基于fpga的自动调焦电路设计与实现(含pcb图)学士学位论文.doc

哈尔滨工程大学本科生毕业论文

基于FPGA的自动调焦电路
设计与实现

院 （系）：信息与通信工程学院
专 业：电子信息工程
学 号：
学 生 姓 名：
指 导 教 师： 副教授

2009年6月

哈尔滨工程大学本科生毕业论文
摘　　要
随着超大规模集成电路的发展以及现代光学仪器设备在智能化、简便化方面的突破，令数字光学设备迅速普及。数字信号处理理论的成熟与发展使得基于数字信号处理方式的自动调焦成为可能。
本设计使用FPGA作为数字信号处理与系统控制的核心器件。将由摄像头输入的模拟电视信号转换为数字电视信号；经过FPGA处理后再将其转换为模拟电视信号输出，并由电视机显示；同时FPGA控制电机的进退实现自动调焦。
系统硬件部分以FPGA为核心，搭载输入视频处理器SAA7111AHZ与数字视频编码器SAA7120以及RAM等其他附属电路。系统软件部分使用I2C总线实现对输入视频处理器和数字视频编码器的初始化，实现PAL制式模拟电视信号-YUV数字电视信号-PAL制式模拟电视信号的转换，并使用电视机将其输出。根据复合视频图像信号的相关原理，对输入视频的中心区域进行灰度熵值的运算，并控制电机的转动方向以阈值法实现自动调焦。
在本设计中，完成了相关的软件和硬件设计，并经过调试后，能够实现较好效果的自动调焦。

关键词：FPGA；灰度熵；输入视频处理器；数字视频编码器

ABSTRACT
The digtal optical equipments become popular,with the development of very-large-scale integrated circuits and the major breakthrough of the modern optical equipments in intelligentizating and facilitating process. The automatic focusing which based on digital signal processing can be realized.
In this desgin, FPGA is the key component of digital signal processing and system control.Firstly, an analog TV signal captured by the camera is transformed to a digital TV signal; and then the digtal TV signal is processed by FPGA and finally it is transformed to an analog TV signal output; at the same time, the automatic focusing is realized by the motor controled by FPGA.
In the hardware part of the system,FPGA is used as the key component,with accessory circuit such as video input processor, digital video encoder and so on.In the software part, the video input processor and digital video encoder is initialized throgh the I2C bus in order to realize the interconversion of PAL standard analog TV signals and YUV digital TV signals ,which are the output of monitor. According to the theory of composite video signal,the system selects the center part of the input video and calculates its gray region entropy , then control the motor rotation to realize automatic focusing using the thresholding method.
In this design, the relevant software and hardware are completed, and can bring automatic focusing into effect well after testing .

Key words: FPGA;Gray entropy; Video Input Processor; Digital Video Encoder
目　　录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 国外研究现状 3
1.2.3 国内研究现状 4
1.3 主要研究内容 5
第2章 自动调焦系统相关理论 6
2.1 复合视频图像信号 6
2.1.1 电视扫描原理 6
2.1.2 复合视频图像信号的组成 6
2.1.3 复合视频图像信号主要制式 8
2.2 I2C总线 9
2.2.1 概述 9
2.2.2 I2C总线的主要特点 10
2.2.3 I2C总线的工作状态及时序 11
2.3 自动调焦的几种主要方法 13
2.3.1 测距方法 13
2.3.2 聚焦检测方法 14
2.4 基于灰度熵值法的自动调焦算法 15
2.4.1 灰度熵值提取算法 15
2.4.2 阈值判断算法 15
2.5 本章小结 16
第3章 自动调焦系统的硬件设计 17
3.1 总体方案 17
3.2 FPGA最小系统 18
3.2.1 芯片简介 18
3.2.2 FPGA的配置 20
3.3 视频输入处理器及系统 22
3.3.1 SAA7111AHZ芯片简介 22
3.3.2 SAA7111AHZ的应用电路 23
3.4 视频输出处理器及系统 25
3.4.1 SAA7120芯片简介 25
3.4.2 SAA7120的应用电路 26
3.5 其他电路设计 27
3.5.1 电源电路 28
3.5.2 外置RAM电路 28
3.5.3 串口电路 28
3.5.4 LED指示灯电路 29
3.6 电路系统的PCB设计 29
3.7 本章小结 30
第4章 自动调焦系统程序设计 32
4.1 编程环境 32
4.1.1 VHDL硬件描述语言特点 32
4.1.2 VHDL的设计流程 33
4.1.3 编译环境QuartusII的设计特点 34
4.1.4 QuartusII开发软件的设计流程 35
4.2 软件设计总体流程 36
4.3 视频转换芯片的初始化 36
4.3.1 I2C总线设计 37
4.3.2 视频转换芯片的初始化寄存器设置 37
4.4 自动调焦算法的编程实现 41
4.5 本章小结 44
第5章 系统仿真、调试与性能分析 45
5.1 系统仿真结果 45
5.2 系统调试 46
5.3 系统性能分析 49
5.4 本章小结 49
结论 51
参考文献 52
致谢 55

