可分離式智能眼鏡的硬件平臺開發及實現

朱標

摘? ?要：本論文根據智能眼鏡的市場需求，提出可分離式智能眼鏡的概念，并給出設計硬件平臺的實現。本設計結合FPGA技術與ARM技術，采用FPGA作為微型顯示器驅動單元，介紹了OLED顯示屏的驅動電路、GAMMA矯正電路、攝像頭采集電路以及視頻接口轉換電路。同時，利用ARM作為數據處理平臺，詳細闡述了數據存儲電路、電源管理電路以及接口處理電路的設計方法。本文設計的智能眼鏡，運算速度快、功耗低、使用方便，未來能夠在公共安全、消防電力、智能制造等專業領域里廣泛應用。

關鍵詞：智能眼鏡? 可分離? 硬件處理平臺? FPGA? ARM

穿戴式智能眼鏡以方便的佩戴方式、直觀的觀察視角逐漸被大眾所接受，但是目前市場上的智能眼鏡都是一體式的，相對功率大、厚度厚、穿戴不方便，尤其是在特殊環境下使用不便，針對上述問題，本文設計一款分離式可穿戴的智能眼鏡，文中給出了設計的硬件平臺實現方法，重點介紹各個功能電路的器件選擇及原理搭建。

1? 硬件整體架構介紹

本論文設計的可穿戴式智能眼鏡硬件平臺，利用系統處理器相分離的方式實現，在硬件上主要分為兩部分，一部分采用FPGA為主控芯片，實現硅基OLED屏的驅動、攝像頭的信息采集、HDMI視頻解碼以及視頻數據的傳輸。另一部分為系統主控電路，采用ARM作為主處理器，包括其做小系統、各種通信接口、電源模塊等。整體系統架構如圖1所示，系統實物圖如圖2所示。

1.1? FPGA主控電路設計

本設計中，OLED屏驅動電路實現的功能有：（1）為OLED顯示器提供模擬的RGB信號驅動;（2）實現屏亮度可調，即為OLED顯示器陰極提供可調負電壓;攝像頭采集電路實現的功能有圖像自動對焦、窗口可設置、圖像可縮放及DVP數字視頻接口設計;HDMI解碼電路主要處理來自HDMI接收器的視頻信號，完成視頻的對比度調整、飽和度調整以及亮度調整，除此以外，該模塊還是實現了自由運行和同步對準等功能;USB電路不僅實現與控制器進行主從設備使用，而且可以與一些常用的外設接口如SPI、IIC、UART和IIS等進行通信，完成與任何處理器、FPGA、ASIC的連接。

以下是對各個模塊電路的設計與介紹。

（1）OLED驅動電路設計。

本設計采用法國MICROOLED公司的MDP01CP型OLED顯示器，該顯示器具有封裝體積小、功耗低及顯示質量優等特點。

基于OLED屏需要的為模擬信號，所以設計中采用ADA4850運放電路以及電阻網絡的組合形式的電路結構實現將FPGA輸出的數字信號進行轉變，ADA4850器件具有功耗低、運行速度快以及低電壓漂移輸出等特點 [1]。

需要注意的是，在設計中，因為需要對OLED屏進行亮度調節，所以這里需要提供一個負電壓給OLED屏的陰極，使得OLED屏的顯示亮度調節即可通過該負電壓的調節而實現。但是，因為OLED顯示器的亮度變化會影響屏的溫度變化，而屏溫度又會影響到屏的使用壽命以及使用效果，所以在進行亮度調節的時候，負電壓需要實時調整，保證屏的溫度。

