崑 山 科 技 大 學ir.lib.ksu.edu.tw/bitstream/987654321/1830/1/專題製作...9 chapter3: work...
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崑 山 科 技 大 學
電 子 工 程 系 四 技 部
專 題 研 究 報 告
FPGA 輔助之可程式顯微自動聚焦系統
FPGA-aided Reconfigurable Microscope
Auto-focus System
學生學生學生學生：：：： 賴振豪賴振豪賴振豪賴振豪
林哲慶林哲慶林哲慶林哲慶
陳偉群陳偉群陳偉群陳偉群
廖志哲廖志哲廖志哲廖志哲
指導教授指導教授指導教授指導教授：：：： 陳朝烈陳朝烈陳朝烈陳朝烈 老師老師老師老師
中 華 民 國 九 十 六 年 五 月
電崑電崑電崑電崑
子山子山子山子山
系科系科系科系科
四技四技四技四技
技大技大技大技大
部學部學部學部學
F
P
G
A
輔輔輔輔
助助助助
之之之之
可可可可
程程程程
式式式式
顯顯顯顯
微微微微
自自自自
動動動動
聚聚聚聚
焦焦焦焦
系系系系
統統統統
賴林賴林賴林賴林
振哲振哲振哲振哲
豪慶豪慶豪慶豪慶
、、、、、、、、
陳廖陳廖陳廖陳廖
偉志偉志偉志偉志
群哲群哲群哲群哲
撰撰撰撰
九九九九
十十十十
六六六六
年年年年
五五五五
月月月月
I
摘要摘要摘要摘要
一種可排除機台裝置誤差影響可穩定的執行自動聚焦的聚焦
系統，經由顯微鏡鏡頭，再由攝影機取得影像，把畫像資料傳送
到單一 FPGA 去做處理，處理複數張影像取得最佳的 FV 值，最後
由 FPGA 發送信號來控制步進馬達讓鏡頭移動到影像最清晰的那
一張，達到自動聚焦的效果。
II
目錄目錄目錄目錄
摘要摘要摘要摘要.................................................................................................................................................................................................... IIII
目錄目錄目錄目錄................................................................................................................................................................................................ IIIIIIII
圖目錄圖目錄圖目錄圖目錄.................................................................................................................................................................................... IIIIIIIIIIII
Chapter1: IntroductionChapter1: IntroductionChapter1: IntroductionChapter1: Introduction ............................................................................................................................ 1111
1.11.11.11.1 緒論與實行動機緒論與實行動機緒論與實行動機緒論與實行動機................................................................................................................................................ 1111
1.21.21.21.2 系統特點系統特點系統特點系統特點 .................................................................................................................................................................... 2222
Chapter2: SpecificationsChapter2: SpecificationsChapter2: SpecificationsChapter2: Specifications .................................................................................................................... 4444
2.12.12.12.1 系統架構系統架構系統架構系統架構 .................................................................................................................................................................... 4444
Chapter3: Work TheoryChapter3: Work TheoryChapter3: Work TheoryChapter3: Work Theory ................................................................................................................................ 9999
3.1 3.1 3.1 3.1 影像處理影像處理影像處理影像處理 .................................................................................................................................................................... 9999
3.23.23.23.2 自動聚焦演算法自動聚焦演算法自動聚焦演算法自動聚焦演算法............................................................................................................................................ 24242424