第1章 绪论
1.1 课题背景和意义
自动调焦，又称为自动对焦、自动聚焦。其技术在照相器材(数字摄像机和数码照相机)、医学仪器(显微镜、内窥镜)、军用观测设备(弹迹跟踪设备，高空侦察机)以及各种基于机器视觉的智能系统中有着广泛的应用。
早期的自动调焦系统使用的是基于镜头与被摄目标之间距离测量的测距方法。由于这种方法设备庞大、结构复杂，并不能满足日常需求。因此只在极少数特定环境下（如航空摄影）才能够使用。
将自动调焦技术引入照相机的尝试始于1963年。当时就有人试制过自动调焦的样机，但是限于技术水平，该样机电路复杂、机构体积庞大，始终不能如愿。自动调焦技术真正应用在照相机上，是在上世纪七十年代以后。特别是微电子技术工艺突破性的技术发展，为自动调焦技术的发展创造了极为有利的条件。自从1977年世界上第一台自动调焦相机（柯尼卡C35AF）问世以来，自动调焦技术发展突飞猛进，己经在各类相机上得以应用，并且日益更新和完善[1]。
现代的光学仪器设备向着功能的复杂化、智能化、操作的简便化发展，使得操作者经过简单的了解就能够熟练地操作设备。自动调焦系统既可以减轻操作者的劳动强度，减少或避免操作者因反复调焦造成视觉疲劳引起的主观误差，又省去了复杂的调焦动作，大大方便了操作者。同样，由于调焦是获得清晰图像的必不可少的条件，基于机器视觉的各种自动化设备也具有自动调焦功能，如各种产品的外观自动检测系统。
近年来，随着大规模集成电路技术、数字化技术和数字图像处理技术的飞速发展，许多数字化成像系统越来越普及，模拟图像也可以被方便、高速、低成本地数字化，这些图像能方便的被送入计算机(或者专用的电路系统)中做各种变换、分析、处理，图像的高速处理己经成为可能。基于数字图像处理的自动调焦系统便迅速发展并成熟起来。相对于传统的自动测距调焦系统，基于数字图像处理的自动调焦系统由于成本低、体积小、速度快的优势，已成为主要的自动调焦方式。广泛应用于生产生活中。基于数字图像处理的自动调焦系统的核心是自动调焦电路和自动调焦算法[2]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 概述
自动调焦领域目前的研究方向是通过数字图像，经软件判别来实现自动调焦这一目标。相对于其他方式自动调焦方式，基于数字图像处理判定图像清晰度的自动调焦方式是当前研究的热点[3] [4]。
在基于数字图像处理自动调焦系统中，一种方法是离焦深度法，该方法通过获取两幅或以上不同离焦位置的图像，事先对成像系统建立合适的数学模型，结合成像系统的各种参数，推算出目标物体的离焦深度，从而判断出焦点位置实现调焦。这种方式目前还不成熟，主要原因是在实际应用中成像系统的数学模型在理论上还不能精确的确定（只能近似的估计），导致误差极大；且要求目标图像满足某种要求，限制了应用的范围：不同的镜头相关数学模型不同，即使是同种型号相关参数也有一定出入。因此，这种方式目前还处于理论研究和实验室应用中[5]。
另一种方法是通过计算机(或者专用的电路系统)对采集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行处理，判断调焦是否准确，即成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头的运动，直到采集的图像达到最清晰，最终完成调焦，这种方法通常称为对焦深度法，这种方式己经基本成熟，实用的自动调焦系统都采用了这种方式[3]。本设计亦采用这种方式。
与测距调焦法和离焦深度调焦法相比，基于数字图像处理判定图像清晰度的自动调焦方式（即对焦深度法）充分利用了数字信号处理的硬件高速度和软件灵活性[6]，具有以下优点：
（1）适应面广。由于图像是一切成像系统的根本结果，因此该方法的适应面最广，任何成像系统均可以采用基于图像清晰度评价的自动调焦方式。
（2）稳定性好。该方法的输入是成像系统生成的图像，不依赖于其他因素，因此干扰因素少，且可以控制。
（3）有巨大的改进潜力。由于现代微电子技术的巨大进步，这种方式在成本上可以不断降低，芯片体积上不断缩小以及性能上（计算速度）不断提高。
（4）可以提供多种算法选择及配置。不同的算法及参数具有不同的运算量和灵敏度，这些都可以根据实际需要来通过软件配置，具有很好的灵活性。
基于数字图像处理判定图像清晰度的自动调焦法虽然前景光明，但目前还存在以下问题：
（1）目前的图像清晰度评价算法有限，且存在各种缺点。
