展了Protel軟件的原設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ProtelDXP功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和PLD電路設(shè)計(jì)方面有了重大改進(jìn)。Protel是目前國(guó)內(nèi)最流行的通用EDA軟件，它將電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板圖設(shè)計(jì)、電路仿真和PLD設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具組合起來(lái)構(gòu)成EDA工作平臺(tái)，是第一個(gè)將EDA軟件設(shè)計(jì)成基于Windows的普及型產(chǎn)品。與Protel99SE軟件相比，ProtelDXP功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和PLD電路設(shè)計(jì)方面有了重大改進(jìn)。擺脫了Protel前期版本基于PCB設(shè)計(jì)的產(chǎn)品定位，顯露出一個(gè)普及型全線EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。P

46、rotelDXP 2004引入了集成庫(kù)的概念，這使我們?cè)谠韴D中選擇的元器件就已經(jīng)有了我們需要的封裝，ProtelDXP 2004附帶了68,000多個(gè)元件的設(shè)計(jì)庫(kù)，包括原理圖FPGA設(shè)計(jì)的即調(diào)即用及預(yù)綜合元件集成庫(kù)，并且這些封裝都能完全符合我們的要求。3.3 PCB設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成芯片變的體積越來(lái)越小，引腳數(shù)越來(lái)越多，同時(shí)處理速度也越來(lái)越快，電子設(shè)計(jì)帶來(lái)很多便利，但同時(shí)也存在很多問(wèn)題：芯片體積小，電路板的器件布局更加緊密，布線的密度也更大；隨著系統(tǒng)整個(gè)時(shí)鐘頻率的提高，信號(hào)的頻率也在提高，這樣在邊沿處就會(huì)存在抖動(dòng)；系統(tǒng)對(duì)板層和線連的依賴性提高。故在設(shè)計(jì)高速系統(tǒng)時(shí)既要考慮到關(guān)鍵信

47、號(hào)線的走線、連接方式等，還要考慮到傳輸線上的反射、串?dāng)_、延遲、阻抗匹配和電磁兼容性等信號(hào)完整性問(wèn)題，同時(shí)還要注意整個(gè)電路板的板層的影響。3.3.1 PCB布局原則 在進(jìn)行布線之前，首先必須要對(duì)器件進(jìn)行布局。布局對(duì) PCB 設(shè)計(jì)非常重要，良好的布局在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，還可以降低布線的難度。布局時(shí)必須首先考慮處理器、SDRAM 等工作頻率高的器件，將它們擺放在電路板合適的位置上。然后根據(jù)系統(tǒng)功能模塊的劃分進(jìn)行布局，如音視頻采集模塊、音視頻輸出模塊、電源模塊等。 PCB布局的具體原則有： 1. 根據(jù)結(jié)構(gòu)圖設(shè)置板框尺寸，按結(jié)構(gòu)要素布置安裝孔、接插件等需要定位的器件， 并給這些器件賦予不可移動(dòng)屬性。按

48、工藝設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行尺寸標(biāo)注；2. 根據(jù)結(jié)構(gòu)圖和生產(chǎn)加工時(shí)所須的夾持邊設(shè)置印制板的禁止布線區(qū)、禁止布局區(qū)域。 根據(jù)某些元件的特殊要求，設(shè)置禁止布線區(qū)；3. 綜合考慮PCB性能和加工的效率選擇加工流程。加工工藝的優(yōu)選順序?yàn)椋涸?單面貼裝-元件面貼插混裝-雙面貼裝-元件面貼插混裝、焊接面貼裝；4. 布局操作的基本原則A.遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當(dāng) 優(yōu)先布局；B.布局中應(yīng)參考原理框圖，根據(jù)單板的主信號(hào)流向規(guī)律安排主要元器件；C.布局應(yīng)盡量滿足以下要求：總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號(hào)線最短；高電壓、大電 流信號(hào)與小電流，低電壓的弱信號(hào)完全分開(kāi)； 模擬信號(hào)與

49、數(shù)字信號(hào)分開(kāi)；高頻信 號(hào)與低頻信號(hào)分開(kāi)；高頻元器件的間隔要充分；D.相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能采用“對(duì)稱式”標(biāo)準(zhǔn)布局；E.按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局；F.器件布局柵格的設(shè)置，一般IC器件布局時(shí)，柵格應(yīng)為50-100mil,小型表面安 裝器件，如表面貼裝元件布局時(shí)，柵格設(shè)置應(yīng)不少于25mil；G.如有特殊布局要求，應(yīng)雙方溝通后確定。5. 同類型插裝元器件在X或Y方向上應(yīng)朝一個(gè)方向放置。同一種類型的有極性分立 元件也要力爭(zhēng)在X或Y方向上保持一致，便于生產(chǎn)和檢驗(yàn)；6. 發(fā)熱元件一般應(yīng)均勻分布，以利于單板和整機(jī)的散熱，除溫度檢測(cè)元件以外的溫 度敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元器件；7. 元

