使用線影像感測器架構之眼球軌跡追蹤裝置

An Eye ball Tracking Device Using Linear Image Sensor

指導教授：林宸生　　　作者：陳俊達

a1.PNG (3190 bytes)

a2.PNG (3012 bytes)

a3.PNG (2994 bytes)

a4.PNG (3070 bytes)

a5.PNG (2976 bytes)
a6.PNG (3058 bytes)
a7.PNG (2835 bytes)
a8.PNG (2836 bytes)
a9.PNG (2812 bytes)
a10.PNG (2982 bytes)
a11.PNG (2875 bytes)
a12.PNG (2969 bytes)
A13.png (3280 bytes)
A14.png (3219 bytes)
A15.png (3275 bytes)
A16.png (2974 bytes)
b1.PNG (4650 bytes)

Home022.gif (2462 bytes)
　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

附錄Ａ

DSP晶片模組

TMS 320C50 Chip

　　自TI公司推出了DSP TMS320C25廣受好評之後，並繼續推出一組整合記憶體，電源管理於一身，且執行速度更快，功能更強的新一代16位元的定點式DSP TMS320C50。

　　基本上整個TMS320C50晶片是採改良式哈佛結構（advanced Harvard aechitecture），在晶片內部不僅將匯流排分成程式與資料匯流排，更增加二種匯流排的溝通管道，來增進整體程式執行效能。在程式匯流排方面，主要式運行指令讀取及寫入操作。

　　整個晶片是由幾個主要單元及部分週邊所組合而成，這幾個主要部分分別為：

    1. 中央運算邏輯單元（Center Arithmetic Logic Unit－CALU）
    2. 記憶體單元（Memory Unit）
    3. 輔助暫存器算術單元（Auxiliary register Arithmetic Unit－ARAU）
    4. 系統控制單元（Control Unit）
    5. 週變裝置電路（Peripheral Interfacing Circuits）

　　TMS 320C50處理器，它有著高達224KW的記憶空間。這些區域是由64K個位址的程式記憶體、64K個位址的區域資料記憶體、32K個位址的共同資料記憶體及64K個I/O port所組成的，其記憶體應用與分布如下圖A.1所示。

圖A.1　TMS320C50記憶體分布

此晶片的功能及特點很多，茲將較重要且本結構中常應用得到的一些特點列出如下：

  • 指令執行速度最快為20ns(5V，25ns-3V)，意即整體處理能力可達50MIPS。
  • 晶片上有1056個雙存取式資料RAM(DARAM)。晶片上有可規劃為程式或資料記憶體單存取式RAM(SARAM)(C50有９KW)。
  • 提供244KW的最大定址空間，其規劃為64KW的程式記憶體，64KW的區域資料記憶體，32KW的共同資料記憶體及64K個I/O埠。
  • 32位元寬的邏輯運算單元ALU，累積器ACC及累積緩衝器ACCB。
  • 16ｘ16位元的硬體乘法器及32位元的乘積暫存器。
  • 提供僅需一個週期的乘法/累積器指令。
  • 增加重複指令使程式空間更節省及指令更簡捷。
  • 增加資料/程式的區塊搬移功能。
  • 高達８個輔助暫存器以利算術計算。
  • 有８層的硬體推疊器。
  • 0-16位元的柱狀移位器提供右移及左移的功能，及一個64位元遞增式資料移位器。
  • 提供２個環狀匯流排暫存器。
  • 與較慢的記憶體/周邊之間的通訊不僅有硬體等待(Wait state)的訊號，更提供有軟體等待信號產生器。
  • 提供全雙向雙緩衝式串聯埠(Serial port)的通訊介面。
  • 採用４層Pipeline的程式運作及設計有指令延遲的功能。
  • 共同記憶體的介面。
  • 提供HOLD的信號腳位，可以達到DMA的功能。

　CSDK-50

　　基本上CSDK-50控制板是以德州儀器(TI)公司的第五代DSP系列產品中的TMS-320C50為基礎所發展出來的數位信號控制板。在學習DSP軟體時，可將寫好的程式經過組譯連結過後，由PC端的RS232直接將程式載入到CSDK-50上，做程式的除錯及運行（可做指令的單步執行、處理器內部暫存器的顯示及修改、程式／資料記憶體的顯示及修改、中斷點設定等功能）。也可選用高階除錯程式，將寫好且經過連結的C語言程式由PC/AT ISA匯流排介面插槽載入到控制板上除錯、執行。甚至也可以使用控制板上的１６位元訊號暫存器，利用它來做主僕式的控制。