（2）实时性有待提高。由于带有自动调焦功能的成像系统通常具有很高的实时性，对于许多应用，现有自动调焦技术的实时性还无法满足。而且，随着微电子技术的不断发展，成像器件（图像传感器）的性能飞速发展，从三十万像素到千万像素的商品化应用仅用了不到5年时间，40亿像素的图像传感器也已经研制成功。对大容量图像的处理要花费较长的时间，往往不能够满足需求。
（3）图像清晰度评价算法对焦距变化的敏感程度，这个指标直接关系到调焦的精度和灵敏度，且不同的应用场合，对灵敏度的要求不同，因此现有自动调焦系统的迁移性还不够好。
1.2.2 国外研究现状
国外对于自动调焦领域的研究相对国内来说起步比较早，更多的关注面向高精度的直接自动调焦系统在实际中的应用。
德国卡尔斯鲁厄大学研制的微操作系统中的视觉系统包含三个部分：光学显微镜、全局CCD摄像机和局部CCD摄像机。全局视觉系统用来观察显微机器人的工作空间并判断机器人的位置和方向，能够将机器人定位在视野中，精度达到0. 5毫米。局部视觉系统对被测对象的位置定位精度亦为毫米级。它是采用多次聚焦的办法解决小焦深的问题，即采集连续的几幅图像，把各自精确聚焦的部分合并成一幅图像，作为识别算法的输入，最终实现系统调焦的视觉功能[7]。
1970年美国斯坦福大学J. M. Tenenbaum[8]开展了计算机视觉系统的自动调焦研究，该系统根据图像的边缘特征提取离焦信号，通过调制阈值梯度作为自动聚焦评价函数，实现了比较好的聚焦效果。1983年，英国瑞丁大学物理系Grembeby. J. B[9]提出了调制传递函数作为离焦判据，这一判据目前已经被光学界普遍接受，成为评价图像品质的一种标准，并应用于医疗内诊照相系统的自动调焦中；1987年，Ren. C. Luo[9]提出了两个简单的快速算法，对漫反射物体在一定程度上实现自动调焦，这两个算法后来成功的应用到了机器人视觉系统的自动调焦系统中；1988年，Carnegie Mellon University的Lawrence Firestone[10]等四人对己有的聚焦评价函数在处理组织图像、正弦图像和随机图像的性能进行了对比分析，对并行图像处理技术在自动调焦系统中的应用也做了深入研究。
随着自动调焦技术理论研究的日益完善和CCD技术的迅猛发展，国外也越来越广泛地将CCD和自动调焦技术用于工业图像监控和调焦领域。美国90年代末期开发了基于网络技术的零件在线检测和监控系统。日本开发了一套焊缝在线自动定位检测系统，该系统能够在机械手焊接过程中，通过CCD采集焊缝图像并通过微机处理，从而控制机械手自动定位焊接，定位精度可以达到0.lmm[11]。
1.2.3 国内研究现状
虽然国内对自动调焦系统的研究起步比国外晚，但也取得了丰硕的成果。1985年，上海光学仪器研究所采用光学自准直法研制出用于集成电路光刻机的自动调焦装置。1986年，哈尔滨工业大学光学仪器教研室研制出激光CCD零件自动识别检测系统，并利用自准直法研制出卫星照相设备中的自动调焦系统，精度达到10µm[12]。1992年，该所又研制完成图像检测式频带切割差动比较CCD自动调焦系统，使我国在图像检测自动调焦领域内的研究跟国外80年代的研究水平相当[13]。上海激光技术研究所利用像散法对光盘录放机的显微系统进行了自动调焦研究。清华大学李庆祥教授等人利用内光路偏心光束法对线宽测量仪器的显微系统进行了自动调焦，实现了士500µm调焦范围内的0.1µm的调焦精度，该水平处于国际先进水平[9]。天津大学在使用CCD摄像技术对生物进行自动筛选时，采用图像处理方法对自动调焦技术进行了相应的研究[14]。杭州电子科技大学的陈国全老师在数字图像自动调焦系统的研究上取得了一定的成果。此外，浙江大学、南京航空航天大学、北京邮电大学等根据具体的系统对显微镜自动调焦方法也进行了深入研究。
1.3 主要研究内容
本设计从图像处理角度提出自动调焦，并利用FPGA系统实现自动调焦。根据要求，本设计对系统进行详细的分析，给出了系统整体设计方案，对系统进行模块划分，并明确各模块所要完成的功能，在此基础上进行软件和硬件的设计和调试。
本设计主要包括以下几个章节：
第1章介绍本设计的背景和意义以及国内外研究现状。
第2章对本设计使用的相关理论进行阐述，包括复合视频图像信号、I2C总线和自动调焦算法的相关理论。
第3章描述本设计的硬件部分，对芯片资料进行总结，设计硬件电路并绘制PCB电路图。
第4章叙述本设计的软件部分，阐述整体流程并对各部分子程序进行详细描述。
第5章从基于实验测试的角度对本设计的结果进行验证，并对结果进行分析。

