第四章 軟硬體設計與實現
4.1 硬體元件架構
第四章 軟硬體設計與實現
4.1 硬體元件架構
在硬體元件上，由於現場可編輯邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA) 可藉由程式重新規劃硬體架構，並具有高度平行化、容易整合周邊裝置的特性，以及可 自行設計運算單元來符合影像演算法的需求，因此本論文以 FPGA 為開發基礎，實作了 將影像模組、慣性量測裝置和 GPS 整合之模組，而依照現有實驗需求，此模組必須具 有以下的功能：
攝影機、慣性量測裝置和 GPS 量測資料的整合和同步功能
各裝置穩固地被固定住
慣性量測裝置本身已預先校正
模組能以特定傳輸格式傳輸資料至後端設備，並可錄製資料
Fig. 4-1 cameleon 外觀
為了節省開發上所需的時間，本論文以 optomotive 公司現有的一套型號為 cameleon 的 FPGA camera 為基礎，來整合慣性量測裝置和 GPS。Cameleon 的實際硬體如 Fig. 4-1，
它原先的硬體架構可分為 FPGA 母板和攝影機子板兩部分：在 FPGA 母板的部分，它 採用 Xilinx Spartan-3E XC3S1600E 的 FPGA 做為運算、處理以及周邊控制的核心，
XC3S1600E 具有 376 個 I/O 腳，14752 個 slices，由於利用 FPGA 內部邏輯閘做為記憶 體是非常沒有效率的，因此它另外使用了 64MB 的 DDR SDRAM 來儲存影像，並且有 4MB Flash 可存放韌體相關程式，而為了基本的傳輸需求，在母板上具備 Cypress FX2 USB 傳輸晶片，此外，針對不同電路元件需求，母板利用三組穩壓電路，可供應 1.2、
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2.5、3.3 伏特且電流上限為 1 安培的電源；在攝影機子版的部分，它使用 CMOS 感測器 擷取影像，CMOS 感測器的型號為 Aptina MT9V034，其規格如 Table 4-1，而子板利用 一組雙排接頭與母板連接。
Table 4-1 MT9V034 規格表
Sensor Aptina MT9V034
Type global shutter CMOS
Color mono or color
Optical format 1/3-inch
Active Imager size 4.51mm(H) x 2.88mm(V)
Active pixels 752H x 480V
Pixel size 6.0 x 6.0 μm
Pixel clock 27 MHz
Frame rate 64 FPS (at full resolution)
ADC resolution 10 bit column-parallel
Responsivity 4.8 V/lux-sec (550nm)
Dynamic range >55dB linear; >110dB in HDR mode Automatic exposure and gain control yes, yes
Supply voltage 3.3V
整體硬體平台的架構可分為 FPGA 母板、攝影機子板、IMU 子板以及 GPS 子板，
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4.1.1 慣性量測裝置
在 IMU 子板上，使用 Analog Device 生產的 ADIS16480，其規格、外觀與功能架構 圖分別為 Table 4-2、Fig. 4-3 和 Fig. 4-4，此模組大小為 47 mm× 44 mm × 14 mm，它具 有以下特點：
1. 擁有十個自由度的感測輸出，包含 3 軸加速規、3 軸陀螺儀、3 軸磁力計以及大氣 壓力感測。
2. 內建一個 adaptive Kalman filter 實現加速規、陀螺儀和磁力計的感測器融合，可用 來輸出角度的資訊。
3. 內建可調參數的低通濾波器(如 Fig. 4-5)，可用來濾除真實環境下的高頻雜訊。
4. 出廠前已校正各感測器，包含感測器軸與軸間的空間排列關係、敏感度等等，使得 各感測器有自身的動態補償方程式，因此能提供準確的感測資料。
5. 溝通介面為標準的 SPI 傳輸方式，使得 FPGA 易與其整合。
6. 取樣頻率最高為 2.46kHz，可提供靈敏的動態感測輸出。
基於以上理由，本論文採用此微機電製程的 IMU 作為慣性感測裝置。
Table 4-2 ADIS 16480 規格表
Sensor ADIS 16480
Type MEMS
Size 47 mm x 44 mm x 14 mm
Gyroscope triaxial, ±450 /sec o
Accelerometer triaxial, ±10 g
Magnetometer triaxial, ±2.5 gauss
Dynamic angle outputs 0.1o(pitch, roll) and 0.3o(yaw) static accuracy
Factory-calibrated yes
Communication interface SPI-compatible
Sample rate up to 2.46kHz
Programmable operation and control yes
Supply voltage 3.3V
I/O Interface 3.3V LVTTL
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Fig. 4-3 ADIS16480 外觀
Fig. 4-4 ADIS16480 功能架構圖
Fig. 4-5 ADIS16480 可程式化低通濾波器的頻率響應圖
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4.1.2 GPS
在 GPS 子板上，使用微控科技的 GPS-M2 模組，其規格與外觀分別如 Table 4-3 和 Fig. 4-6 所示，此模組大小為 38 mm× 38 mm × 12 mm，它具有以下特點：
1. 擁有 GPS 和 GLONASS 雙系統模式，相較只使用 GPS 或 GLONASS 單系統的接收 器，此模組可定位的衛星將近增加一倍。
2. 內建 88 個通道數，即時在訊號微弱的環境下，仍可靈敏地定位。
3. 溝通介面為標準的 RS232 傳輸方式，使得 FPGA 易與其整合。
4. 取樣頻率為 1Hz。
基於以上理由，本論文採用此 GPS 模組作為 GPS 接受器。
Table 4-3 GPS M2 規格表
Sensor GPS-M2
Type GPS+GLONASS
Size 38 mm x 38 mm x 12 mm
Horizontal position accuracy 2.5m CEP (Circular Error of Probability)
Velocity accuracy 0.1 m/sec
Time accuracy ±15 ns
Communication interface RS232
Sample rate 1 Hz
Supply voltage 5 V
I/O Interface 3.3V LVTTL
Fig. 4-6 GPS 模組外觀
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為了避免在 VHDL code 中產生 multiple drive(同一個輸出訊號由兩個以上的訊號驅 動)的問題，將曝光訊號的方波順序區分為奇數和偶數，各用不同的計數器來產生慣性