3.33.33.33.3 硬體電路設計硬體電路設計硬體電路設計硬體電路設計.................................................................................................................................................... 35353535
Chapter4: ConclusionChapter4: ConclusionChapter4: ConclusionChapter4: Conclusion ................................................................................................................................ 39393939
心得與討論心得與討論心得與討論心得與討論 ........................................................................................................................................................................ 39393939
參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻................................................................................................................................................................................ 40404040
附錄附錄附錄附錄 AAAA ........................................................................................................................................................................................ 41414141
III
圖目錄
圖 1.聚焦平面架構 ......................................5
圖 2.聚焦模組架構圖 ....................................6
圖 3.聚焦模組機台實體圖 ................................7
圖 4.技術關聯圖 ........................................8
圖 5.Block Ram 在螢幕呈現方式...........................9
圖 6.Spartan3-1000 雙層板 .............................11
圖 7.影像控制範圍 .....................................12
圖 8.控制資料寫入讀出的資料速波形 .....................13
圖 9.讀出跟寫入實際量測的波形圖 .......................14
圖 10.WRITE_FIRST 模式 ................................15
圖 11.0 場之狀態機.....................................16
圖 12.1 場之狀態機.....................................16
圖 13.影像資料流內容起始跟結束的觸發信號 ..............19
圖 14.資料的讀取起始跟完成表格 ........................20
圖 15.NTSC video Frame Details ........................21
圖 16.I2C 的實體構造圖.................................23
圖 17 馬達實體圖.......................................26
圖 18.馬達驅動器內部與外部電路 ........................27
IV
圖 19.馬達程式控制方塊圖 ..............................29
圖 20.馬達程式控制之狀態機 ............................30
圖 21.聚焦值曲線圖. ...................................32
圖 22.影像讀取狀態機 ................................. 33
圖 23.正轉與反轉之延遲時間 ............................35
圖 24.電壓波形需求 ....................................36
圖 25.定位控制器驅動電路 ..............................37
圖 26.光遮斷控制器 ....................................38
圖 27.參展海報 ........................................41
1
Chapter1: Introduction
1.1 緒論緒論緒論緒論與實行動機與實行動機與實行動機與實行動機
進年來許多產品都走向微精密化，元件的精細度逐步的走向
微米、奈米等級，因此，使用顯微鏡頭進行光學檢測在業界是越
來越普及的現象，而顯微鏡頭下快速自動聚焦系統乃屬精密機械
科技產品，是光學顯微檢測系統性能重要指標之一，而利用顯微
鏡頭進行檢測所需的精細度遠比普通攝影機還要高。然而在實際
生產線進行品檢時，往往會碰到機台裝置上的誤差，或攝影機與
待測物並非完全垂直的問題，細微的位置變動都可能對攝影機對
焦結果產生巨大的影響，為了能讓光學檢測儀器取得最佳的影
像，設備的鏡頭焦距必須一直做適當的調整，方能取得較適當的
檢測影像。
顯微鏡頭下快速自動聚焦系統乃屬精密機械之科技產品，其
需求一定程度之生產技術，且經不斷的測試及技術改進，方可產
製精良及穩定的產品。國內大部份業者自行研發之自動聚焦系
統，無法達到客戶之需求，於是採購市售品，而市售品為日本廠
商所壟斷，價格無法有效降低，廠商所生產設備成本無法下降。
就實際的自動化生產線而言，要求的是快速、精準的檢測速
度，自然不可能仰賴人工去進行鏡頭。