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第2章 自动调焦系统相关理论
2.1 复合视频图像信号
复合视频图像信号又称为全电视信号。它是电视系统中的视频信号，复合同步信号和复合消隐信号合在一起形成的。其波形如图2.1所示。接收机解调出全电视信号后，便可用限幅的方法分离出同步信号；然后，分别用微分和积分电路获得行同步信号和场同步信号，控制产生扫描电流[15]。
2.1.1 电视扫描原理
电视图像的产生与重现，即光和电的互相转换是由摄像管和显像管来完成的。而把光像信号变换成电信号，以及把电信号再转换成一幅平面图像，则是

图2.1复合视频图像信号波形
通过电子束扫描来完成的。按电子束的运动规律，扫描可分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描。在电视中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单、可靠，采用了匀速单向直线扫描方式，且扫描又分为逐行扫描、隔行扫描[16]。
2.1.2 复合视频图像信号的组成
复合视频图像信号的典型波形如图2.2所示。

图2.2 典型复合视频图像信号波形
为了使复合消隐信号、复合同步信号和图像信号互不干扰，并且在接收端能够方便可靠地进行分离，图像信号在扫描正程期间传输，复合消隐和复合同步脉冲在扫描逆程期间传输。
（1）复合同步脉冲：在电视系统中，为了能够正确地重现图像，要求接收端与发送端同步扫描。同步就是指接收端与发送端的扫描点应有一一对应的几何位置。实际上只要扫描频率相同、起始位置相同，接收端就可以重现发送端的图像，所以必须在图像信号中加入同步脉冲。在发送端，每扫描完一行图像时，加入一个行同步脉冲，每扫描完一场图像时加入一个场同步脉冲，它们与图像信号一起被发送出去。在接收端，行扫描锯齿波电流只有当行同步脉冲到达后才开始逆程期；而场扫描锯齿波电流也只有在场同步脉冲到达时才开始逆程期。这样就能保证收、发两端扫描电流的频率、相位相同，即保证了同步[17]。
（2）复合消隐脉冲：无论是图像的分解还是重现，都需要进行电子扫描。电子束在回扫时，若不采取措施，就会出现回扫线，这会对正程传送的图像起干扰作用。消除回扫线的方法是在行、场扫描的逆程期间，在摄像管与显像管中分别加入能使扫描电子束截止的消隐脉冲。消除行、场逆程回扫线的消隐脉冲分别称为行消隐脉冲和场消隐脉冲，二者合称复合消隐脉冲或复合消隐信号。在电视系统中，发送端在发送图像信号的同时，在逆程期间将消隐信号也发送出去。为了保证消隐期间能截止电子束，使屏幕变黑，消隐电平幅度必须为黑色电平；行、场消隐信号的周期应分别与行、场扫描周期相同；行、场消隐脉冲的宽度应分别等于行、场扫描的逆程时间。但在接收端为了确保消除回扫光栅，实际上消隐脉冲宽度稍有加宽。因为同步与消隐都出现在行场扫描的逆程，为了能够区分同步脉冲和消隐脉冲，可使同步脉冲电平高于黑色电平。一般规定同步信号处于电视信号的最高电平。
（3）图像信号：图像信号就是携带景物亮、暗信息的电信号。图像信号具有平均直流成分，其数值确定了图像信号的背景亮度。它的平均值总是在零值以上或零值以下的一定范围内变化，不会同时跨越零值上、下两个区域。于是按照景物亮度与图像信号电平之间的对应关系，可以将图像信号分为正极性和负极性两种。正极性图像信号中的信号电平与景物的亮暗成正比，景物越亮，信号电平越高；负极性图像信号中信号电平与景物的亮暗成反比，景物越亮，信号电平越低。图像信号波形反映着景物内容。图像画面中最明亮部分的信号电平叫做白电平，对应画面中最黑暗部分的信号电平叫做黑电平。正极性图像信号中，黑电平低，白电平高；负极性图像信号中，黑电平高，白电平低。从黑电平到白电平的范围是图像信号的峰－峰电平值，一般规定为0.7Vpp。图像信号只在正程期间传送。亮度、对比度和灰度是电视图像转换中三个十分重要的参量。电视图像的亮度取决于电视图像信号的平均直流成分，改变电视图像信号的直流成分，可以改变其亮度。对比度是客观景物最大亮度与最小亮度之比。为了使重现图像逼真，必须以保持重现图像的对比度与原景物的对比度接近相等为前提。灰度，即亮度级差或称亮度层次。它反映电视系统所能重现的原图像明暗层次的程度。一般达到6级灰度，就可收看到明、暗层次较满意的图像[18]。
2.1.3 复合视频图像信号主要制式
目前世界各国使用各种不同制式的复合视频信号格式，有NTSC（National Television Systems Committee）制式、PAL（Phase Alternation Line）制式、SECAM（System Electronique Co1or Avec Memoire）制式，以及非标准制式。
（1）NTSC制式
