KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ*FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KAMERA DONANIM TASARIMI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Elektronik ve Haberleşme Mühendisi Çağrı GÜVENEL
Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği
Danışman: Prof. Dr. Sarp ERTÜRK
i ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR
Kızılötesi kameraların kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Bundan birkaç yıl önce soğutmasız algılayıcı teknolojisinin geliştirilememiş olmasından dolayı, kızılötesi kamera maliyetleri çok yüksekti. Bu nedenle, kızılötesi kameralar yalnızca özel askeri uygulamalarda kullanılmaktaydı. Günümüzde, soğutmasız algılayıcı teknolojisinin geliştirilebiliyor olmasının etkisiyle, kızılötesi kamera kullanımı sivil hayatta da yaygınlık kazanmıştır.
Kızılötesi kameralar ülkemize genellikle yurt dışından ithal edilmektedir. Yurt dışındaki üreticilerin sağladığı kameralar fiyat olarak çok yüksektir. Bunun yanı sıra, üreticiler kameraların bazı özelliklerini sınırlayarak satmaktadır. Bu tez çalışması, yukarıda belirtilen olumsuzlukları gidermek ve ülkemizde kızılötesi kamera tasarımını gerçekleştirmek adına yapılmıştır. Bu çalışmada kızılötesi kameranın elektronik kart tasarımı yapılmıştır.
Bu alanda çalışmamı sağlayan danışmanım Prof. Dr. Sarp Ertürk başta olmak üzere tüm KULİS ekibine ve aileme teşekkür ederim.
Bu tez çalışması 7091014 numaralı TÜBİTAK-TEYDEB projesi ve 2011K120330 numaralı DPT projesi kapsamında desteklenmiştir.
ii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR ... i İÇİNDEKİLER ... ii ŞEKİLLER DİZİNİ ... iv KISALTMALAR ... vi
KAMERA DONANIM TASARIMI ... vii
ÖZET: ... vii
ABSTRACT: …. ... viii
1. GİRİŞ ... 1
2. KAMERANIN GENEL YAPISI ... 4
3. GÖRÜNÜR BÖLGE ALGILAYICI KARTI TASARIMI ... 7
3.1. Görünür Bölge Algılayıcı Kartı Şematik Tasarımı ... 7
3.2. Görünür Bölge Algılayıcı Kart PCB Tasarımı ... 11
3.2.1. Uygulanan kurallar ... 11
3.2.2. Malzemelerin yerleşimi ... 11
4. KIZILÖTESİ ALGILAYICI KARTI TASARIMI ... 14
4.1. Kızılötesi Algılayıcı Kartı Şematik Tasarımı ... 14
4.1.1. Kızılötesi algılayıcı kartı aktif elemanları ... 14
4.2. Kızılötesi Algılayıcı Kart PCB Tasarımı ... 19
4.2.1. Tasarımda uygulanan kurallar ... 19
4.2.2. Malzeme yerleşimi ... 19
4.2.3. PCB katmanları ... 19
5. FPGA KARTI TASARIMI ... 25
5.1. Giriş ... 25
5.2. FPGA Kartı Şematik Tasarımı ... 25
5.2.1. FPGA kartı aktif elemanları ... 25
5.2.2. Tasarımda uygulanan kurallar ... 28
5.3. FPGA Kartı PCB Tasarımı ... 31
5.3.1. Tasarımda uygulanan kurallar ... 31
5.3.2. Malzeme yerleşimi ... 33
5.3.3. PCB katmanları ... 33
6. DSP KARTI TASARIMI ... 38
6.1. DSP Kartı Şematik Tasarımı ... 38
6.2. DSP Kartı Ana Bölümleri ve Üzerinde Kullanılan Aktif Elemanlar ... 38
6.2.1. DSP bölümü ... 39 6.2.2. PAL kodlayıcı bölümü ... 40 6.2.3. Güç bölümü ... 41 6.3. DSP Kartı PCB Tasarımı ... 43 6.3.1. Malzeme yerleşimi ... 43 6.3.2. PCB katmanları ... 44 7. ARAYÜZ KARTI ... 49
7.1. Arayüz Kartı Şematik Tasarımı ... 49
iii
8. KAMERANIN TÜMLEŞTİRİLMESİ ... 55
9. SONUÇLAR ... 58
KAYNAKLAR ... 60
EKLER ... 62
KİŞİSEL YAYINLAR VE ESERLER ... 71
ÖZGEÇMİŞ ... 72
iv ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1: Elektromanyetik spektrumun dalga boyu ve bölgeleri ... 1
Şekil 2.1: Tasarlanan kızılötesi kamerada kartların yerleşimi ... 6
Şekil 3.1: Elphel 10338 algılayıcı kartı şematik tasarımı ... 8
Şekil 3.2: Görünür bölge algılayıcı kart şematik tasarımı... 8
Şekil 3.3: Aptina MT9P031 Algılayıcı Pin Uçları ... 9
Şekil 3.4: Görünür bölge algılayıcı kartı PCB tasarımı ... 12
Şekil 3.5: Görünür bölge algılayıcı kartı ön yüzü ... 13
Şekil 3.6: Görünür bölge algılayıcı kartı arka yüzü ... 13
Şekil 4.1: ADS5421 ADC pin bağlantı şeması ... 15
Şekil 4.2: ADC şematik tasarımı ... 16
Şekil 4.3: MAX-5590 DAC şematik görüntüsü ... 17
Şekil 4.4: DAC Şematik Tasarımı ... 18
Şekil 4.5: Kızılötesi algılayıcı kartının 5. kat PCB görüntüsü ... 20
Şekil 4.6: Kızılötesi algılayıcı kartının 4. kat PCB görüntüsü ... 21
Şekil 4.7: Kızılötesi algılayıcı kartının 3. kat PCB görüntüsü ... 22
Şekil 4.8: Kızılötesi algılayıcı kartı PCB tasarımı ... 23
Şekil 4.9: Kızılötesi algılayıcı kartı ön yüzü ... 23
Şekil 4.10: Kızılötesi algılayıcı kartı arka yüzü ... 24
Şekil 5.1: XC5VLX110T FPGA kitinde JTAG zinciri şematik gösterimi ... 26
Şekil 5.2: DP83865 Ethernet entegresinin referans tasarımı ... 28
Şekil 5.3: FPGA kartı şematik tasarımı flash sayfası ... 29
Şekil 5.4: FPGA kartı şematik tasarımı ethernet sayfası... 30
Şekil 5.5: FPGA kartı şematik tasarımı POWER_INTERFACE sayfası ... 31
Şekil 5.6: Farksal veri sinyalleri ... 32
Şekil 5.7: FPGA kartı 7. kat PCB gösterimi ... 34
Şekil 5.8: FPGA kartı 1. kat PCB gösterimi ... 35
Şekil 5.9: FPGA kartı PCB tasarımı ... 36
Şekil 5.10: FPGA kartı ön yüzü gösterimi ... 36
Şekil 5.11: FPGA kartı arka yüzü gösterimi ... 37
Şekil 6.1: ADSP BF561 geliştirme kartı şematik tasarımı SDRAM bağlantısı ... 39
Şekil 6.2: Flash bellek şematik tasarımı ... 40
Şekil 6.3: PAL video kodlayıcı şematik tasarımı ... 41
Şekil 6.4: 5V-1.2V dönüşümü şematik tasarımı ... 42
Şekil 6.5: DSP kartı LMZ22010TZ kodlu regülatörün yerleşimi ... 44
Şekil 6.6: DSP kartın 2. katı PCB tasarımı ... 45
Şekil 6.7: DSP Kartın 4. katı PCB tasarımı ... 46
Şekil 6.8: DSP Kartın 3. katına ait PCB tasarımı görünümü ... 47
Şekil 6.9: DSP Kart ön yüzünün görünümü ... 48
Şekil 6.10: DSP Kart arka yüzünün görünümü ... 48
Şekil 7.1: DSP kartından arayüz kartına gelen/giden sinyaller ... 49
Şekil 7.2: Arayüz kartı ile FPGA kartı arasındaki iletişimi sağlayan konnektörün şematik görüntüsü ... 50
v
Şekil 7.3: Dış ortama gönderilen trigger sinyali ... 51
Şekil 7.4: Arayüz kartı ön yüzü PCB tasarımı ... 52
Şekil 7.5: Arayüz kartı arka yüzü PCB tasarımı ... 53
Şekil 7.6: Arayüz kartı ön yüzünün görünümü ... 54
Şekil 7.7: Arayüz kartı arka yüzünün görünümü ... 54
Şekil 8.1: Kızılötesi algılayıcı kartı ile FPGA kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri ... 55
Şekil 8.2: Kızılötesi algılayıcı kartı ile DSP kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri ... 56
Şekil 8.3: Ara yüz kartı ile FPGA kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri ... 56