2
1.2系統特點系統特點系統特點系統特點
之所以選用 FPGA(Field Programmable Gate Array)來當作實行製
作工具，重點是因為 FPGA 為可規劃邏輯陣列晶片，特性是可以
重複規劃，並可以重複燒入我們的設計可以隨時更改或更新程式。
為了實現上述所提及的效果，本實驗完全利用了 FPGA 的功
效，整個程式架構功能分明，讓系統程式內部可隨需求加以調整，
提高應用上的靈活性，在外部硬體方面省去了一般使用的光學系
統，完全節省了成本上的消耗，同時節省了使用者空間上的問題，
在計算聚焦值時也省去特徵化、平滑化處理效果，使用原始影像
搭配定為控制器就可順利完成聚焦，用在生產線上可提升檢測時
的速度、精確度，並且可減少人力資源的使用，用在醫學上，本
裝置在自動聚焦時並不會去影響干涉影像本質，是最原始的影
像，最適合不過。
使用 FPGA 內部所提供的 Block Ram 來取代記憶體使用來提
昇工作效率，可縮小之前設計多出記憶體外接，或者多設記憶體
空間問題。
1. 由國人自製的 FPGA 輔助之可程式顯微自動聚焦系統。
2. 程式系統可視需求即時調整，應用靈活度高。
3
3. 本研究擬開發自動聚焦系統之聚焦時間擬鎖定為 1.0 ~ 1.5 秒
間，可有效地提升生產線品檢速度，並降低不良率的輸出。
4. FPGA 輔助之可程式顯微自動聚焦系統可提昇國內自動化光
學檢測儀器検測水準及國際市場的競爭力。
5. 不佔用額外的外部記憶體來進行自動聚焦，未來更可以用在數
位相機中。
4
Chapter2: Specifications
2.1 系統架構系統架構系統架構系統架構
本研究擬計開發之快速影像自動聚焦系統，所使用設備為具
有影像擷取功能攝影（CCD、攝影機、影像擷取卡…），先在平台
上將待測物品定位，伺服機構自動動作進行初次動態對焦動作，
進行第一次拍攝，獲得所要擷取的影像之後，利用具有影像處裡
功能的硬體，如 Computer、IC…，使用以分析軟體自動判斷出待
測物體影像，何為較佳之對焦基準區域後，並停止對焦動作，尋
找灰階值對比是否達到要求，如果已符合要求即系統停止，反之
則判斷何為較佳之對焦基準區域後，再使用具有高性能的伺服馬
達與線性滑軌，微調攝影機位置進行第二次拍攝，第二次的影像
擷取完，再選取定義的基準區域進行影像處理與分析，然後與第
一次擷取的資料做比對，判斷對焦精度是否已經達到標準，如果
已經達到系統要求即停止馬達動作，反之則推估資料的差異性，
來判斷接下來所要移動的距離，調整鏡頭聚焦位置，再進行影像
處理，反覆進行以上流程，直至找到最佳的對焦位置為止。本專
題使用之電路板為 Xilinx 之 SoPC 系統雛型電路板，PCB 板含
Spartan III FPGA [4]、記憶體、周邊 IO 等[6]。
5
系統的構成系統的構成系統的構成系統的構成:
RK 系列 5 相步進馬達組合的運轉 , 必須使用具有脈波輸出功能的控制
器。
圖1.上圖為聚焦平面架構
馬達
電纜
線
FPGA
控制器
(可程式控制器)
脈波輸出‧輸入
輸出信號
定
位
控
制
器
輸入輸出信號
輸出輸入信號
5 相步進馬達組合 RK 系列
馬達
控制器
6
圖 2.上圖為聚焦模組架構圖
聚焦模組説明:
1.被聚焦物與透鏡經由馬達高速運作，取得多筆影像資料去做
處理的動作，一次處理去計算出聚焦值(FV 值)的動作，在取得
多筆影像資料和計算出最佳聚焦值過程中，有影像資料多工
(Dual Port)使用動作除了用來計算聚焦值，還用來馬達控制，螢
幕顯示的動作。
2.影像多工處理其前還使用了 Block Ram 做影像資料寫入讀出
的多工處理：當作聚焦值計算時所需的畫像資料，同時用來螢
幕顯示和馬達控制的處理張數。
3.聚焦值計算當中，根據上述取的的影像資料的個個點做計算
FPGA
ABC
防震桌防震桌防震桌防震桌
攝影
顯微
步進馬達定位控制
FPGA
控制器
(可程式控制
馬達
驅動器 Cable
Cable in
Gnd 馬達
7
取得值，做平均算出聚焦值，其中算出來得最大值的那張影像，
為最佳聚焦位置。
4.自動聚焦動作中，是一面做聚焦掃描取得多筆影像資料，一
面做聚焦值的計算，影像掃描取得的動作和聚焦值的計算是同
步處理的動作。
5.根據影像掃描取得的動作和聚焦值的計算是同步處理的動
作，所以最後鏡頭所停下的位置及為最佳聚焦位置。
圖 3.上圖為聚焦模組機台實體圖
(由崑山機械系所提供)
8
圖 4. 技術關聯圖
FPGA 輔助可程式顯微自動聚焦系統
設計方式 設計策略與管理
理論與數據實用化
實驗理論數據與成果 硬體設備架設 控制程式撰寫
馬達
9
Chapter3: Work Theory
3.1 影像處理影像處理影像處理影像處理
此原理不佔用額外的外部記憶體來進行自動聚焦。
影像畫面顯示影像畫面顯示影像畫面顯示影像畫面顯示
圖 5. Block Ram 在螢幕呈現方式
本裝置採用 FPGA 內部所提供的 Block Ram 來取代以往必須
使用的 SDRAM 記憶體，除了可以縮減機體體積大小，也減少了
處理上所需的時間。
使用 Block Ram DUAL_PORT 雙通道，用寫進讀出的時間
差，把影像顯示完成，因為讀比寫快一倍的時間，但為了補足這
時間差距，剩餘的時間用黑色影像輸出，這樣就能使寫入跟讀出
達成同步，藉此快速交互的使用，來完成整個影像畫面，這也是
利用人類視覺暫留所達到的效果。
0場場場場1
0場場場場2
0場場場場n-1
0場場場場n
1場場場場1
1場場場場n-2
1場場場場n-1
1場場場場n
.…
blanking
10
把 Block Ram 替作 FIFO 使用，當在顯示奇場時，第 1 個 FIFO
首次直接作寫入讀出的動作，而第 2 個 FIFO 在第 1 個 FIFO 在做
讀出時開始做寫入的動作，但在第 1 個 FIFO 讀完時第 2 個 FIFO
只寫入一半，所以第 1 個 FIFO 將繼續在偶場丟 0 的值，讓偶場產
生黑色，第 1 個步驟就先將奇場全部顯示，偶場全顯示黑色，第 2
個步驟就是使用同上的方法將偶場顯示出來，奇場顯示黑色，這
樣交替顯示，因為動作的速度很快這樣人眼並不會感覺出來，是
以不影響觀察為前提所採用的方法。
11
FPGA Video Solution 電路板介紹
圖 6.上圖[7]為 Spartan3-1000 雙層板
說明: 我們用來做實驗的控制板，上層小的那塊板是主要 FPGA
控制板，搭配下層大塊的功能板，圖左上一對圓柱是用來接攝影
機用，可以把影像資料讀進來做處理，然後必須接到定位控制器
輸入，再進一步控制馬達驅動器。
12
Video Decoder
本系統所使用之 Video Decoder 為 Texas Instruments (TI)編號為
TVP5150 之影像訊號解碼器，內含 ADC、接收 NTSC 訊號、以及
I2C 控制之機制，詳細資料請參閱[5]。其符號與變數說明如下：
− VBLK : Vertical blanking pulse。
