可分离式智能眼镜的硬件平台开发及实现
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作者:朱标
摘 要：本论文根据智能眼镜的市场需求，提出可分离式智能眼镜的概念，并给出设计硬件平台的实现。本设计结合FPGA技术与ARM技术，采用FPGA作为微型显示器驱动单元，介绍了OLED显示屏的驱动电路、GAMMA矫正电路、摄像头采集电路以及视频接口转换电路。同时，利用ARM作为数据处理平台，详细阐述了数据存储电路、电源管理电路以及接口处理电路的设计方法。本文设计的智能眼镜，运算速度快、功耗低、使用方便，未来能够在公共安全、消防电力、智能制造等专业领域里广泛应用。
关键词：智能眼镜 可分离 硬件处理平台 FPGA ARM
穿戴式智能眼镜以方便的佩戴方式、直观的观察视角逐渐被大众所接受，但是目前市场上的智能眼镜都是一体式的，相对功率大、厚度厚、穿戴不方便，尤其是在特殊环境下使用不便，针对上述问题，本文设计一款分离式可穿戴的智能眼镜，文中给出了设计的硬件平台实现方法，重点介绍各个功能电路的器件选择及原理搭建。
1 硬件整体架构介绍
本论文设计的可穿戴式智能眼镜硬件平台，利用系统处理器相分离的方式实现，在硬件上主要分为两部分，一部分采用FPGA为主控芯片，实现硅基OLED屏的驱动、摄像头的信息采集、HDMI视频解码以及视频数据的传输。另一部分为系统主控电路，采用ARM作为主处理器，包括其做小系统、各种通信接口、电源模块等。整体系统架构如图1所示，系统实物图如图2所示。
1.1 FPGA主控电路设计
本设计中，OLED屏驱动电路实现的功能有：（1）为OLED显示器提供模拟的RGB信号驱动;（2）实现屏亮度可调，即为OLED显示器阴极提供可调负电压;摄像头采集电路实现的功能有图像自动对焦、窗口可设置、图像可缩放及DVP数字视频接口设计;HDMI解码电路主要处理来自HDMI接收器的视频信号，完成视频的对比度调整、饱和度调整以及亮度调整，除此以外，该模块还是实现了自由运行和同步对准等功能;USB电路不仅实现与控制器进行主从设备使用，而且可以与一些常用的外设接口如SPI、IIC、UART和IIS等进行通信，完成与任何处理器、FPGA、ASIC的连接。
以下是对各个模块电路的设计与介绍。
（1）OLED驱动电路设计。
本设计采用法国MICROOLED公司的MDP01CP型OLED显示器，该显示器具有封装体积小、功耗低及显示质量优等特点。
基于OLED屏需要的为模拟信号，所以设计中采用ADA4850运放电路以及电阻网络的组合形式的电路结构实现将FPGA输出的数字信号进行转变，ADA4850器件具有功耗低、运行速度快以及低电压漂移输出等特点 [1]。
需要注意的是，在设计中，因为需要对OLED屏进行亮度调节，所以这里需要提供一个负电压给OLED屏的阴极，使得OLED屏的显示亮度调节即可通过该负电压的调节而实现。但是，因为OLED显示器的亮度变化会影响屏的温度变化，而屏温度又会影响到屏的使用寿命以及使用效果，所以在进行亮度调节的时候，负电压需要实时调整，保证屏的温度。
（2）摄像头采集电路。
摄像头采集电路采用ATK-OV5640高清摄像头模组，这是一款具有500万像素的高性能摄像模组。该模组的图像传感器为OV5640。
（3）HDMI解码电路介绍。
HDMI解码电路采用ADV7610接收器实现，该接收器对于HDMI所规定的所有强制性3D电视格式都是可以支持的，该接收器的分辨率为8位[2]。
（4）USB电路。
USB电路采用赛普拉斯的EZ-USB FX3外设控制器，该控制器具有高度集成的灵活特性，允许设计中将USB3.0 V1.0和USB2.0添加在任何系统中。
（5）FPGA主控芯片介绍。
FPGA主控处理器采用的是XILINX公司的Spartan6系列芯片，该系列的芯片具有高逻辑的引脚比、MicroBlaze的软处理器、小型封裝、支持800Mb/s DDR3、各种多样化支持性I/O协议等[3]，满足设计需求。
1.2 ARM主控电路设计
本设计ARM主控制器选用飞思卡尔的I.MX 6，该处理器的运算能力超高，最高可达到12000DMIPS。在图形和视频分析能力上，支持处理3D图形以及2D图形，自身可实现加速引擎，最大支持的分辨率为4096×4096像素，支持的视频编码MPEG-4/H.263/H.264可以达到1080p@30fp，解码MPEG2/VC1/Xvid 视频可以达到1080p@30fps，同时该处理器支持高清HDMI TV输出[4]，无论在性能方面还是经济方面都较为适合本设计的要求。
（1）DDR电路。
DDR电路作为ARM的数据缓存电路，采用镁光公司的MT41K128M16JT芯片，该芯片具有128M的存储空间，传输速率高达800M，工作电压为1.5V。
（2）NANDFLASH存储电路。
NANDFLASH存储电路采用镁光公司的MT29F2G08ABDHC芯片，该芯片具有2G的存储空间，当工作电压为3.3V时，芯片读取速度为25ns。
（3）以太网电路。
以太网电路主要是为了实现平台调试使用，这里选用Microchip公司的KSZ9021RN芯片，该芯片支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T标准，芯片的核电压为1.2V，IO口电压为2.5V，发送器电压为3.3V，采用QFN-48封装。
（4）USB电路。
USB2.0中心控制器选用Microchip公司的USB2513B芯片，该芯片是一款高性能、功率超小的USB中心控制器，完全符合USB2.0规范且支持3个USB2.0端口，芯片工作电压为3.3V。
（5）电源电路。
整个ARM主控电路共需要4路电源，包括各路芯片及接口供电的3.3V电源，内核电源1.2V、1.5V以及2.5V。其中，3.3V、1.2V、1.5V电源采用RIHTEK公司的RT8070SP芯片，该芯片输入电压范围从2.7～5.5V，可调的输出电压范围0.8～5V，输出电流可达4A，开关频率为2M[5]。
2.5V电源芯片采用RIHTEK公司的RT8010A，该芯片输入电压范围为2.5～5.5V，输出电流可达1A。
2 结语
控制器硬件平台的设计与实现是整套控制系统的核心部分，同时也是系统设计最为复杂的部分。本设计不仅提出了可分离式智能眼镜系统的设计构思，并给出了整套控制系统硬件的设计，设计过程中，综合考虑了性能、成本、可靠性等因素，并根据用户的实际应用中所要面对的问题进行了合理的硬件布局，使整套系统变得高效易用。
参考文献
[1] 姜伟.基于计算机视觉的蔬菜识别模块的设计及实现[D].东南大学，2015.
[2] 李秀红，黄天戍，孙忠富，等.基于GPRS/SMS的嵌入式环境监测系统[J].吉林大学学报：工学版，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卡机房管理终端设计[D].成都理工大学，2009.
[5] 方圆.基于ARM7的嵌入式协议转换器的实现[D].上海大学，2008.
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