（2）攝像頭采集電路。

攝像頭采集電路采用ATK-OV5640高清攝像頭模組，這是一款具有500萬像素的高性能攝像模組。該模組的圖像傳感器為OV5640。

（3）HDMI解碼電路介紹。

HDMI解碼電路采用ADV7610接收器實現，該接收器對于HDMI所規定的所有強制性3D電視格式都是可以支持的，該接收器的分辨率為8位[2]。

（4）USB電路。

USB電路采用賽普拉斯的EZ-USB FX3外設控制器，該控制器具有高度集成的靈活特性，允許設計中將USB3.0 V1.0和USB2.0添加在任何系統中。

（5）FPGA主控芯片介紹。

FPGA主控處理器采用的是XILINX公司的Spartan6系列芯片，該系列的芯片具有高邏輯的引腳比、MicroBlaze的軟處理器、小型封裝、支持800Mb/s DDR3、各種多樣化支持性I/O協議等[3]，滿足設計需求。

1.2 ARM主控電路設計

本設計ARM主控制器選用飛思卡爾的I.MX 6，該處理器的運算能力超高，最高可達到12000DMIPS。在圖形和視頻分析能力上，支持處理3D圖形以及2D圖形，自身可實現加速引擎，最大支持的分辨率為4096×4096像素，支持的視頻編碼MPEG-4/H.263/H.264可以達到1080p@30fp，解碼MPEG2/VC1/Xvid 視頻可以達到1080p@30fps，同時該處理器支持高清HDMI TV輸出[4]，無論在性能方面還是經濟方面都較為適合本設計的要求。

（1）DDR電路。

DDR電路作為ARM的數據緩存電路，采用鎂光公司的MT41K128M16JT芯片，該芯片具有128M的存儲空間，傳輸速率高達800M，工作電壓為1.5V。

（2）NANDFLASH存儲電路。

NANDFLASH存儲電路采用鎂光公司的MT29F2G08ABDHC芯片，該芯片具有2G的存儲空間，當工作電壓為3.3V時，芯片讀取速度為25ns。

（3）以太網電路。

以太網電路主要是為了實現平臺調試使用，這里選用Microchip公司的KSZ9021RN芯片，該芯片支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T標準，芯片的核電壓為1.2V，IO口電壓為2.5V，發送器電壓為3.3V，采用QFN-48封裝。

（4）USB電路。

USB2.0中心控制器選用Microchip公司的USB2513B芯片，該芯片是一款高性能、功率超小的USB中心控制器，完全符合USB2.0規范且支持3個USB2.0端口，芯片工作電壓為3.3V。

（5）電源電路。

整個ARM主控電路共需要4路電源，包括各路芯片及接口供電的3.3V電源，內核電源1.2V、1.5V以及2.5V。其中，3.3V、1.2V、1.5V電源采用RIHTEK公司的RT8070SP芯片，該芯片輸入電壓范圍從2.7～5.5V，可調的輸出電壓范圍0.8～5V，輸出電流可達4A，開關頻率為2M[5]。

2.5V電源芯片采用RIHTEK公司的RT8010A，該芯片輸入電壓范圍為2.5～5.5V，輸出電流可達1A。

2? 結語

控制器硬件平臺的設計與實現是整套控制系統的核心部分，同時也是系統設計最為復雜的部分。本設計不僅提出了可分離式智能眼鏡系統的設計構思，并給出了整套控制系統硬件的設計，設計過程中，綜合考慮了性能、成本、可靠性等因素，并根據用戶的實際應用中所要面對的問題進行了合理的硬件布局，使整套系統變得高效易用。

參考文獻

[1] 姜偉.基于計算機視覺的蔬菜識別模塊的設計及實現[D].東南大學，2015.

[2] 李秀紅，黃天戍，孫忠富，等.基于GPRS/SMS的嵌入式環境監測系統[J].吉林大學學報：工學版，2007，37（6）：1409-1414.

[3] Yamada Y.the key to constructing large-capacity optical networks[J] . Planar lightwave circuit technology，2005，3（1）：768-772.

[4] 李佳楠.基于ARM的IC卡機房管理終端設計[D].成都理工大學，2009.

[5] 方圓.基于ARM7的嵌入式協議轉換器的實現[D].上海大學，2008.