− AVID : AVID(影像處理晶片) 晶片。
− VIDHSYNC : 攝影機所產生傳送出來的 HSYNC。
− HSYNC_New : 對應 VIDHSYNC 去產生的 HSYNC。
圖 7.影像控制範圍
此圖[5]主要是用來說明整個畫面的中間區域大小 (AVID
Cropped Area)是程式系統可以控制的部分。
AVID Cropped
Area
AVID Start AVID stop
VBLK stop
VBLK start
Active Video Area
HSYNC
VSYNC
13
De-interlacing
圖 8.控制資料寫入讀出的資料速波形
預設兩個暫存器來做寫入核備讀取的動作，但原本的 HSYNC
讀寫速度是 15.75K 但為了製造出快 1 倍的速度讀取，所以將原本
大小的訊號中間做個凹槽，做取樣凹槽的地方和左右兩邊的資料
即為無效資料，來達到我們所要的讀寫需求。
15.75k
31.5k
145 158 145 158
151 14366 78
+64 -64
1 1 有效資料 有效資料
0 143
14
實際測量出來的波型實際測量出來的波型實際測量出來的波型實際測量出來的波型
- VIDHSYNC : 攝影機所產生傳送出來的 HSYNC。
- Hsync_new : 對應 VIDHSYNC 去產生的 HSYNC。
圖 9.讀出跟寫入實際量測的波形圖
Video 所產生的HSYNC 為中間(D10)，為了需求所產生的HSYNC
為下方(D12)，VSYNC 為上方(D11)。
VIDHSYNC => 65.05us, 15.37 kHz。
Hsync_new => 34.73us, 28.0 kHz。
根據上述理論要達到輸出和輸入的效果，在示波器工具下實際量
測出來的結果。
15
圖 10. WRITE_FIRST 模式
Block RAM 在 WRITE_FIRST 模式下的資料運作圖[4]，是本專
題所採用的 block ram 讀寫模式。當 WE 和 EN 的信號在 CLK 正
緣致能後（WE=1，EN=1），在 DI 的資料寫到 block ram 裡，位
址由 ADDR 指定。在資料能夠存取在 DO 為輸出之情況，基本上
資料的存取通常發生在 WE 的輸入為一個定值的時候，在這個狀
況下，資料因ADDR(位址)線通過輸出拴鎖到DO的輸出而被儲存。
16
FSM(De-interlacing)
field =‘0'
ADDRA<= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(hcnt13p5MHz, 11); WEA <='1';WEB <='0';
hsyncnew <='1';
video_out <= X"00"&'0'; hsyncnew <='1';
ADDRB <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(hcnt27Mhz-784, 11);video_out <= DOB&'0';hsyncnew <='1';
hsyncnew <='0';
hcnt27Mhz >= 1584 and hcnt27Mhz <= 1715
hcnt27Mhz <= 655
hcnt27Mhz >= 784 and hcnt27Mhz <= 1455
else
VideoState = stLumaBlue or VideoState = stLumaRed
圖 11. 0 場之狀態機
field =‘1'
DDRB<= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(hcnt13p5MHz, 11);WEA <='0';WEB <='1';
hsyncnew <='1';
ADDRA <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(hcnt27Mhz, 11);video_out <= DOA&'0';
hsyncnew <='1';
video_out <= X"00"&'0';--buf(0)(hcnt27Mhz);hsyncnew <='1';
hsyncnew <='0';
VideoState = stLumaBlue or VideoState = stLumaRed
hcnt27Mhz >= 1584 and hcnt27Mhz <= 1715
hcnt27Mhz <= 655
hcnt27Mhz >= 784 and hcnt27Mhz <= 1455
else
圖 12. 1 場之狀態機
17
field = ‘0’ 0 場
field = ‘1’ 1 場
DOA => DOA, --Port A 8-bit Data Output 讀奇線輸出，videoout 在
field =‘1’寫 1 場的時候選這個
DOB => DOB, --Port B 8-bit Data Output 讀偶線輸出，videoout 在
field=‘1’寫 1 場的時候選這個
ADDRA => ADDRA, --Port A 11-bit Address Input 寫 0 場的時候
hcnt13p5MHz 或者讀奇 0 場 hcnt27MHz
ADDRB => ADDRB, --Port B 11-bit Address Input 寫 1 場的時候
hcnt13p5MHz 或者讀偶 1 場 hcnt27MHz
DIA => vpoLatch, --Port A 8-bit Data Input 寫 0 場的時候 <= Yout
DIB => vpoLatch, --Port B 8-bit Data Input 寫 0 場的時候 <= Yout
WEA => WEA --Port A Write Enable Input 寫 0 場的時候
WEA <=‘1’, WEB <=‘0’
WEB => WEB --Port B Write Enable Input 寫 1 場的時候
WEA <=‘0’, WEB <=‘1’
說明：
當寫 0 場的時候，選擇 A Buffer，頻率是 13.5MHz，則寫 0 場的
時候同時間讀 1 場，頻率則為 27MHz。
當寫 1 場的時候，選擇 B Buffer，頻率是 13.5MHz，則寫 1 場的
18
時候同時間讀 0 場，頻率則為 27MHz。
當讀完 A Buffer 的時候，B Buffer 才填充到一半，這時候就先輸
出黑色等待 B Buffer 填完，在開始填充 A Buffer；填充 A Buffer
時，同時間讀取 B Buffer，方法如同讀取 A Buffer 時。
此方式的優點是解省記憶體，只需要兩條 Buffer，不用像舊式
的要跟圖像一樣大的記憶體。整理對此研究來說，解省不少時間。
19
ITU-R BT.656 Timing
圖 13.影像資料流內容起始跟結束的觸發信號