Şekil 8.4: Arayüz kartı ile DSP kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri ... 57
vi KISALTMALAR
PCB : Printed Circuit Board (Baskı devre kartı)
FPGA : Field Programmable Gate Array (Alan programlanabilir kapı dizisi) DSP : Digital Signal Processing (Sayısal işaret işleme)
FPC : Flexible Printed Circuit (Esnek baskı devre)
EMI : Electromagnetic Interference (Elektromanyetik girişim) LWIR : Long Wave Infrared (Uzun dalga kızılötesi)
ADC : Analog to Digital Converter (Analog sayısal dönüştürücü) DIFF_AMP : Differential Amplifier (Farksal yükselteç)
OP-AMP : Operational Amplifier (İşlemsel kuvvetlendirici)
DAC : Digital to Analog Converter (Sayısal analog dönüştürücü) JTAG : Joint Test Action Group (Ortak test eylem grubu)
CPLD : Complex Programmable Logic Device (Karmaşık programlanabilir kapı devreleri)
vii
KAMERA DONANIM TASARIMI
Çağrı GÜVENEL
Anahtar Kelimeler: Kızılötesi, kamera, elektronik kart tasarımı, FPGA
ÖZET: Günümüzde kızılötesi kamera kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bir kaç yıl öncesine kadar, yalnızca soğutmalı algılayıcılar olduğu için kamera maliyetleri çok yüksekti. Kızılötesi kameralar yalnızca özel askeri uygulamalarda kullanılmaktaydı. Soğutmasız algılayıcıların çıkmasıyla beraber, kızılötesi kamera maliyetleri düşmüş, kullanım alanları artmıştır. Ülkemizde bulunan kızılötesi kamaralar, yurt dışından ithal edilmektedir. Bu nedenle kameraların maliyetleri artmaktadır. Aynı zamanda, kızılötesi kameralar özel askeri amaçlarla kullanılabildiği için, üretici firma kameranın özelliklerini sınırlamaktadır. Bu tez çalışmasında, ülkemizde kamera tasarımını gerçekleştirerek, dışa bağımlılığın engellenmesi amaçlanmıştır.
viii
HARDWARE CAMERA DESIGN
Çağrı GÜVENEL
Keywords: Infrared, camera, electronic card design, FPGA
ABSTRACT: Nowadays, infrared camera usage increases day by day. A few years ago, cameras were so expensive because only cooled sensor were available. Infrared cameras were used only for special military applications. After uncooled sensors have been produced, camera costs have been decreasing and usage areas have been increasing. Infrared cameras which are available in Turkey are imported from foreign countries and therefore the cost of camera's has been high. Also, companies producing limit camera future because infrared cameras can be used for special military purposes. In this thesis, an infrared camera is designed, aiming to reduce foreign dependence.
1 1. GİRİŞ
Işık kırıcılık katsayıları farklı olan saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama gerçerken kırılmaktadır. Kırılma miktarı ışığın dalga boyu ile alakalıdır[1]. Dalga boyu ne kadar büyük ise kırılma o kadar küçük açıyla olur. Dalga boylarındaki farklılık elektromanyetik spektrumu ortaya çıkarmıştır.
Elektrmanyetik spektrum, gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar bilinen tüm elektromanyetik dalgaları içeren dizilimdir. Şekil 1.1‟de elektromanyetik spektrumun dalga boyu ve bölgeleri gösterilmiştir.
Şekil 1.1: Elektromanyetik spektrumun dalga boyu ve bölgeleri [2]
Elektromanyetik spektrum bölgeleri, Gama ışını, X-ışını, Morötesi ışını, Görünür bölge, Kızılötesi ışını, Mikrodalga ışını ve Radyo ışını olarak altı temel bölgeye ayrılmaktadır.
Bu çalışmada, elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinde ve kızılötesi bölgesinde çalışabilecek kameralar yapılmıştır.
2
Gözümüzün algıladığı en son dalga boyu olan 700nm ile 1000um aralığındaki dalga boyunun elektromanyetik spektrumdaki karşılığı kızılötesi bölge olarak adlandırılmaktadır. Kızılötesi bölge de kendi arasında, yakın kızılötesi, kısa dalga boyu kızılötesi, orta dalga boyu kızılötesi, uzun dalga boyu kızılötesi ve uzak kızılötesi gibi bölümlere ayrılmaktadır.
Uzun dalga boyu kızılötesi 8-15um aralığında bulunur ve sıcaklık değişimlerini algılayabilmektedir.
Bu tezin amacı, hem sivil amaçla hem de askeri amaçla kullanılabilecek, portatif hedef odaklamalı uzun dalga boyu bölgesinde çalışan soğutmasız bir kameranın donanımını tasarlamaktır. Piyasada bulunan kızılötesi kameralar yurt dışından ithal edilmektedir. Kameralar yurt dışından geldikleri için, maliyetleri gümrük vergileri ile beraber çok yükselmektedir. Bunun yanı sıra, askeri amaçlarda kullanımını engellemek adına, kameranın saniyede gönderdiği çerçeve hızı düşürülerek satılmaktadır. Bu tezin bir diğer amacı da, kızılötesi kamera tasarlayarak, ülkemizin bu alanda yurt dışı ile rekabet edebilmesini sağlamak ve yurt dışına bağımlılığı ortadan kaldırmaktır.
Tez aşağıdaki bölümlerden oluşmaktadır.
İkinci bölümde kameranın genel yapısından bahsedilmiştir. Günümüzde kullanılan görünür bölge ve kızılötesi kameralardan, kamerada tasarlanan kartlar ve kullanım amaçlarından genel olarak bahsedilmiştir.
Üçüncü bölümde, Görünür bölge algılayıcı kartının şematik ve PCB tasarımlarından bahsedilmiştir.
Dördüncü bölümde, Kızılötesi algılayıcı kartının şematik ve PCB tasarımlarından bahsedilmiştir.
3
Altında bölümde DSP kartının şematik ve PCB tasarımlarından bahsedilmiştir.
Yedinci bölümde Arayüz kartının şematik ve PCB tasarımlarından bahsedilmiştir.
Sekizinci bölümde, kameranın tümleştirilme işlemi anlatılmıştır.
Dokuzuncu bölüm sonuçların gösterildiği bölümdür. Kartların dizgisiz ve dizgili halleri, birbirlerine monte edilmiş fotoğrafları gösterilmiştir.
4 2. KAMERANIN GENEL YAPISI
Kızılötesi kameraların kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Bu kameralar genel olarak askeri uygulamalarda kullanılmaktadır. Fiyatlarının düşmesi ve çözünürlüklerinin artmasıyla beraber sivil uygulamalarda da kızılötesi kameralar kullanılmaya başlanmıştır. Uzun dalga boyu bölgesinde çalışan kızılötesi kameralar tıp, ateş etme takibi, volkanoloji gibi genel sivil uygulamalarda kullanılmaktadır [3]. Robot kullanarak insan takibi yapılmaktadır [4]. İnsan uykusuzluğunu ölçmek amacıyla göz bebeğinde oluşan hareket farklılıkları kızılötesi kamera ile kaydedilerek analiz edilmektedir [5]. Yine uzun dalga bölgede çalışan kızılötesi kamera kullanılarak gece görüşünde insan takibi yapılmıştır [6]. İnsandan bağımsız, gri nesnelerin farklı çevresel şartlardaki sıcaklık kararlılığı için kızılötesi kameralar kullanılmaktadır [7].