　　CSDK-50控制板記憶體結構是使用TMS 320C50處理器，它有著高達224KW的記憶空間。這些區域是由64K個位址的程式記憶體、64K個位址的區域資料記憶體、32K個位址的共同資料記憶體及64K個I/O port所組成的。其上也設計有32KB的共同資料記憶體，串聯的通訊介面，並聯的數位輸入/輸出介面（可規劃成為印表機介面），４個通道且快速的AD轉換器，２軸伺服系統介面等，並將CPU的腳位設計成擴充槽可供使用者自行做其他的應用介面。控制板上的U3 EPROM是放置組合語言除錯程式的核心程式之用。若不需要使用時，亦可將其取下，否則便無法執行組合語言的除錯程式。　

　　圖A.2　CSDK-50的結構圖

　　所以綜觀地說，此控制版有許多功能，現大致整理如下：

  • 128KW的0-wait記憶體(SRAM)，規劃成64KW的程式記憶體及64KW的資料記憶體。
  • 2組12-bit，setting time為600ns的D/A Converter輸出端，可自由規劃成雙極性(10V)或單極性(0~-10V)的類比輸出。
  • 1組12-bit，setting time為800nsA/D Converter，共有４個的差動式或共地式類比輸出通道。
  • 3組PWM，每組解析度均達50KHz/8位元。
  • 1組可程式規劃的24位元數位輸入(PWM)輸出，每組的輸出解析度均達50KHz／8位元。
  • 2組(Encoder/decoder)介面及2組16-bit硬體索引暫存器。
  • 1組PC RS232輸入／輸出介面。
  • 2組串聯（一般串聯與分時多工TDM串聯）介面。
  • PC/AT 16位元並聯傳輸介面，含一組16位元指令(資料)訊號暫存器。
  • 32KB模擬介面。
  • 可單獨(Standlone)使用或插卡(Add-on-card)使用。
  • ８２５５介面。

　　前面提到本實驗模組可單獨操作或插在電腦的ISA插槽上使用，但再實際操作使用時，安裝在PC/AT的ISA插槽中使用並不穩定。雖然在資料及控制的傳輸上速度很令人滿意，但一些中斷及腳位控制並不如預期的順利，故在實驗時改為單獨使用。改為單獨使用時需將CSDK-50設定為微處理機模式，利用RS232跟電腦連線，並再執行除錯程式時告知電腦CSDK-50所使用的是COM1還是COM2。

圖A.3　CSDK-50實物

　

　CSDK-50類比／數位轉換

　　CSDK-50控制板上設計有一組4個通道輸入的類比-數位轉換器ADC。這個類比-數位轉換器係採用AD公司的ADl671晶片來完成工作。基本上這個轉換器是個12位元結構，工作頻率高達1.25MSPS[意即其資料轉換時間(Conversion Time)僅僅需要800n5]，類比輸入電壓範圍可由使用者定義為雙極性輸入(電壓輸入範圍為-5V到+5V之間)，或是單極性輸入(電壓輸入範圍為OV到+5V之間)。AD1671的幾個重要腳位定義如下:

OTR(15腳):溢位信號腳。當此信號腳輸出為高電位(1)時，表示輸入的類比電壓超過範圍了。

(l4腳):與OTR搭配，表示溢位的方向。

Encode(l7腳):取樣致能腳位。當此腳位為正緣上昇時，AD1671開始將類比輸入取樣到晶片內轉換。當採用高脈波(Pluse HIGH)模式時，脈波應有2Ons時間。

DAV(16腳):資料輸出效能腳位。當此腳位由正電壓下降為負電壓時(負緣下降)，外部的周邊可以經由資料匯流排取得上一次轉換完成的資料。而當此腳位又由負電位上昇回正電位時，表示此次取樣已經完成轉換，且資料輸出到資料匯流排上了。

　　接下來，在整個AD轉換當中，最主要的部分莫過於取樣與DA轉換的相關時序關係。AD1671晶片之信號轉換時序如下圖A.4所示。

　　圖A.4　Encode與DAV信號相關的時序圖

　　讀取AD1671轉換器轉換的資料共有二種方法:一種是用輪尋詢方式，在固定時間裏，讀取U3O,U31的資料值，便可以獲得AD轉換器的輸出值。另外一種，則是JPlO用Mini Jumper短路(ON），則每次DAV腳位降為Low時，便會使腳位降為低電位，使處理器執行外部中斷服務常式，再諸取U3O,U31的資料值，便可以獲得AD轉換器的輸出值。值得注意的是，透過此程序所讀取到的位元值(TDO∼TD11)為ADC轉換值，而TDl2為，TDl3為OTR,TDl4,TD15則尚未使用到。

　　在控制板上類比-數位轉換器的類比輸入端此模組CSDK-50使用了一個類比多工器ADG529(U32)。這個類比多工器具有8個輸入端，2個輸出端。每個輸入端最高可承受上25V的電壓，2OmA的連續電流，每次起動時間(ton)僅需要400ns。輸入端受A0,Al及EN腳位控制。因其可承受電壓有25V，故在類比輸入端亦可視為一電壓緩衝器，以免信號高電壓雜訊破壞硬體晶片。