此張圖表是跟下方圖表相關聯的(參閱[5])，在資料的開始
(SAV)和結束時(EAV)，都會有收到 FF、00、00 、XX 這樣的信號，
中間資料流 Cb Y Cr Y …，而 XX 的(D6,D5,D4)值對照(F，V，H)
值這樣可以判別出一串信號的起始跟結束或者其它動作，此表須
參照下一張表一起對照。
HSYNC
AVID
NTSC60
PAL60
SECA
ITU656
DATASTREAM
1436
1436
1436
Cb
1437
1437
1437
Y
1438
1438
1438
Cr
1439
1439
1439
Y
1440
1440
1440
FF
1441
1441
1441
00
…
…
…
…
1455
1459
1479
10
1456
1460
1480
80
…
…
…
…
1583
1587
1607
10
1584
1588
1608
80
…
…
…
…
1711
1723
1719
10
1712
1724
1720
FF
1713
1725
1721
00
HSYNC START
AVID STOP
20
EAV and SAV Sequence
圖 14.資料的讀取起始跟完成表格。
上方圖表[5]是 8-bits Data 資料輸入，什麼時候開始讀取到結
束表中 FＶH 分別的代表意思為：
F = 0 , field0(0 場) V = 0 , active video H = 0 , SAV(開始)
F = 1 , field1(1 場) V = 1 , blanking H = 1 , EAV(結束)
附註: P3 = V xor H
P2 = F xor H
P1 = F xor V
P0 = F xor V xor H
Preamble
Preamble
Preamble
D7 MSB D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LSB
1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
1 F V H P3 P2 P1 P0 Status word
FF
00
00
21
圖 15.NTSC video Frame Details[6]
搭配上方幾張的圖來看這 Vsync 和 Hsync 的關係圖 Vsync 在
第 4行的時候 blanking 和第 266行時候 blanking(Vsync總共有 525
行)。
22
I2C 介紹介紹介紹介紹
因為我們所使用的 FPGA 介面版裡有使用 I2C 晶片(使用接腳
SDA,SCK)所以對此介紹。
I2C 全名為 Inter-IC，I2C 1.0 即提供兩種定址模式與三種傳速
模式，定址方面分成 10-bit 長定址與 7-bit 短定址，表示在同一個
I2C-bus 上能允許的晶片連接數（長定址為 1,024 個，短定址為 128
個，但實際上極難用至如此多的連接數，原因將於後述），傳速方
面則有 10kbps 的低速模式、100kbps 的標準模式、及 400kbps 的
快速模式。
般而言，若 I2C 所用的 Vdd 為傳統 5V，則提升電阻必須在
1.6kΩ以下，1992 年 I2C 剛提出時，當時的 486 電腦也都還在用
5V。不過，今日 3.3V 已是主流，若 Vdd 為 3V 左右，則阻值勿超
過 1kΩ。
附註附註附註附註：：：：低速模式甚少使用低速模式甚少使用低速模式甚少使用低速模式甚少使用，，，，因此在多數文件中也極少提及因此在多數文件中也極少提及因此在多數文件中也極少提及因此在多數文件中也極少提及。。。。
附註附註附註附註：：：：I2C 一個時脈傳送一個位元一個時脈傳送一個位元一個時脈傳送一個位元一個時脈傳送一個位元，，，，所以所以所以所以 400kbps 傳輸率傳輸率傳輸率傳輸率，，，，其意其意其意其意
思等同於思等同於思等同於思等同於 400kHz 運作時脈運作時脈運作時脈運作時脈。。。。
23
I2C 的實體層面的實體層面的實體層面的實體層面
I2C 在實體連接上相當簡單，僅有兩條線路：SDA（Serial Data
Line）資料線、SCL（Serial Clock Line，有些也寫成 SCK）時脈
線，所有 I2C 裝置（多半是指一顆獨立封裝的晶片）都並接這兩
條線路，同時各連接都是開汲極（Open Drain）式的 I/O 接腳，亦
即接腳內部的開關在導通時為接地的邏輯低準位（Low，Lo），而
不導通時則形同斷線浮接，不過 I2C 並不是要使用浮接狀態，而
是要使用真正的邏輯高準位，所以在 SDA、SCL 兩線上都加入提
升電阻（Pull-up resister），使未導通狀態下線路會處於邏輯高準位
（High，Hi）狀態。
圖 16. I2C 的實體構造圖(網路上轉載)
24
3.2 自動聚焦演算法
自動對焦演算法公式自動對焦演算法公式自動對焦演算法公式自動對焦演算法公式
在[3]中提到利用Sobel邊緣偵測演算法來進行focus measure的量
測，也有其他如[1]之focus measure，可是我們經Matlab以及Labview
發現Sobel邊緣偵測法來計算focus measure是最好的。說明如下：
),( yxf 是像素飽和值 而 2
xf , 2
yf 分別為延著水平和垂直方向的
梯度。可以使用索柏演算法和卷積核來估算梯度的值。。。。
−
−
−
=
101
202
101
xi，
−−−
=
121
000
121
yi
估算如下梯度的量即為 focus measure
22 )),(()),((),( yxfiyxfiyxS yx ×+×=
25
馬達程式控制方塊圖馬達程式控制方塊圖馬達程式控制方塊圖馬達程式控制方塊圖
本系統使用之步進馬達為工業用精密步進馬達本系統使用之步進馬達為工業用精密步進馬達本系統使用之步進馬達為工業用精密步進馬達本系統使用之步進馬達為工業用精密步進馬達[2]，，，，主要特徵主要特徵主要特徵主要特徵：：：：
可低速振震動運轉
RK 系列採用可以微小角運轉的微步進驅動方式，即使低速運
轉時震動也極小，實現平滑的運轉。
平滑驅動
平滑滑驅動功能使輸入脈波頻率，解析度直接在驅動器內部自
動地進行 16 分割的微步進驅動，實現低速時的低振動和低噪
聲。
內藏過熱保護功能
驅動器內部溫度超過 80時，過熱保護功能即停止動作，將
O.H.（過熱）輸出變為「OFF」，發出「異常」通知（平時為
「ON」狀態）。過熱保護功能動作時，可以選擇馬達的運轉停
止（A.C.O.：自動電流切斷：出廠時設定）或繼續運轉（OFF：
自動電流切斷解除）。
可調整運轉電流
通過內藏數字開關可調整馬達的運轉電流和停止時電流。
可設定、選擇解析度
馬達的解析度的設定開關有 2 個、各可設定為 16 段，通過控
26
制器進行選擇。
省電模式
馬達停止後將馬達輸出電流 OFF，用電磁剎車保持。可以減少
耗電並抑制馬達、驅動器的發熱。
規格：
適用規格 認證機構 規格檔案 No.