NTSC复合视频标准主要用于北美和日本。NTSC信号是一种2：1隔行扫描的视频信号，其每场262.5行（每帧525行），每秒60场，因而水平扫描频率为525×30=15.75kHz，这意味着要扫描每条水平线（行）需要1/15750秒=63.5µs，水平回扫（horizontal retrace）需要10µs，则每行留给有效视频信号的时间为53.5µs，水平同步脉冲位于水平消隐脉冲（horizontal blanking pulse）的顶部，其持续时间为5µs，525行中只有485行是有效的，每场有20行用于回扫消隐。
（2）PAL制式和SECAM制式
PAL制式主要用于西欧、中国等地，SECAM制式主要用于前苏联和东欧地区，这两种制式亦是2：l 隔行扫描。但与NTSC相比，它们具有不同的垂直和瞬时清晰度（vertical and temporal resolution），带宽略高（8MHz），处理彩色信息亦有所不同。PAL和SECAM均为625行每帧和50场每秒，与NTSC相比，它们以较少的瞬时清晰度换取了较高的垂直清晰度。在PAL和SECAM之间的差别之一是如何再现彩色信息，它们均利用色度信息的Cr和Cb分量，但在PAL和SECAM中用亮度信号来集成彩色分量的方法是不同的，相比于NTSC制而言，PAL和SECAM有更好的彩色再现能力[19][20]。
2.2 I2C总线
2.2.1 概述
I2C总线是Philips公司推出的芯片间串行数据传输总线，它只需用两根线（SDA和SCL）进行控制，使用I2C总线不但省掉了控制系统中的许多I/O接口、集成电路引出脚、印制板的走线和连线，而且使集成电路各功能块的增减、替换、调整变得十分灵活，提高了设计的主动性和灵活性，简化了系统，便于生产、测试、调整和维修，从而大大降低了设计和生产成本。
I2C总线可实现完善的全双工同步数据传送，能够十分方便地构成单主系统或多主系统和外围器件扩展系统，不过，多主系统会出现多主竞争的复杂状态。I2C器件是把I2C的协议植入器件的I/O接口，使用时器件直接挂到I2C总线上。I2C总线上可以同时挂多个器件，每个器件必须以“线与”的方式连接到总线，当无器件将总线拉低时，外接上拉电阻可保证总线为高电平。总线上的每个器件地址采用硬件编址方法，通过软件对其寻址。在任一时刻，I2C总线只能由一个器件控制，器件产生数据传送的开始条件和结束条件，发出寻址命令，并产生数据传送所需的时钟信号，称为主器件，被其寻址的器件称从器件。在数据传输中，主器件和从器件总是以相反方式工作（接收或发送），即主器件接收、从器件发送和主器件发送、从器件接收两种方式。在标准模式下，I2C总线数据传输速率可达到100kbits/s，在快速方式下，可以达到400kbits/s[21]。
2.2.2 I2C总线的主要特点
（1）总线驱动能力强。I2C总线的外围扩展器件都是CMOS型的，功耗极低，因此总线上扩展的节点数不是由电流负载能力决定，而是由电容负载确定。通常I2C总线负载能力为400 pF，据此可计算出总线长度及所带器件的数量。总线上扩展的I2C器件的数量受限于总线电容。
（2）任何一个I2C总线接口的外围器件，不论其功能差别多大，都是通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）连接到I2C总线上。这一特点给用户在设计应用系统时带来了极大的方便。用户不必理解每个I2C总线接口器件的功能如何，只要将器件的SDA和SCL引脚连到I2C总线上，然后对该器件模块进行独立的电路设计，从而简化了系统设计的复杂性，提高了系统抗干扰的能力，符合EMC（Electromagnetic Compatibility）设计原则。
（3）在单主系统中，每个I2C总线接口芯片具有唯一的器件地址，各器件之间互不干扰，相互之间不能进行通信。主器件与I2C器件之间的通信是通过独一无二的器件地址来实现的。I2C器件无须片选信号，是否选中是由主器件发出的I2C器件地址决定，而I2C器件从地址是由I2C总线委员会实行统一编制，器件出厂时就已给定。例如：I2C总线E2PROM AT24CXX的器件地址为1010，4位LED驱动器SAALO64的器件地址为0111。
（4）Philips公司在推出I2C总线的同时，也为I2C总线制订了严格的规范。如：接口的电气特性、信号时序、信号传输的定义等，这就决定了I2C总线软件编写的一致性。
I2C总线的两条串行线是数据串行线SDA和时钟串行线SCL。SDA是一个双向传输线，用于向器件传输地址和数据或从器件读出数据。SCL串行时钟线用于传送或接收数据的同步[21]。
2.2.3 I2C总线的工作状态及时序
（1）开始（START）和停止（STOP）条件
当时钟线SCL为高，SDA线由高到低变化时为开始条件。所有的命令都必须在开始条件以后进行。当SCL线为高，SDA线由低到高变化时为停止条件。所有的操作都必须在停止条件以前结束。总线开始和停止数据传送的时序如图2.3所示。