Kızılötesi kameralar soğutmalı ve soğutmasız olarak iki genel gruba ayrılabilir. Kameraları soğutmalı ve soğutmasız olarak ayıran, üzerinde bulunan algılayıcının soğutmalı veya soğutmasız olarak çalışabilmesi ile alakalıdır. Soğutmalı algılayıcılar 100 Kelvin'e kadar soğutulmak durumundadır [8]. Böyle bir soğutma sisteminin kullanılması durumunda kameranın maliyeti çok artmaktadır. Soğutmalı kızılötesi kameraların olduğu dönemlerde, kullanımının bu kadar yaygın olmamasının en önemli sebebi, maliyetinin çok yüksek olmasıdır. Bir diğer sebebi ise boyutudur. Soğutmalı sistemlerde, algılayıcıyı soğutmak için kullanılan aksam sebebiyle, kamera boyutları çok büyüktür. Soğutmasız algılayıcıların geliştirilmesiyle beraber, kızılötesi kamera maliyetleri ve boyutları düşmüştür. Daha önce yalnızca özel askeri amaçlar için kullanılan kameralar, günümüzde birçok farklı alan ve uygulamalarda kullanılabilmektedir.
Genel olarak kızılötesi kameralar, algılayıcının bulunduğu bir sistem ve bu algılayıcıdan görüntü alabilmek için kullanılan bir kontrol sisteminden oluşmaktadır. Kontrol sistemi, algılayıcının gerekli pinlerini kontrol ederek, algılayıcıdan
5
görüntüyü alabilmek için kullanılır. Kameraların kontrol merkezi bir mikrodenetleyicidir. Mikrodenetleyici yerine yaygın olarak FPGA da kullanılmaktadır.
Kamera 4 ana kartın birleşiminden oluşmaktadır. Bu kartlar sırasıyla, Kızılötesi algılayıcı, FPGA kartı, DSP kartı ve Arayüz kartıdır. Bu kartlar dışında, test amaçlı Görünür bölge algılayıcı kartı da tasarlanmıştır.
Kızılötesi algılayıcının maliyeti çok yüksek olduğu için, ilk denemeler tasarlanan Görünür bölge algılayıcı kartı ile yapılmıştır. Görünür böleg algılayıcı kartı, FPGA geliştirme kartına takılarak test edilmiştir.
Görünür bölge algılayıcı kartında gerekli testler yapıldıktan sonra Kızılötesi algılayıcı kartı tasarlanmıştır. Bu kart, kızılötesi algılayıcı ve algılayıcının çalışabilmesi için gerekli çevresel birimlerden oluşmaktadır. Kartın tasarımı bittikten sonra, kart FPGA geliştirme kitinde test edilmiş, testlerden başarıyla geçtikten sonra FPGA kartının tasarımına geçilmiştir.
FPGA kartı, kameranın kontrol merkezidir. Üzerinde bulunan FPGA, kızılötesi algılayıcıdan aldığı görüntü verilerini gerekli birimlere dağıtma işlemini yerine getirir. FPGA kartı bu görüntüleri ham olarak veya işlenmiş olarak dış ortama aktarma özelliğine sahiptir. Ham ya da işlenmiş verinin dış ortama aktarılması Ethernet arayüzü ile sağlanmaktadır. Ethernet arayüzü de FPGA kartı üzerinde bulunmaktadır.
DSP kartı, FPGA kartından aldığı görüntü verilerini gömülü yazılımla işleme özelliğine sahiptir. Kartın üzerinde bulunan DSP işlemcisi ile bu uygulamaları yapabilmektedir. DSP kartı aynı zamanda Güç kartı olarak da işlev görmektedir. Kartın üzerinde genel olarak kullanılan besleme gerilimleri, bu kart üzerinde kullanılan regulatörler aracılığıyla üretilir.
6
Arayüz kartı, kameranın dış ortam ile haberleşmesini sağlayan karttır. Kameranın giriş besleme gerilimi ve kamerayı donanımsal tetiklemeye yarayan “Trigger” özelliği, bu kart üzerinde bulunan konnektörler aracılığı ile sağlanmaktadır.
Kamera U tipi bir yapıyla tasarlanmıştır. Buna göre, kameranın ön yüzünde Kızılötesi algılayıcı kartı, arka yüzünde Arayüz kartı, alt yüzünde FPGA kartı ve üst yüzünde DSP kartı bulunmaktadır. Kızılötesi algılayıcı kartı ile Arayüz kartı'nın FPGA ve DSP kartlarına birleşimi yüzeyden yüzeye konnektör tipleriyle sağlanmıştır. FPGA kartı ile DSP kartı arasındaki veri alışverişi ise, FPC adı verilen kablolu konnektörler aracılığıyla sağlanmıştır.
Algılayıcı Kartı Arayüz Kartı
Dsp Kartı Fpga Kartı Fpc Konnektör Al gı lay ıcı
Şekil 2.1: Tasarlanan kızılötesi kamerada kartların yerleşimi
Şekil 2.1'de kamera kartlarının yerleşimi gösterilmiştir. Buna göre kameranın ön yüzünde Kızılötesi algılayıcı kartı bulunmaktadır. Kartın önünde bulunan konnektörlere kızılötesi algılayıcı monte edilecektir. Algılayıcı kartının DSP ve FPGA kartlarıyla olan bağlantısı üst ve alt köşelerde bulunan konnektörler aracılığıyla sağlanmıştır. Aynı şekilde, kameranın arka yüzünde bulunan Arayüz kartı da alt ve üst köşelerde bulunan konnektörler aracılığıyla DSP ve FPGA kartlarına bağlanmıştır. DSP ve FPGA bağlantılarının birbirleri arasındaki bağlantıları ise FPC konnektörler aracılığıyla yapılmıştır.
7
3. GÖRÜNÜR BÖLGE ALGILAYICI KARTI TASARIMI
Kızılötesi algılayıcıların maliyeti çok yüksek olduğu için, ilk test çalışmaları görünür bölge algılayıcı kullanılarak yapılmıştır. Bu nedenle, üzerinde görünür bölge algılayıcı bulunan bir kart tasarlanmıştır. Kart tasarımının ardından FPGA geliştirme kitleri kullanılarak, kartın çalışma başarımı test edilmiştir. Kart üzerinde, görüntüyü alan görünür bölge algılayıcı, algılayıcının çalışabilmesi için gerekli gerilim değerlerini üreten regülatörler, bu regülatörlerin doğru çalışabilmesi için gerekli pasif elemanlar (kondansatörler ve dirençler), FPGA geliştirme kartı ile görünür bölge algılayıcı kartı arasındaki veri haberleşmesini sağlayacak olan konnektör bulunmaktadır.
3.1. Görünür Bölge Algılayıcı Kartı Şematik Tasarımı
Görünür Bölge Algılayıcı kartında Aptina MT9P031 numaralı algılayıcı bulunmaktadır. Piyasada, aynı algılayıcı kullanılarak tasarlanmış algılayıcı kartlar mevcuttur. Algılayıcı kartın tasarımı yapılırken daha önce tasarlanan algılayıcı kartlardan yararlanılmıştır. Bu kartlardan biri de Ephel firmasının üretmiş olduğu 10338 kod numaralı görünür bölge algılayıcı kartıdır. Kartın şema ve PCB tasarımları, Elphel'in internet sitesinde mevcuttur.
8
Şekil 3.1: Elphel 10338 algılayıcı kartı şematik tasarımı [9]
Şekil 3.1'de gösterilen algılayıcı kartı şematik tasarımında U1 kod numaralı eleman algılayıcıdır. Şemanın sol tarafında bulunan DC1, DC2, DC3 kod numaralı elemanlar, algılayıcı için gerekli besleme gerilimlerini sağlayan elemanlardır.
Görünür bölge algılayıcı kartı tasarımı Şekil 3.1'deki şematik tasarımdan yola çıkarak yapılmıştır. Kartın sorunsuz çalışabilmesi için şema üzerinde bulunan elamanlar mümkün olduğu kadar değiştirilmemiştir. Tasarlanan kartın şeması Şekil 3.2'de gösterilmiştir.