UL1004，UL519
CSA C22.2
No.100*3
CSA C22.2
No.77*3
UL File No. E64199 馬
達
EN60950
EN60034-1
EN60034-5
VDE*2 Licence No.
114293UG
圖 17 馬達實體圖(最右邊為馬達驅動器) : 崑山機械系所提供
介紹 : 當高速馬達往左轉，實驗鏡頭向下移動，而當高速馬達往
右轉，實驗鏡頭向上移動，換句話說，高速馬達是用來控制鏡頭
27
的工具。
馬達驅動器馬達驅動器馬達驅動器馬達驅動器輸入輸入輸入輸入信號的說明信號的說明信號的說明信號的說明
驅動器的輸入信號全部為光耦合器輸入。
信號的狀態並不表示信號的電壓準位，而是表示內部光耦合器的
「ON：通電」、「OFF：不通電」這兩種狀態。
Q1
2N2222A
0
CW,CCW,C/S
D1
PIN NO
2,4,8FPGA
U11
2 4
3
PIN NO
1,3,7
+5V
R1 20021
驅驅驅驅驅驅驅
圖 18.馬達驅動器內部與外部電路參考自[2]
PIN NO. 信號名
1 +PLS
2 -PLS
3 +DIR
4 -DIR
7 +C/S
8 -C/S
輸入信號電壓在 DC5V，輸入電流保持在 10mA~20mA 範圍內。
符號與變數說明如下：
- DIR : 給馬達之 Direct 方向，CCW 或 CW。
- PLS : 給馬達之 Pluse 方向，須符合說明書之波形。
- C/S : 步進角之切換。馬達控制器可設置 2 組步進角，使用的時
28
候我們可以依情況選用。
- FSM : 狀態機。(主體)
- Bounds : 可設置各計數值之上限。
- V_sync , H_sync : 計數 V_sync 跟 H_sync 之數。
- Counter_Pic : 計數圖片數目。
- Counter_Timer : 計數時間。不同情況不同的脈波需求。
- Counter_Pulse : 計數 Pulse 的需輸出數量。
- Gen : 利用 Counter_Pulse 和 FSM 之轉變判斷輸出 DIR、PLS 和
C/S。
29
圖 19. 馬達程式控制方塊圖
由 狀態機 (FSM) 去控制 (bounds) 之 V_sync 、 H_sync 、
Counter_pic、Counter_timer、Counter_pulse計數上限值，(V_sync)、
(H_sync)、(Counter_pic)、(Counter_timer)、(Counter_pulse)再經由
(bounds)所提供之上限值去計數，之後數值傳到狀態機(FSM)在去
做判斷狀態之變換，再經由狀態機 (FSM)跟計數 pulse 數
(Counter_pulse)傳遞訊號給(GEN)以用來輸出步進馬達所需要的
DIR，PLS，C/S規格的值。
DIR
FSM bounds
Counter
pulse
Counter
timer
Counter
pic
Gen PLS C/S
V_sync
H_sync
30
馬達程式控制馬達程式控制馬達程式控制馬達程式控制之之之之 FSM(狀態機狀態機狀態機狀態機)
符號與變數說明符號與變數說明符號與變數說明符號與變數說明：：：：
- CCW：逆時針方向。 CW：順時針方向。
- picmax_FV：為最大 FV 值。
- Video_state_program：開始使用 i2c 追尋 video_decoder 晶片跑程
式的訊號提示。
- PIC_TOP：為掃描的張數。 Vpolatch：為 Y 值。
圖 20. 馬達程式控制之狀態機
00
11 10
01 count_pls=upnd_pls and t > 299 and
vpolatch(5 downto 4 )= “00”
and Video_state_program =
Field = ‘1’ and
Field_change=‘1’
and pixel_wr =‘1’
count_pic = PIC_TOP and t > 299
DIR = CCw
C/S = 0
PLS =
picmax_FV
DIR = CW
C/S = 0
PLS =0
DIR = CW
C/S =0
PLS =1
pic#++
If StoreFV_new > FV_old
FV_old <= StoreFV_new
Pic#maxFV <= count_pic
DIR = CCw
C/S = 0
PLS = PIC_TOP –
picmax_FV
t > 9 and Gsw=‘0’ count_pic < PIC_TOP
31
註解註解註解註解: 00 => 歸零(回到初始點)
01 => 1 個畫面讀取中
10 => 判斷是否全部的圖讀取完畢
11 => 回到掃描過的圖之聚焦最好的地方
歸零（回到初始點）：ㄧ開始的狀態為00，此時DIR=CCW，
C/S=0，PLS=picmax_FV，當計數脈波等於上限脈波而且時
間大於299us且y值第5到4位元為00，然後要接收到開始使用
i2c追尋video_decoder晶片跑程式的訊號提示，達到此條件時
狀態轉01。
當狀態到01時，此時DIR=CW，C/S=0，PLS=0，當為1場時
且場轉換信號為1，且pixel有信號，則狀態轉10。