图2.3　开始和停止条件时序
（2）数据有效条件
在I2C总线启动后或应答信号后的第1～8个时钟脉冲对应于一个字节的8位数据传送。在开始条件之后，时钟线SCL的高电平期间，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表示数据有效，即数据可以被传送或接收，开始进行读写操作。在时钟信号SCL的低电平期间，数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。I2C总线的数据位传送时序如图2.4所示。

图2.4　数据位传送时序
（3）应答信号
在每一字节接收以后，每一接收器件必须产生一位应答位（ACK）。I2C线上第9个时钟脉冲对应于应答位，发送器在这一时钟位上释放数据线，使其处于高电平状态，接收器须将SDA线拉为稳定的低电平，可确认器件。若不在接收器输出的最后一个字节中产生应答位，发送器必须发送一个数据结束信号给接收器件。这种情况下，接收器必须使SDA线保持为高电平，使发送器能产生停止条件。I2C总线的应答信号时序如图2.5所示。

图2.5　应答信号时序
I2C总线的单主方式下完整数据传送过程如图2.6所示[22]，一次完整的数据传送包括起始条件（S）、发送寻址字节、应答、发送数据、应答并不断继续发送直到停止条件（P）。

图2.6　I2C的一次完整的数据传输
在I2C总线中，所有数据都是按字节发送的，一旦I2C总线启动后，传送的字节多少没有限制，只要求每传送一个字节后，对方回应一个应答位。发送时，最先发送的是数据的最高位。每次传送开始有起始信号，结束时有停止信号。每传送完一个字节，都可以通过对时钟线的控制，使传送暂停[21]。
2.3 自动调焦的几种主要方法
从基本原理来说自动调焦可分为两类：基于镜头与被摄目标之间距离测量 的测距方法和基于调焦屏上成像清晰的聚焦检测方法[23]。
2.3.1 测距方法
测距方法的自动调焦主要有三角测量法、红外线测距法和超声波测距法。
(1)三角测量法。其测距原理如图2.7所示。左边的反射镜是局部镀膜反射镜，