50、器件的排列要便于調(diào)試和維修，亦即小元件周?chē)荒芊胖么笤?、需調(diào)試的元 器件周?chē)凶銐虻目臻g；8. 需用波峰焊工藝生產(chǎn)的單板，其緊固件安裝孔和定位孔都應(yīng)為非金屬化孔。當(dāng)安 裝孔需要接地時(shí)，應(yīng)采用分布接地小孔的方式與地平面連接；9. 焊接面的貼裝元件采用波峰焊接生產(chǎn)工藝時(shí)，阻、容件軸向要與波峰焊?jìng)魉头较?垂直，阻排及SOP（PIN間距大于等于1.27mm）元器件軸向與傳送方向平行；PIN 間距小于1.27mm（50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接；10. BGA與相鄰元件的距離5mm。其它貼片元件相互間的距離0.7mm；貼裝元件焊盤(pán)的外側(cè)與相鄰插裝元件的外側(cè)距離

51、大于2mm；有壓接件的PCB，壓接的接插件周 圍5mm內(nèi)不能有插裝元器件，在焊接面其周?chē)?mm內(nèi)也不能有貼裝元器件；11. IC去偶電容的布局要盡量靠近IC的電源管腳，并使之與電源和地之間形成的回 路最短；12. 元件布局時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起，以便于將來(lái)的電 源分隔；13. 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根據(jù)其屬性合理布置。串聯(lián)匹配電阻的布 局要靠近該信號(hào)的驅(qū)動(dòng)端，距離一般不超過(guò)500mil。匹配電阻、電容的布局一定要分清信號(hào)的源端與終端，對(duì)于多負(fù)載的終端匹配一定要在信號(hào)的最遠(yuǎn)端匹配；14. 布局完成后打印出裝配圖供原理圖設(shè)計(jì)者檢查器件封裝的正確性，并且確認(rèn)單 板

52、、背板和接插件的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后方可開(kāi)始布線。3.3.2 PCB布線設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，一個(gè)最基本的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)電路要求的功能需要多少個(gè)布線層和電源平面(在可以接受的價(jià)格范圍內(nèi))，印制板的層數(shù)取決于要求的功能、噪聲指標(biāo)、用于電源的平面、信號(hào)分類、線條數(shù)等類似的要求。適當(dāng)?shù)牟捎脦罹€和微帶線結(jié)構(gòu)不但可以抑制 PCB 中的射頻，而且可以達(dá)到保證信號(hào)完整性的目的。保證了信號(hào)的完整性，就不會(huì)發(fā)生反射和抖動(dòng)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中,最好在 PCB 中就把 RF 能量抑制下去，而不是靠金屬機(jī)箱或者封閉的導(dǎo)電塑料盒將 RF 能量封閉住。目前絕大多數(shù)方法是在 PCB 中嵌入金屬平面(電源或地平面)來(lái)實(shí)現(xiàn)

53、這一目的，這就要求在多層板的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮板層的安排。在本設(shè)計(jì)中選擇的是雙面布線設(shè)計(jì)，盡管多層板(4層、6層及8層)方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但由于成本的原因采用雙面板。設(shè)計(jì)PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)布線。通常，純數(shù)字的電路板(尤其信號(hào)電平比較低，電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果采用布線軟件的自動(dòng)布線工具，可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，甚至很可能帶來(lái)嚴(yán)重的電路性能問(wèn)題。在手工布線時(shí)，盡量采用地平面作為電流回路。將模擬地平面和數(shù)字地平面分開(kāi)，如果地平面被信號(hào)走線隔斷，為降低對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直。模擬電路盡量靠

54、近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數(shù)字開(kāi)關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。廠商的演示板和評(píng)估板通常采用這種布線策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布線在電路板頂層，以降低電磁干擾。當(dāng)電子線路中信號(hào)工作頻率小于1MHz時(shí)，由于布線與元器件問(wèn)的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流可能形成較大的干擾，應(yīng)該考慮單點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)考慮降低地線阻抗，可采用多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在110MHz時(shí)，也應(yīng)盡量考慮多點(diǎn)接地。在只有數(shù)字電路組成的PCB板接地時(shí)，要將接地電路做成閉式環(huán)路，可明顯提高電路的抗干擾能力。PCB上的接地連接如要考慮走線時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)

55、將走線盡量加粗。但要知道接地線的最小寬度是從此點(diǎn)到末端的有效寬度，此處“末端”指距離電源連接端最遠(yuǎn)的點(diǎn)。在含有數(shù)字器件開(kāi)關(guān)時(shí)，回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大，但只是瞬時(shí)的，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對(duì)于地平面或接地走線的感抗部分，計(jì)算公式為V=Ldi/dt，其中V是產(chǎn)生的電壓，L是地平面或接地走線的感抗，di是數(shù)字器件的電流變化，dt是持續(xù)時(shí)間。對(duì)地線阻抗部分的影響，其計(jì)算公式為V=RI,其中，V是產(chǎn)生的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過(guò)模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系(即信號(hào)的對(duì)地電壓)。高速電路的地返回信號(hào)也會(huì)造成地平面的電壓發(fā)生變化。與數(shù)字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經(jīng)過(guò)模擬器件時(shí)，地線上的電壓變化會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。不管使用何種技術(shù)，接地回路必須設(shè)計(jì)為最小阻抗和容抗。3.3.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容(EMC)10設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。相反，如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線；而如果信號(hào)不能通過(guò)盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線。在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況。高頻信號(hào)與低頻信號(hào)的回流路徑截然不同。低頻信號(hào)的回流流經(jīng)電阻最小的路徑(直