當狀態等於10時，DIR=CW，C/S=0，PLS=1，圖片計數+1。
如果新的FV值大於舊的FV值，則把它覆蓋，反之丟棄，並
紀錄這是第幾張圖。
反之狀態10若要轉回01，則計數脈波需小於上限脈波，而若
要轉11，則計數脈波需大於上限脈波。
當 狀 態 為 11 ， DIR=CCW ， C/S=0 ， PLS=PIC_TOP -
picmax_FV。
32
Focus measure curves
圖21.聚焦值曲線圖[3].
根據[3]，同樣一張圖因為焦距的關係，使之造成模糊(a圖)與清晰
(b圖)的兩種情況，利用演算法計算圖像的梯度，將它畫成(c圖)的
圖示，x軸為focus value，y軸為鏡頭位置，可以發現最高值為最清
晰圖像的聚焦位置。
33
Video Decoder 之之之之 FSM
nextReturnState <= stCheckForNewPage;
nextReturnState <= stCheckForFirstLine
nextReturnState <= stCheckForFirstLine
nextReturnState <= stCheckForNewPage
else
nextState <= returnState
idle Escape Escape2
Firstline
Newpage
Escape1
End line
New line
capture = ‘ 1‘
vpoLatch = X"FF"
else else
vpoLatch = X“00"
vpoLatch(6 downto 5) = "01"
else
else
vpoLatch(6 downto 4) = "000"
nextField <= '0'
capture = ‘ 1 ‘
else
vpoLatch(6 downto 4) = "111"
vpoLatch(6 downto 4) = "011"
nextReturnState <= stCheckForNewLine
vpoLatch(5 downto 4) = "01"
nextReturnState <= stCheckForNewLine
vpoLatch(5 downto 4) = "00"
nextField <= vpoLatch(6)
nextReturnState <= stCheckForNewLine
else
nextReturnState <= stCheckForNewPage
error <= '1'else
vpoLatch = X"00"
vpoLatch /= X"FF" and vpoLatch /= X"00"
Chromablue
Blue
Chromared
Red
vpoLatch = X"FF"
nextReturnState <= stCheckForEndLine
elsenextChrominanceB <= vpoLatch
nextLuminanceB <= vpoLatch
else
vpoLatch /= X"FF" and vpoLatch /= X"00"
nextChrominanceR <= vpoLatchelse
vpoLatch /= X"FF" and vpoLatch /= X"00"
nextLuminanceR <= vpoLatch
else
PS:接地是代表狀態接地是代表狀態接地是代表狀態接地是代表狀態Error
所有接地都是聯道此狀態所有接地都是聯道此狀態所有接地都是聯道此狀態所有接地都是聯道此狀態
圖 22.影像讀取狀態機
34
此圖主要是說明，一個完整影像掃描過程中，正確讀取有效資料，
在時間內進行掃描、讀取資料和解碼， 該換下一行換下一張，到
完成。
35
3.3 硬體電路設計硬體電路設計硬體電路設計硬體電路設計
符號與變數說明
PLS : 為脈波信號
DIR : 為轉向信號 :有正轉與反轉。
1. DIR 輸入為「ON」是，PLS 輸入完成一個「ON→OFF」，
則馬達朝 CW 方向運轉一個步進角。
2. DIR 輸入為「OFF」是，PLS 輸入完成一個「ON→OFF」，
則馬達朝 CCW 方向運轉一個步進角。
圖 23. 正轉與反轉之延遲時間
註解: DATA1 與 DATA2 分別為步進角，步進度數則可以用螺絲起
子來轉動馬達驅動器上的螺絲帽做調整。
C/S（步進角切換）輸入，選擇、切換二個步進角切換開關
（DATA1、DATA2）。
10uS 以上 10uS 以上
ON
OFF PLS 輸入
CW CCW ON
OFF DIR 輸入
CW
CCW
馬達動作
36
1. C/S 輸入設定為「OFF」後，則設定、切換成［DATA1］。
2. C/S 輸入設定為「ON」後，則設定、切換成［DATA2］。
圖片說明(PLS 與 DIR) : DIR 要由 CW 轉換成 CCW 需要 10us 的緩
衝時間，在轉換成 CCW 之後也需要 10us 的緩衝時間後才能輸出
PLS 波形。
圖 24. 電壓波形需求
註解: 橫軸為時間(t)，縱軸為電壓(v)
圖片說明(端子間的電壓設定波形) :輸入馬達驅動器的波形需要符
合如上圖的規格，上升時間(10%->90%)和下降時間(90%->10%)，