9
Kart üzerinde Aptina MT9P031 numaralı algılayıcı bulunmaktadır. Algılayıcı 5MP(2592×1944) çözünürlüğünde, en yüksek 96Mb/s veri hızında, saniyede çözünürlük 640×480 iken en yüksek 53 çerçeve hızında çalışmakta ve 12 bitlik sayısal çıkışa sahiptir.
Görünür bölge algılayıcı pin şeması Şekil 3.3'te verilmiştir.
Şekil 3.3: Aptina MT9P031 Algılayıcı Pin Uçları [10]
1 ve 48 numaralı uçlar piksel besleme gerilim uçlarıdır. Algılayıcının düzgün çalışabilmesi için dışarıdan 2.8V gerilim uygulanmalıdır. 2 numaralı AGND ucu algılayıcının analog toprak ucudur. 3 numaralı TEST ucu ile 6 numaralı RSVD uçları fabrika kullanım uçlarıdır. Kullanıcıyı ilgilendirmez. Bu nedenle bu uçlar toprağa çekilir. 4 numaralı SCLK ile 5 numaralı SDATA uçları I2C haberleşme protokolü için kullanılan uçlardır. Bu uçlar FPGA tarafından kontrol edileceği için, doğrudan konnektöre bağlanır. Algılayıcı, piksel değerlerini I2C haberleşme protokolünü kullanarak seri olarak satır satır okur. Bu okuma sırasında 7 numaralı uç kullanılarak, veri çerçeve bilgisi 8 numaralı LINE_VALID ucu kullanılarak, ilgili çerçevede
10
kaçıncı satırdaki piksel değerlerinin okunduğu bilgisi elde edilir. 7. ve 8. uçlar da konnektöre doğrudan bağlanır ve FPGA tarafından kontrol edilir. 9. uç STROBE ucudur. STROBE lojik seviyesi „1'olduğunda, pikseller enstantane modunda olur. 10 ve 46 numaralı DGND isimli uçlar, algılayıcının sayısal toprak ucudur. 11 ve 39 numaralı VDD_IO isimli uçlar, algılayıcıda bulunan giriş/çıkış uçlarının gerilim besleme ucudur. İdeal şartlarda 1.8V gerilim değerinin dışarıdan bu uçlara uygulanması gerekir. 12 numaralı VDD isimli uç ise, devrede bulunan sayısal gerilim besleme ucudur. Devredeki sayısal elemanlar bu uca dışarıdan uygulanacak 3V değerindeki gerilim ile beslenirler. 13 numaralı uç SADDR isimli seri adres ucudur. 14 numaralı STANDBY_BAR isimli uç lojik '0' seviyesinde olduğunda, algılayıcı bekleme konumuna geçer, işlem yapmaz. Algılayıcı, STANBY_BAR lojik '1' seviyesinde olduğunda normal işlevini görür. 15 numaralı TRIGGER ucu, algılayıcı enstantane modunda çalışırken, tek bir çerçevenin okunmasına yarar. 16 numaralı RESET_BAR ucu algılayıcının reset ucudur ve lojik '0' seviyesinde aktif olur. 17 numaralı OE ucu lojik ‟1'seviyesinde iken PIXCLK, çıkış veri uçları, FV, LV ve STROBE uçları yüksek empedansa çekilir. Algılayıcının normal çalışabilmesi için OE ucunun lojik '0' seviyesinde olması gerekir. 19, 20, 27, 28, 29, 30 numaralı NC uçları kullanılmamaktadır. 31 numaralı EXTCLK ucu algılayıcıya gerekli saat darbesinin sağlandığı uçtur. EXTCLK da doğrudan konnektöre gönderilir ve FPGA tarafından kontrol edilir. 32 numaralı PIXCLK sinyalinin düşen kenarında DOUT, FV, LV ve STROBE sinyalleri yakalanır. 33-45 numaralı sinyaller 12 bitlik veri çıkış uçlarıdır. Bu uçlar da doğrudan konnektöre bağlıdır.
Algılayıcıda kullanılacak gerekli besleme gerilimlerini üretmek için üç farklı regülatör kullanılmıştır. Texas Instruments'in TPS79918DDCR, TPS79928DDCR, TPS79930DDCR kodlu elemanları kullanılan regülatörlerdir. Regulatörler aynı karakteristiklere sahiptir. En fazla 200mA akım çekerler ve -40°C ile +125°C aralığında çalışabilmektedirler. Regulatörler, girişlerine uygulan 5V gerilim değerini sırasıyla 1.8V, 2.8V ve 3V'lik gerilim değerlerine dönüştürürler [11].
11
3.2. Görünür Bölge Algılayıcı Kart PCB Tasarımı
3.2.1. Uygulanan kurallar
Şekil 3.2.'de gösterilen şematik tasarıma bağlı olarak PCB tasarım gerçekleştirilmiştir.
PCB tasarımı; kartın boyutu, kat sayısı, güç katlarının gürültü etkisi, sinyal kategorileri, birbirine yollarla bağlanacak bileşen sayısı gibi birtakım kıstaslar ile belirlenmektedir [12]. Kartın ön ve arka yüzü eleman ve sinyal katı olarak, 2. katı toprak ve 3. katı ise gerilim katı olarak kullanılmıştır. Görünür bölge algılayıcı kart 46×40 mm boyutlarında, 4 katlı olarak tasarlanmıştır. Toprak katı kendi arasında analog ve sayısal toprak olarak ikiye ayrılmıştır. ADC ve DAC gibi analog ve sayısal uçları olan elemanların analog uçları analog toprağa, sayısal uçları sayısal toprağa bağlanır. Analog ve sayısal elemanların devre üzerindeki davranışları birbirinden farklıdır. Bu elemanların toprak uçları, aynı toprak üzerinde birleşirse, elemanlar birbirilerinin gürültüsünden etkilenirler [13]. Bu paraziti ortadan kaldırmak için devrenin sayısal ve analog toprak uçları birbirinden ayrılmıştır.
Gerilim katı ise analog 5V ve sayısal 5V olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Gerilim katında bulunan 1.8V, 2.8V, 3V'lik gerilim değerleri, 0.5mm kalınlıkta yollarla gerekli elemanlara taşınmıştır.
3.2.2. Malzemelerin yerleşimi
Projede daha önceden belirlendiği gibi, algılayıcı kartı kameranın ön kısmında bulunacaktır. Kartların birbirlerine tutması için algılayıcı kartın sağına ve soluna montaj delikleri konmuştur. Algılayıcının da kartın merkezinde bulunması gerekmektedir. Kartların birbirleri arasında haberleşmelerini sağlayan sinyallerin kartlar arasındaki geçişleri sağlayan konnektörlerin konumları da daha önceden belirlenmiştir. Algılayıcının gerekli besleme gerilimlerini sağlayan regülatörlerin, algılayıcıya mümkün olduğu kadar yakın olması gerekir. Aynı şekilde besleme gerilimleri için kullanılan kuplaj kondansatörlerinin de algılayıcıya mümkün
12
olduğunca yakın olması gerekir. Regülatörlerin verimli çalışmalarını sağlayan kondansatörlerin ise, ilgili regülatörlere yakın olması gereklidir. Algılayıcıdan konnektörler aracılığı ile FPGA'ya giden sinyallerin uyumunu sağlayan direnç paketleri/dirençler de konnektörlere yakın konumlandırılmıştır. Kullanılan EMI süzgeçler, girişten gelen 5V gerilimine yakın konumlandırılmıştır. Bu sayede, girişten gelen 5V'nin EMI süzgeçten önce devrede çok dolanmaması sağlanmıştır.
Pads Layout programında tasarlanan görünür bölge algılayıcı kartının görüntüsü Şekil 3.4'te gösterilmiştir.
Şekil 3.4: Görünür bölge algılayıcı kartı PCB tasarımı
PCB kartın tasarımı bittikten sonra, üretim için PCB cam verileri üretici firmaya gönderilir. Türkiye'de PCB kart üretimi yapan firmalar 4 kata kadar kart tasarımları yapmaktadır. Bu nedenle, kartların üretimleri yurt dışında yapılmıştır.
13
Şekil 3.5 ve şekil 3.6'da üretilen kartın ön ve arka yüzünün fotoğrafları gösterilmiştir.