图2.7 三角测量法原理
只用中间一小块反射右边来的光线，其余大部分视场透射前方直接进入的光线，这样在调焦平面上的影像如图2.7左下角所示。右边的反射镜在电路控制下转动，反射镜的起始位置和左边的反射镜平行，调焦平面上有光电元件进行探测，当透射影像和反射影像重合的时候，可动反射镜的摆动角α/2和物点A的距离D之间有如下关系：
D=b/tan (α/2×2) (2.1)
式中，b为基线长。系统可以计算出被摄目标和镜头之间的距离并驱动镜头运行到合适的位置，完成调焦。
（2）红外线测距法。该方法的原理类似于三角测量法，所不同的是由照相机主动发射红外线作为测距光源，并用红外发光二极管的转动代替可动反光镜的转动。
（3）超声波测距法。该方法是根据超声波在摄像机和被摄物之间传播的时间进行测距的。照相机上分别装有超声波的发射和接收装置，工作时由超声振动发生器发出持续时间约1/1000秒的超声波，覆盖整个画面的10%。超声波到达被摄体后，立即返回被接收器感知，然后由集成电路根据超声波的往返时间来计算确定调焦距离。
红外线式和超声波式自动调焦是利用主动发射光波或声波进行测距的，称之为主动式自动调焦[24]。
2.3.2 聚焦检测方法
（1）灰度熵值法。该方法是通过检测图像的轮廓边缘实现自动调焦的。图像的轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说边缘处景物和背景之间的灰度熵值就越大。反之，离焦的像，轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或灰度熵值下降;离焦越远，灰度熵值越低。利用这个原理，将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处，被摄影物的像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其成像的灰度熵值。当两个检测器所输出的灰度熵值相等时，说明调焦的像面刚好在两个检测器中间，即和底片的位置重合，于是调焦完成。
（2）相位法。该方法是通过检测像的偏移量实现自动调焦的。在感光底片的位置放置一个由平行线条组成的网格板，线条相继为透光和不透光。网格板后适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。网络板在与光轴垂直方向上往复振动。当聚焦面与网格板重合时，通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而当离焦时，光束只能先后到达两个受光元件，于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置，使聚焦面与网格板的平面重合。
以上各种自动调焦方法各有其局限性。红外测距和超声波测距的调焦方法，当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时，将使测距系统失灵或调焦不准确；而灰度熵值法聚焦检测受光照条件的制约，当光线较弱或样本与背景明暗差别很小时，调焦就会有困难，甚至完全失去作用[24]。
2.4 　基于灰度熵值法的自动调焦算法
2.4.1 灰度熵值提取算法