要在 2us 以下；在到達 ON 或 OFF 的持續時間需要在 2.5us 以下才
能符合需求。
10%
90%
2uS 以下
2.5uS 以下 2.5uS 以下
2uS 以下
ON
OFF
端子間的電壓
ON: +4.5~5V
OFF: 0~+1V
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定位控制器
-C/S
Q1
2N2222A
-DIR
FPGA_C/S
Q2
2N2222A
Q3
2N2222A
+PLS
+C/S
-PLS
VCCFPGA_DIR
FPGA_PLS
+DIR
0
圖 25.定位控制器驅動電路。
根據[2]之步進馬達特性，其定位控制器必須由足夠電流來驅動，
驅動設計如圖 19。輸入電壓若直接連至輸出馬達驅動器到機台，
因為負載的關係，可能致使信號微弱，因而在中間接一個電晶體
當開關來做緩衝，達到保護訊號良好的目的。
符號與變數說明符號與變數說明符號與變數說明符號與變數說明：：：：
- FPGA_PLS 為 FPGA 的輸出信號，為脈衝信號。
- FPGA_DIR 為 FPGA 的輸出信號，為轉向信號：有正轉與反轉。
- FPGA_C/S 為 FPGA 的輸出信號，為步進角度數信號:有。
- ±PLS 為 FPGA_PLS 連接到馬達驅動器的信號。
- ±DIR 為 FPGA_DIR 連接到馬達驅動器的信號。
- ±C/S 為 FPGA_C/S 連接到馬達驅動器的信號。
38
光遮斷控制器
MID_Blue
VCC
FPGA_TOP
TOP_Blue
BOT_While
0
R3 220
TOP_Brown
FPGA_MID
R2 220
R1 220
TOP_While
BOT_Brown
MID_While
MID_Brown
FPGA_BOT
BOT_Blue
圖 26.光遮斷控制器
圖片說明(光遮斷控制器) : 為一種保護鏡頭的裝置，當鏡頭超過上
界限，則 FPGA_TOP 會遮斷，使鏡頭保持在安全狀態，而當馬達
鏡頭超過下界限則 FPGA_BOT 會遮斷，最後 FPGA_MID 只有在
特殊情況下，才會被使用(例如:需要使用雙重界限時)。
符號與變數說明符號與變數說明符號與變數說明符號與變數說明：：：：
- FPGA_TOP 為 FPGA 的輸入信號，為上光遮斷器。
- FPGA_MID 為 FPGA 的輸入信號，為中光遮斷器。
- FPGA_BOT 為 FPGA 的輸入信號，為下光遮斷器。
- Brown 為光遮斷器的 VCC。
- While 為光遮斷器的信號線。
- Blue 為光遮斷器的 GND。
39
Chapter4: Conclusion
心得與討論心得與討論心得與討論心得與討論
自動聚焦之系統不僅在於 LCD、CF、玻璃基板、半導體檢查
上有相當大的幫助，而且能夠適用於在各種相關產業如，數位相
機、攝影機、手機、醫學…等等，諸如此類的產品產業上，現今
社會講求速度化自動化，而我們的實驗就是在讓這些產品產業能
做到速度和自動這樣的效果。
市場上產品是越做越小，手機就是個例子，可隨身攜帶而且
輕巧功能多樣化，雖然不見得使用上方便，但這是產品的走向，
而我們使用了 FPGA 去做實驗，做成晶片面積小而且成本低，是
絕對符合市場需求，有一定的競爭能力。
椅子要坐的舒服，要符合人體工學，人性化這是次世代產品
必備條件之ㄧ，我們在程式設計上也符合這項要求，可提供使用
者在程式上設計做替換，不需再次換晶片，只需在燒錄絕對人性
化。
這是個新的嘗試和挑戰，自動聚焦這已經不是首例，但要如何
做的更好是每個人都想要去突破的方向。
40
參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻
[1] Yani Zhang, Ying Zhang, Changyun Wen, “A new focus measure
method using moments”, Image and Vision Computing 18,
pp.959~965, 2000
[2] VEXTA 5 相步進馬達組合 RK 系列 使用說明書
[3] Kang-Sun Choi, Jun-Suk Lee, Sung-Jae Ko, “New autofocusing
technique using the frequency selective weighted median filter for
video cameras,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.
45, No. 3, pp. 820~825, AUGUST 1999.
[4] Xilinx, “Spartan-3 Complete Data Sheet”, pp. 17, August 19,
2005.
[5] Texas Instruments, “TVP5150A/ TVP5150AM1”, pp. 2-7~2-8,
May 2004.
[6] Xilinx, “Audio/Video Connectivity Solutions for the Broadcast
Industry”, August 31, 2006.
41
附錄附錄附錄附錄A
圖27.參展海報