Şekil 3.5: Görünür bölge algılayıcı kartı ön yüzü
14
4. KIZILÖTESİ ALGILAYICI KARTI TASARIMI
4.1. Kızılötesi Algılayıcı Kartı Şematik Tasarımı
Projede belirlenen kızılötesi kart tasarımı 4 farklı karttan oluşmaktadır. Bu kartlardan ilk tasarlanan Kızılötesi algılayıcı kartıdır. Tasarlanan kart, bir ara bağlantı kartı yardımıyla FPGA geliştirme kitine bağlanmış ve testleri yapılmıştır. Kızılötesi algılayıcı kartı iki revizyondan geçmiştir. Üretici firmanın eksik bilgilendirmesi nedeniyle, algılayıcının sayısal çıkışlarının çalıştığı düşünülmüş, bu nedenle ilk tasarımda bir analog sayısal dönüştürücü (ADC) kullanılmamıştır. Ardından algılayıcının bu versiyonunda sayısal çıkışların kullanılamadığı öğrenilmiştir. İkinci olarak tasarlanan karta analog sayısal dönüştürücü eklenmiştir. Kamerada algılayıcı olarak ULIS 04 02 27 kod numaralı algılayıcı kullanılmıştır. Kartın tasarımında, her algılayıcı kartta olduğu gibi, algılayıcının gereksinimlerine göre hareket edilmiştir. Buna göre; algılayıcı pinlerinde kullanılacak gerekli gerilim değerlerini üretebilmek için sayısal-analog dönüştürücü (DAC), algılayıcının analog video çıkışından sayısal veri elde edebilmek için ADC, algılayıcının analog video çıkışı ile ADC'nin giriş uçlarını uyumlu hale getirebilmek için bir işlemsel yükselteç(OP-AMP) ve bir farksal yükselteç(DIFF_AMP) kullanılmıştır.
Bölüm 4.2'nin alt bölümlerinde kızılötesi kartın aktif elemanlarının işlevleri ve neden kullanıldıklarının üzerinde durulacaktır.
4.1.1. Kızılötesi algılayıcı kartı aktif elemanları
4.1.1.1. UL 04 27 2 kızılötesi algılayıcı
Projenin hedefi 640×480 piksel çözünürlükte, saniyede en az 30 çerçevede görüntü alabilecek bir kameranın gerçeklenmesidir. Bu özellikleri sağlayan ULIS firmasının uzun dalga boyu kızılötesi (LWIR) bölgede çalışan UL 04 27 2 kod numaralı
15
soğutmasız algılayıcısının kullanılması tercih edilmiştir. Bu algılayıcı 640×480 piksel çözünürlükte ve saniyede 50 çerçeve hızda görüntü sağlayabilmektedir. Algılayıcının analog video çıkışı dışında 14 bitlik sayısal çıkışı da donanımsal olarak mevcuttur ancak, firma algılayıcının bu versiyonunda 14 bitlik sayısal çıkışın teknolojisini henüz geliştirmemiştir [14]. Bu aşamada, firmadan gelen yanlış bilgi doğrultusunda ilk yapılan tasarımda sayısal çıkışlar kullanılabiliyormuş gibi düşünülmüş ve ADC'ye ihtiyaç duyulmamıştır. PCB üretimi ve malzeme sonucunda kart test edilmiş ve kartın sayısal çıkışlarının çalışmadığı gözlenmiştir.
Bunun üzerine yapılan ikinci tasarımda, analog video çıkışını 14 bitlik sayısal çıkışa dönüştürecek bir ADC kullanılmıştır.
4.1.1.2. Analog-sayısal dönüştürücü
Texas firmasının ADS5421 kod numaralı ADC'si tasarımda kullanılmıştır. Algılayıcı standart tasarımında 14 bitlik sayısal çıkış verdiği için, buna uygun olacak şekilde 14 bitlik sayısal çıkış veren bir ADC seçilmiştir. ADC 40MHz frekans hızına sahiptir. Şekil 4.1'de ADC'nin pin bağlantıları verilmiştir.
16
Entegre üzerindeki 1, 2, 63 ve 64 numaralı sinyaller analog besleme gerilimleridir. 5V gerilim değeri ile çalışmaktadır. 3, 4, 5 ve 6 numaralı sinyaller sayısal besleme gerilimidir ve bu sinyaller de aynı şekilde 5V'luk gerilim değeri ile çalışmaktadır. 9 ve 10 numaralı sinyaller, ADC'nin saat sinyalleridir. ADC'nin çalışması için hem saat sinyalinin kendisi hem de sinyalin evriği kullanılır. 17-30 numaralı sinyaller, sayısal çıkış sinyalleridir ancak, ADC'nin bu versiyonunda bu sinyaller bir işlev görmemektedir. 33, 34, 35 numaralı sinyaller çıkış besleme gerilim sinyalleridir ve 3.3V‟lik bir gerilim değeri ile çalışırlar. 44 ve 45 numaralı sinyaller, ADC'nin referans gerilimine karar veren sinyallerdir. 46 numaralı sinyal, referans sinyalidir ve OP-AMP'ın girişine uygulanır. 57 ve 59 numaralı sinyaller ise, ADC'nin analog giriş sinyalleridir. ADC'nin katalog bilgisinde, şematik tasarım bilgisi verilmiştir. Hem ADC katalog bilgisine bakılarak hem de ADC'nin referans tasarımları incelenerek ADC'nin şematik tasarımı yapılmıştır.
Şekil 4.2'de ADC'nin şematik tasarımı gösterilmiştir.
17 4.1.1.3. Sayısal-analog dönüştürücü
Kızılötesi algılayıcının çalışması için gerekli altı farklı gerilim değerini elde etmek amacıyla DAC kullanılmıştır. Kartın üzerinde kullanılacak regülatörler, tek bir DAC'den çok daha fazla yer kaplayacaktı. PCB üzerinde daha az yer kullanmak adına DAC, regulatörler yerine tercih edilmiştir.
Maxim firmasının ürettiği MAX-5590 model DAC kullanılmıştır.
Şekil 4.3'te MAX-5590'ın şematik görüntüsü verilmiştir.
Şekil 4.3: MAX-5590 DAC şematik görüntüsü [16]
Şekil 4.3'te görülen DAC'nin 1 numaralı sinyali AVDD, analog besleme gerilimidir ve 5V ile çalışmaktadır. 2 numaralı pin AGND, analog topraktır. 3, 5, 6, 7, 18, 19, 20 ve 22 numaralı pinler DAC'nin çıkış pinleridir. 9, 10, 11, 12 numaralı pinler ise
18
kontrol pinleridir. DAC'de FPGA tarafından kontrol edileceği için, kontrol pinleri konnektörler vasıtasıyla FPGA'ya gönderilmiştir. DAC'nin şematik tasarımı Şekil 4.4'de verilmiştir.
Şekil 4.4: DAC Şematik Tasarımı
Şekil 4.4'ten görüleceği üzere, DAC çıkış pinleri, algılayıcının gerekli pinlerine gönderilmiştir. Kontrol pinleri konnektöre gönderilmiştir. 5V ve 3.3V'luk gerilim değerleri gerekli pinlere kuplaj kondansatörleri ile birlikte uygulanmıştır. Analog ve sayısal topraklar birbirinden ferrit nüve kullanılarak ayrılmıştır. Ferrit nüveler, alçak geçiren süzgeç görevi görürler. Yüksek frekansta yüksek değerli direnç görevi görürler. Bu sayede, yüksek frekanslarda analog ve sayısal topraklar birbirlerinin gürültülerinden etkilenmezler [17].
19 4.2. Kızılötesi Algılayıcı Kart PCB Tasarımı
4.2.1. Tasarımda uygulanan kurallar
Kızılötesi algılayıcı kart 46×40 mm boyutlarında 8 katlı olarak tasarlanmıştır. Buna göre en üst ve en alttaki katlar malzeme ve sinyal katlarıdır. 2. ve 5. katlar toprak katı, 3. ve 6. katlar sinyal katı ve 4. ve 7. katlar güç katı olarak belirlenmiştir. PCB'de en ince 0.1mm, en kalın 0.5 mm yol kalınlıkları kullanılmıştır. Kullanılan en küçük via delik çapı 0.2 mm'dir.
