臺灣博碩士論文加值系統

本研究運用了USB介面的隨插即用、熱插拔及擴充性等便利，以個人電腦（PC）內建之USB hub作為通訊主軸，整合了Webcam（使用USB 2.0）、自行開發之伺服馬達控制單元、筆記型PC及輕便之球平台機構，建構了一套低成本之可攜式球平台系統。其中，Webcam是做為球位置的視覺回授元件，而伺服馬達控制單元係以相容MCS-51系列之AT89S52單晶片微控器作為核心，並搭配自行發展的週邊電路及韌體，以做一軸或二軸的位置伺服控制。另筆記型PC，除做為USB通訊之主機端外，依據不同的系統功能，它也用來執行系統的主要程式，兼做為人機介面及處理由Webcam所攝取的影像，以求得球在平台上之X、Y軸位置座標。
最後，將上述各單元建構完成及整合後，此球平台系統可處理Webcam每秒所擷取的30張影像，並求出球在球平台的中心座標，同時可控制球平台追隨搖桿的擺動，於0.3秒內完成定位。依據這樣的能力，我們設計了兩個系統功能：一、智慧型人機互動球平台遊戲，包含「人機互動」（如：X軸自動Y軸手動或X軸手動Y軸自動）、「人與人互動」（X、Y軸皆手動）等，而此部份已證實能達到預期之目標；二、球位置的平衡控制，此是要控制球停止於所欲的位置，由於所需的控制法則相當複雜，本研究只進行至可驗證架構的可行性，而控制法則的研究，則待未來的學弟來進行。

Appling the convenience of USB interface ( plug and play, hot attach and detach and extensibility ), this research use a notebook PC and its USB hub as the main communication kernel for integrating a microprocessor, a Webcam and a servo-motor controller to form a low cost, portable ball-on-plate system. In the system, the Webcam is used as a vision feedback component, the servo-motor controller is based on a MCS-51 compatible AT89S52 micro-controller to integrate peripheral circuits and firmware. Except used as a communication kernel, the PC also provides the functions of executing the assigned tasks, man-machine interface and the post image processing in order to obtain the X,Y coordinates of the ball in the plate.
After the integration of above mentioned component, the ball-on-plate system can process 30 digital pictures generated from Webcam and determine the center of the ball in each sampling period. Spontaneously and immediately, the system also can control the swing of the plate following the input of the handle and reach the desired position within 0.3 second. Based on above capabilities, we designed two system tasks to let the I notebook PC to execute. One is the intelligent man-machine ball-on-plate game, witch includes man-machine competing ( X axis by man, Y axis by machine; or vice versa ) and man-man competing. This first task is implemented in the system and proved to be acceptable. The second task is to control the ball to stop at a desired place. This control actually requires very complicate algorithm and beyond the scope of this research. However, such a task is proved to be feasible based on the structure provided.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2問題與解決方案 2
1.3論文架構 3
第二章 USB系統簡介 5
2.1前言 5
2.2 USB系統架構 5
2.2.1 USB主機 6
2.2.2 USB裝置 6
2.2.3 USB集線器 7
2.3 USB纜線與接頭 8
2.4 USB裝置之連結與偵測 10
2.5 USB傳輸型式 11
2.5.1控制型傳輸 11
2.5.2中斷型傳輸 12
2.5.3大量型傳輸 12
2.5.4即時型傳輸 13
2.6 USB通訊協定 13
第三章 Direct Show及Webcam簡介 15
3.1 Direct Show基本概念 15
3.1.1 Direct Show之資料流過濾模組Filter 15
3.1.2元件物件模型COM 17
3.1.3 GraphEdit─測試Filter工具 19
3.2 Webcam的概念 23
3.2.1 Webcam的定義 23
3.2.2 COMS及CCD光學感測元件之簡介 24
3.2.2.1 COMS光學感測元件之簡介 24
3.2.2.2 CCD光學感測元件之簡介 26
3.2.2.3 COMS與CCD光學感測元件之比較 27
第四章 硬體系統發展 29
4.1球平台機械系統 29
4.1.1球平台之機械結構簡介 29
4.1.2球平台機械系統之數學模型 31
4.1.3馬達總成簡介 33
4.2硬體電路系統 36
4.2.1 USB轉串列（RS232）介面電路 39
4.2.2 RS-232轉TTL/CMOS訊號電路 42
4.2.3微控制器控制電路 43
4.2.3.1微控制器主模組 44
4.2.3.1.1 Atmel AT89S52簡介 45
4.2.3.1.2 AT89S52微控制器基本架構 47
4.2.3.1.3 AT89S52串列埠介面 48
4.2.3.1.4解碼器74LS154簡介 51
4.2.3.1.5閂鎖暫存器74LS373簡介 52
4.2.3.1.6 PC817與DIO隔離電路 54
4.2.3.2 D/A暨計數器擴充模組 56
4.2.3.2.1 AD7541AKN數位/類比轉換器簡介 56
4.2.3.2.2數位/類比轉換及馬達正、反轉控制訊號電路 60
4.2.3.2.3馬達驅動模組 62
4.2.3.2.4計數器電路 62
4.2.3.3 A/D暨介面整合電路擴充模組 68
4.2.3.3.1 ADC0804類比/數位轉換器簡介 69
4.2.3.3.2 A/D轉換電路 70
4.2.3.3.3 極限開關感測電路 72
第五章 軟韌體系統發展 73
5.1影像處理軟體發展 74
5.1.1讀取球座標之影像處理程式設計 74
5.1.1.1 DirectShow Filter Graph程式的建立及設定 76
5.1.2影像處理程式之演算法 80
5.1.3函式庫的建立 84
5.2人機界面軟體發展 86
5.3微控制器韌體程式發展 92
5.3.1球平台系統之伺服控制方法 92
5.3.2微控制器程式設計 94
5.3.2.1主程式設計 94
5.3.2.2計時中斷副程式設計 105
5.3.2.3串列傳輸中斷副程式設計 111
第六章 系統測試與結果 113
6.1測試實體簡介 113
6.2 Webcam擷取球體中心座標速率測試 114
6.3 Encoder四倍解析度電路測試 115
6.4球平台系統實機測試 118
6.4.1球平台平衡系統模式測試 118
6.4.2 X軸手動Y軸自動的球平台遊戲系統模式測試 119
6.4.3 X軸Y軸皆手動的球平台遊戲系統模式測試 123
第七章 結論與未來展望 126
7.1結論 126
7.2未來展望 127
參考文獻 129

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