判断图像是否聚焦与图像的高频成分有关。当完全聚焦时，图像清晰，包含边缘信息的高频分量最多。通常，判断图像聚焦与否是通过焦距评价函数衡量的。常用的焦距评价函数有以下几种：高频分量法、平滑法、阈值积分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函数等[25]。
灰度差分法是利用图像的相邻像素(左侧及上侧像素)差的绝对值之和作为焦距评价函数，即:
　　　(2.2)
式2.2中，f(x,y)表示第x行、第y列像索的灰度值，像素的相对位置如表2.1所示。实验中对于亮度比较均匀的图像，其聚焦效果不理想，为此本设计提出一种改进的灰度差分法作为焦距评价函数。其算法描述如下：
　　　　　　　(2.3)　　　　
式2.3中选取了邻近的四个像素(左侧、左上侧、上侧及右上侧像素)作比较，增大了焦距评价函数的绝对值。搜索曲线尖锐，容易找到最佳位置[26]。
表2.1 图像中像素的相对位置
f(x-1,y-1)
f(x,y-1)
f(x+1,y-1)
f(x+2,y-1)
f(x-1,y)
f(x,y)
f(x+1,y)
f(x+2,y)
f(x-1,y+1)
f(x,y+1)
f(x+1,y+1)
f(x+2,y+1)
f(x-1,y+2)
f(x,y+2)
f(x+1,y+2)
f(x+2,y+2)
2.4.2 阈值判断算法
当图像聚焦良好时，图像边缘清晰，灰度熵值较大；当图像聚焦欠佳时，图像边缘模糊，灰度熵值较小。因此，可对图像灰度熵值范围进行判断，当灰度熵值大于某一阈值时，即可认为图像聚焦清晰[27]。
2.5 本章小结
本章各小节对本设计用到的相关知识进行了介绍。对复合视频图像信号、I2C总线、自动调焦的几种常见方法以及基于对比度的自动调焦算法进行了描述。进一步明确了本设计的内容和要求，为整个系统的完成提供了理论基础。

第3章 自动调焦系统的硬件设计
3.1 总体方案
本设计的主要内容是对轮廓清晰的静止物体实现较好程度的自动调焦。
系统由输入视频转换电路、FPGA系统、输出视频转换电路组成。即将摄像头CCD输入的模拟制式视频信号转换成YUV数字视频信号；由FPGA完成对输入数字视频信号的选择、存储、运算及对电机的控制；再将处理后的YUV数字视频信号转换成为模拟视频信号输出。
自动调焦系统的组成如图3.1

图3.1 自动调焦系统的组成框图
在本设计中，FPGA芯片使用Atlera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8N芯片；输入视频转换设备使用Philips公司的SAA7111AHZ视频输入处理器；输出视频转换设备使用Philips公司的SAA7120数字视频编码器；视频设备使用普通电视接收机；电机使用镜头附属直流电机。
系统在工作前需要通过I2C总线实现对SAA7111AHZ和SAA7120的初始化。
3.2 FPGA最小系统
3.2.1 芯片简介
本设计所使用的FPGA芯片是Atlera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8N芯片。
Cyclone系列FPGA器件基于成本优化的全铜1.5V SRAM工艺，容量从2910至20060个逻辑单元，具有多达294912bit嵌入RAM。Cyclone系列FPGA支持各种单端I/O标准如LVTTL、LVCMOS、PCI和SSTL-2/3，通过LVDS和RSDS标准提供多达129个通道的差分I/O支持。每个LVDS通道高