4.2.2. Malzeme yerleşimi
Kartın sol ve sağının orta noktasında bulunan iki montaj deliği ile algılayıcı kartın pin soketlerinin yeri sabittir. Algılayıcının fiyatı çok yüksek olduğu ve temini çok zor olduğu için, algılayıcının PCB üzerine lehimlenmesi doğru bulunmamıştır. Bunun yerine algılayıcının pinlerinin oturacağı konnektörler PCB'ye lehimlenmiştir.
Konnektörlerin yerleşimi, algılayıcının kartın tam orta noktasına gelecek şekilde ayarlanmıştır.
Malzemeler toprak hatları ve gerilim değerleri birbirinden rahatlıkla ayrılacak şekilde yerleştirilmelidir.
Konnektörler daha önce planlanan kartın yerleşimine uygun olarak konumlandırılmışlardır.
4.2.3. PCB katmanları
Toprak katları analog ve sayısal olarak ikiye ayrılmıştır. İki katman birbirine tek bir noktadan kısa devredir. Kısa devre işlemini ferrit nüve gerçekleştirmektedir. Toprak katmanlarından 5. katın gösterimi Şekil 4.5'te verilmiştir.
20
Şekil 4.5: Kızılötesi algılayıcı kartının 5. kat PCB görüntüsü
Şekil 4.5'te kart koyu ve açık yeşil hatlarla ikiye ayrılmıştır. Sol tarafta kalan açık pembe hat sayısal toprak, sağ tarafta kalan koyu pembe hat analog toprak hattıdır.
Kartın 4. ve 7. katları güç katlarıdır. 4. Kat 3.3V, 5V, 8V ve 12V'luk gerilim değerlerine bölünmüştür. 7. katta sadece 5V'un türevleri mevcuttur. Şekil 4.6'da 4. katın PCB görüntüsü verilmiştir.
21
Şekil 4.6: Kızılötesi algılayıcı kartının 4. kat PCB görüntüsü
Şekil 4.6'da gözlenen kartın sol üst kısmında bordo renk hat ile ayrılmış gerilim değeri 12V'tur. Onun hemen yanında bulunan mavi renk hat ile kesilmiş bölge 5V, kırmızı rengiyle çizilmiş bölge 3.3V, açık mavi ile çizilmiş en sağda bulunan hat DAC'ye giden 5V, kartın alt kısmında bulunan yeşil ile kesilmiş hat ise 8V'tur. Şekilden anlaşılacağı üzere, PCB bir katman boyunca gerektiği kadar farklı gerilim değerine bölünebilir. Burada dikkat edilmesi gereken unsur, katmanların birbirleri arasında uyumlu olması, malzeme yerleşiminin önceden planlanarak gerilim değerlerinin birbirine karışmasının önlenmesidir.
22
Şekil 4.7: Kızılötesi algılayıcı kartının 3. kat PCB görüntüsü
Yeşil renkli sinyaller 3. katmanı temsil etmektedir. Bu katmanda farklı iki kalınlıkta yol kullanılmıştır.
23
Şekil 4.8: Kızılötesi algılayıcı kartı PCB tasarımı
PCB kart üretimi ve dizgisi sonunda kartın ön ve arka yüzünün fotoğrafları Şekil 4.9 ve Şekil 4.10'da verilmiştir.
24
25 5. FPGA KARTI TASARIMI
5.1. Giriş
FPGA Kartı kameranın kontrol merkezidir. Kartın üzerinde bulunan FPGA, algılayıcıdan gelen sinyalleri gerekli birimlere dağıtma işlemini yapar. Algılayıcıdan, ADC'den, DAC'den, DSP'den gelen kontrol sinyalleri FPGA'da toplanır. Algılayıcıdan gelen sinyaller ya ham olarak ya da DSP'de işlendikten sonra ethernet aracılığı ile bilgisayar ortamına aktarılır. Bu haberleşmeyi sağlamak amacıyla, FPGA kartının üzerinde ethernet entegresi ve ethernet konnektörü de bulunmaktadır.
5.2. FPGA Kartı Şematik Tasarımı
Kamera tasarımında ilk atılan adım, kızılötesi kart tasarımı ve onun çalıştırılmasıydı. Kızılötesi algılayıcı kartının çalışmasını kontrol etmek amacıyla, Avnet firmasının XC5VLX110T FPGA geliştirme kiti kullanılmıştır. FPGA kartının tasarımı yapılırken de bu geliştirme kitinin şematik tasarımlarından yararlanılmıştır.
Bölüm 5.2.1'de FPGA kartında kullanılan aktif elemanların anlatıldığı sırada yararlanılan şematik tasarımlardan bahsedilecektir.
5.2.1. FPGA kartı aktif elemanları
5.2.1.1. FPGA
Kamerada Xilinx firmasının XC6SLX25T-3FGG484C kodlu FPGA paketi kullanılmıştır. Paket Spartan 6 FPGA'sıdır. Toplam giriş/çıkış pini sayısı 484'tür. Bu sayı kamerada kullanılacak giriş/çıkış pin sayısı için yeterli olduğundan daha büyük paketli FPGA kullanmaya gerek duyulmamıştır. Aynı şekilde, kamera için gerekli hızı Spartan 6 FPGA sağlayabildiği için, Virtex ailesinden bir FPGA kullanma
26
ihtiyacı duyulmamıştır. FPGA, kart üzerinde maliyeti en yüksek elemandır. Bu nedenle, işe yarayan en ekonomik FPGA'nın seçilmesi amaçlanmıştır.
5.2.1.2. Flash bellek
Flash bellek olarak Xilinx firmasının XCF32PFSG484C kodlu flashı tercih edilmiştir. Kartta flash belleğin görevi, elektrik kesildiği anda ön bilgiyi tutacak bellek görevi görmesidir. Flash bellek 32 MB boyutundadır ve bu boyut kamera için yeterlidir.
5.2.1.3. FPGA, flash bellek ve JTAG zinciri
FPGA geliştirme kartlarında programlama işlemi JTAG haberleşme kutusu kullanılarak yapılmaktadır. JTAG portu, kartın üzerinde bulunan ve üzerine programlama yapılabilen Flash, FPGA ve CPLD gibi elemanları tanır. JTAG portu FPGA geliştirme kartının JTAG pin konnektörüne takılır. Arayüz programında kullanıcının karşısına kart üzerinde bulunan programlanabilen entegreleri gelir. Kullanıcı bu entegrelerden programlamak istediği elemanı seçer ve diğerlerini bypass eder. JTAG zinciri programlanabilen elemanların JTAG'in tanıyabileceği bir sırada dizilmiş şeklidir. Bu elemanlar donanımsal olarak birbirlerine bağlıdır. JTAG pinleri zincirin en başındaki elemana, zincirin en sonundaki eleman ise JTAG kutusuna bağlıdır. Şekli 5.1'de XC5VLX110T FPGA geliştirme kitinde kullanılan JTAG zincirinin şematik tasarımı verilmiştir.
27
JTAG portunda dört adet sinyal bulunmaktadır. Test Data Input (TDI) veri almak için, Test Data Output (TDO) veri göndermek için kullanılır. Test Clock (TCK) saat sinyalidir ve Test Mode Select (TMS) cihaza komutları göndermek için kullanılır. TCK ve TMS zincirdeki tüm entegrelere paralel bağlıdır. JTAG portunun zincir işlevi görmesinin nedeni, zincirin başındaki elemanın TDO sinyalinin, diğer elamanın TDI sinyaline bağlanıyor olmasıdır. Aynı şekilde, zincirin en sonundaki elamanın TDO sinyali de TJAG konnektöründe TDI sinyaline bağlanır ve böylelikle zincir tamamlanmış olur. Şekil 5.1'de görüldüğü üzere, XC5VLX110T FPGA geliştirme kitinin JTAG zincirine bağlı bir adet FPGA, bir adet 8Mb'lik bir adet de 32Mb'lik flash bellek bulunmaktadır. FPGA kartında tek bir flash bellek yeterli olacağı için FPGA ve flashtan oluşan 2 entegrelik bir zincir oluşturulmuştur.
5.2.1.4. Ethernet entegresi ve konnektörü
Algılayıcıdan ham olarak gelen ya da DSP tarafından işlenmiş veriler FPGA tarafından Ethernet aracılığıyla bilgisayara gönderilir. Ethernet standartlarında 10Mb/s, 100Mb/s ve 1Gb/s'lik hızlarla iletim yapmaktadır. FPGA'nın algılayıcıdan aldığı ham veriyi bilgisayara iletebilmesi için: 640×480 piksel/çerçeve × 14 bit/piksel × 30 fps = 129 Mb/s civarında bir hıza ihtiyaç duyar. Bu da 100Mb/s iletim hızında çalışan ethernet entegreleri ile iletilecek bir hız değildir. Bu nedenle gigabit ethernet ismi ile bilinen ethernet entegresi ve buna uygun bir ethernet konnektörü kullanılması gerekmiştir. Bunun için, yine XC5VLX110T FPGA geliştirme kitinin şematik tasarımından ve kart üzerinde kullanılan malzeme listesinden faydalanılmıştır.
Ethernet entegresi National firmasının DP83865 kodlu ethernet entegresidir. Entegre katalog bilgisinde, entegreye uygun kullanılabilecek ethernet konnektörü ve referans tasarım bilgileri verilmiştir. DP83865 referans şematik tasarımı Şekil 5.2'de verilmiştir.
28
Şekil 5.2: DP83865 Ethernet entegresinin referans tasarımı [19]
Şekil 5.2'de görülen şematik referans tasarıma bağlı kalarak FPGA Kartı'nda kullanılacak ethernet entegresi ve konnektörünün tasarımı yapılmıştır.
5.2.2. Tasarımda uygulanan kurallar
FPGA 484 pini bulunan bir entegredir. PCB tasarım programlarında FPGA, DSP gibi fazla sayıda pini bulunan elemanların şematik kütüphanesi tek bir sayfadan oluşturulmaz. Kullanıcının şemayı rahat takip etmesi amacıyla, kütüphanelerin şematik tasarımları belirli şartlar ön planda tutularak bölümlere ayrılır. FPGA'nın şematik kütüphanesi genellikle bank sayısı kadardır. Yani FPGA pinleri banklara ayrılır. Kullanılan FPGA'nın 4 adet kullanılan bankı mevcuttur. Bunlara bir de toprak ve gerilimlerin bulunduğu pinler eklenirse şematik tasarımı en az beş farklı sayfada toplamak yararlı olacaktır. Bunun yanı sıra, FPGA kartı için ethernet entegresi ve konnektörü de başlı başına bir sayfada toplanmıştır. Yine şemanın okunabilirliğini artırmak adına, genellikle güç şemaları da farklı bir sayfada toplanmaktadır. Bu örneklerden yola çıkarak, FPGA kartının şematik tasarımı farklı sekiz sayfadan oluşmaktadır.
29
Şekil 5.3, Şekil 5.4 ve Şekil 5.5'de bu şemalarla ilgili örnekler verilmiştir.
Şekil 5.3: FPGA kartı şematik tasarımı flash sayfası
FPGA Kartı şematiğinde FPGA'nın toprak pinleri, 2.5V'luk gerilim pinleri ve JTAG pinleri bulunmaktadır. Şemadaki pinler geliştirme kartındaki pinlerle aynı olacak şekilde oluşturulmuştur. FPGA Kartı'nı tek bir sayfada toplamanın imkanı yoktur. JTAG zincirini göstermek için flash sayfasına bakmak yeterli olacaktır. JTAG portu sayfanın sol ortasında bulunan M50-3900842 kodlu konnektöre girecektir. Sayfanın sol üstünde bulunan U5 kodlu eleman flash bellektir. FPGA'nın A21, E18, D20 ve G17 kodlu pinlerinin de JTAG pinlerini taşıdığı görülmektedir. Şema üzerinde bu pinlerin birbirlerine bağlı oldukları görülmektedir.
30
Şekil 5.4: FPGA kartı şematik tasarımı ethernet sayfası
Şekil 5.4'te görülen şematik sayfası FPGA kartının Ethernet entegresi ve Ethernet konnektörünü barındıran sayfadır. Sayfada bulunan U2 kodlu entegre DP83865 Ethernet entegresidir. Sol üstte bulunan U3 kodlu konnektör Tyco firmasının 1840437-1 kodlu konnektörüdür. DP83865 Ethernet entegresinin referans tasarımı incelendiğinde, referans tasarım ile şematik tasarımın nerdeyse aynı olduğu görülecektir. Ayrıca sayfa üzerinde görülen U4 kodlu osilatör, Ethernet entegresi için gereken saat darbesini sağlamaktadır.
31
Şekil 5.5: FPGA kartı şematik tasarımı POWER_INTERFACE sayfası
Şekil 5.5'te FPGA'nın çekirdek besleme gerilimi için gerekli 1.2V'luk gerilim değerini üreten U8 kodlu regülatör ile ethernet entegresi için gerekli 1.8V'luk gerilimi üreten U8 kodlu regülatör kullanılmıştır. Bunun yanı sıra, FPGA kartının diğer kartlarla haberleşmesini sağlayan konnektörler de bu sayfa içerisinde tasarlanmıştır.
5.3. FPGA Kartı PCB Tasarımı
5.3.1. Tasarımda uygulanan kurallar
FPGA kartı 46×65 mm boyutlarında tasarlanmıştır. Kart 12 katlı olarak tasarlanmıştır. Kartın 1. ve 12. katları malzeme ve sinyal katı, 2., 6., ve 11. katları toprak katı, 4., 7. ve 9. katlar güç katı, 3., 5., 8., ve 10. katlar sinyal katı olarak kullanılmıştır.
32
Ethernet entegresinin 8'er bitlik alıcı ve verici sinyalleri 50ohm empedans hattına sahiptir. Kartın kalınlığı, yol kalınlığı gibi birtakım parametreler girilerek 50ohm'luk empedans tutturulmaya çalışılır. Empedans hesabını ayarlamada SI 8000 programı kullanılmıştır.
Bunun yanı sıra Media Dependent Interface (MDI) – farksal alıcı ve verici sinyalleri- “differential” olarak 50ohm empedans değerinde götürülmüştür. Bu hesap sonunda farksal götürülen sinyallerin kalınlığı 0.127mm, aralarındaki mesafe de 0.3mm olarak çizilmiştir.
Farksal götürülen sinyallerin çizimi Şekil 5.6'da verilmiştir.
33 5.3.2. Malzeme yerleşimi
Bölüm 1'de anlatıldığı gibi, tasarlanan kartların yerleşimi daha önceden belirlenmiştir. Buna göre, kartlar arasında haberleşmeyi sağlayan konnektörlerin yerleşimi de daha önceden yapılmıştır. Konnektörler gerekli koordinatlara sabitlenmiştir. Yine daha önceden düşünüldüğü gibi Ethernet konnektörün kartın sol üst bölümünde bulunması gerekir. Ethernet entegresinin konnektör ile daha sağlıklı haberleşmesi için entegre konnektöre yakın yerleştirilmiştir. FPGA, algılayıcı ile haberleşeceği için, algılayıcı ile bağlanan J2 ve J3 konnektörlerine yakın yerleştirilmiştir. Aynı şekilde, birbirleri ile haberleşen FPGA, Flash ve JTAG konnektörleri de mümkün olduğunca birbirine yakın konumlandırılmışlardır.
5.3.3. PCB katmanları
Kartın üzerinde analog bir eleman bulunmadığı için, kartın üzerinde sadece sayısal toprak hattı bulunmaktadır. Güç katlarından 4. katman 3.3V ile 5V olmak üzere iki farklı gerilim hattından oluşmaktadır. 7. katman 1.2V ile 1.8V'u birbirinden ayırır. 9. katman ise yalnızca 2.5V gerilim hattına sahiptir. Görüldüğü üzere, FPGA kartında üç farklı güç katı bulunmaktadır. 2.5V'u ayrı olarak tek bir katta kullanmanın sebebi 2.5V'un kartın her bölgesine yayılmış olmasıdır.
34
Şekil 5.7: FPGA kartı 7. kat PCB gösterimi
Şekil 5.7'de görülen bordo hat ile ayrılmış bölüm 1.8V'luk gerilimdir. 1.8V'luk gerilimi Ethernet entegresi kullandığı için, kartın sol tarafı 1.8V'luk gerilim ile kesilmiştir.
Kartın sağ kısmında FPGA bulunmaktadır. FPGA çekirdeğin besleme gerilimi 1.2V'dur. Bu nedenle, mavi ile kesilmiş hat 1.2V'luk gerilim değerini temsil etmektedir.
35
Şekil 5.8: FPGA kartı 1. kat PCB gösterimi
Şekil 5.8'de kartın 1. katı görülmektedir. 1. kat, üst malzeme katıdır. Gri renk ile gösterilen şekiller, malzemelerin oturacağı çerçevelerdir. FPGA, flash, Ethernet entegresi ve konnektörü, bağlantı konnektörleri, bazı regulatörler, JTAG konnektörü kartın üst kısmına yerleştirilmiştir.
36
Şekil 5.9: FPGA kartı PCB tasarımı
Şekil 5.10 ve 5.11'de FPGA kartın ön ve arka yüzü gösterimi verilmiştir.
37
38 6. DSP KARTI TASARIMI
DSP kartı üzerinde DSP bulunduran, algılayıcıdan gelen ham veriyi işleyen karttır. Bunun yanı sıra gerilim regülatörleri de bu kartın üzerinde bulunduğu için, karta aynı zamanda güç kartı işlevi de görmektedir. Kartın üzerinde analog çıkış üreten PAL kodlayıcı da bulunmaktadır.
6.1. DSP Kartı Şematik Tasarımı
DSP kartının şematik tasarımı üç farklı bölümde ele alınabilir. Kartın üzerinde bulunan DSP, algılayıcıdan aldığı ham veriyi işleme özelliğine sahiptir. İşlenmiş veri büyük boyutlarda yer kaplayabilir. Bu durum göz ününe alınarak, 2 adet DDR bellek kartın üzerinde bulunmaktadır. DSP kartının ilk konfigürasyon verilerini silinmeyen bir bellekte tutmak amacıyla 1 adet flash bellek kullanılmıştır.
Kartın ikinci kısmı güç bölümüdür. Şayet güç kartı adı altında başka bir kart yapılmış olsaydı, kamerada yer problemi yaşanacaktı. DSP kartında bulunan fiziksel boşluktan faydalanarak, her karta giden genel besleme gerilimlerini üreten regulatörler bu kart üzerine konulmuştur.
Kartın üçüncü bölümü PAL kodlayıcı bölümüdür. PAL kodlayıcı, sayısal video çıkışını analoga dönüştürme ve bu analog sinyali, Arayüz kartında bulunan bir konnektör vasıtasıyla dış dünyaya aktarma işlevine sahiptir.
6.2. DSP Kartı Ana Bölümleri ve Üzerinde Kullanılan Aktif Elemanlar
DSP kartında bulunan ana bölümler ve kullanılan aktif elemanlar aşağıda tanıtılmıştır.
39 6.2.1. DSP bölümü
DSP bölümü, DSP, 2 adet DDR2 bellek ve 1 adet Nand flash bellek aktif elemanlarından oluşmaktadır.
DSP bölümü oluşturulurken, Avnet Firması'nın ADSP-BF561 kodlu geliştirme kartından yararlanılmıştır. Geliştirme kartının şematik tasarımında Mikron firmasının MT48LC16M16A2BG kodlu SDRAM belleğinden iki adet kullanmıştır. Kullanılan SDRAM'lerin şematik tasarımı Şekil 6.1'de verilmiştir.
Şekil 6.1: ADSP BF561 geliştirme kartı şematik tasarımı SDRAM bağlantısı [20]
Şekil 6.1'deki şematik tasarım referans alınarak, DSP kartında 2 adet SDRAM kullanılmıştır. Ayrıca, elektrik kesintilerinde gerekli verilerin silinmemesi için Micron'un MT48LC16M16A2BG kodlu flash belleği kullanılmıştır. DSP, 2 adet SDRAM ve flash bellek Şekil 5.1'de gösterildiği gibi birbirine bağlı durumdadır.
40
Şekil 6.2: Flash bellek şematik tasarımı 6.2.2. PAL kodlayıcı bölümü
Kameranın bir özelliği de, sayısal olarak elde edilen kızılötesi görüntüyü, analog olarak çıkışa doğrudan vermesidir. Bu nedenle, Philips firmasının SAA7126H kodlu video kodlayıcı/dönüştürücü entegresi kullanılmıştır.
Şekil 6.3'te DSP kartının video kodlayıcı/dönüştürücü bölümünün şematik tasarımı verilmiştir.
41
Şekil 6.3: PAL video kodlayıcı şematik tasarımı
Şekil 6.3'te görülen şemada, 16. pinden 9. pine kadar olan 8 bitlik sayısal veri, 30. Pinde bulunan CVBS pininden analog olarak dışarı çıkarılmıştır. Bu pin ise, arayüz kartında kullanılan bir konnektöre bağlanmış ve pinin dış dünyaya aktarımı sağlanmıştır.
6.2.3. Güç bölümü
Daha önceden belirtildiği gibi, regülatörlerin olduğu güç bölümü başlı başına bir kart olarak tasarlanabilir ve gerekli besleme gerilimleri konnektörler aracılığı ile bu kart üzerinden dağıtılabilir. DSP kartında yeterli boşluk olması nedeniyle, gerekli regulatörler DSP kartı üzerine yerleştirilmiştir. Kartlar üzerinde ortak bulunan gerilim değerlerini üreten regülatörler DSP kartının üzerinde bulunmaktadır.
42
Kameranın giriş gerilimi 12V'tur. 12-5V dönüşümü, 5V-3.3V dönüşümü, 5V-1.2V dönüşümü ve 3.3V-1.2V dönüşümü bu kart üzerinde yapılmıştır.
Arayüz kartından J5 konnektörü vasıtasıyla 12V bu karta ulaşmaktadır. Ara yüz kartına J6 konnektörü vasıtasıyla 3.3V ve 5V gerilim değerleri gönderilmiştir. Algılayıcı kartına 12V ve 5V'luk gerilim değerleri gönderilmiştir.
Şekil 6.4'te DSP kartında şematik tasarımı yapılan güç bölümünden 5V-1.2V dönüşümü yapılan bölüm verilmiştir.
Şekil 6.4: 5V-1.2V dönüşümü şematik tasarımı
Güç bölümünde, diğer kartlarda kullanılan regülatörlerden de bahsetmek gerekir.
Algılayıcı kartta, ADC için gerekli 8V'luk gerilim LT1962 kodlu regülatör tarafından sağlanır. Aynı şekilde, devre için gerekli olan 3.3V'luk gerilim değeri de LP3982 kodlu regülatör tarafından sağlanmıştır.
FPGA kartta LM2830X kodlu regülatör tarafından, FPGA çekirdek gerilimi için gerekli 1.2V üretilir. Ethernet entegresi için gerekli olan 1.8V'luk gerilim değeri de LM3674 -1.8 kodlu regülatör tarafından üretilir. Kamera üzerindeki büyük boyutlu
43
regülatörlerden biri de LMZ10503 kodlu regülatördür. Bu regülatör, FPGA kartında en fazla kullanılan gerilim değeri olan 2.5V'u üretmektedir.
6.3. DSP Kartı PCB Tasarımı
6.3.1. Malzeme yerleşimi
DSP kartında konnektörlerin yerleri daha önceden belirlenmiştir. Arayüz kartına ve kızılötesi algılayıcı kartına gidecek olan besleme gerilimleri bu konnektörler üzerinden iletilmiştir. Bu nedenle, besleme gerilimlerini üreten regülatörler, ilgili konnektöre yakın yerleştirilmiştir.
2 SDRAM ve flash belleğin “data” ve “adress” pinleri kısa devredir ve bu pinler DSP'nin ilgili pinlerine iletilir. Bu nedenle bu dört aktif eleman birbirine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmiştir.
Aktif malzemelerin, fazla yer kaplamaması için BGA kılıf seçilmiştir. Regulatörler 3A akım çekebilen regülatörlerdir. Şekil 6.5'teki yerleşimlerinden görüleceği üzere, regulatörler normal bir regülatörden daha büyüktür. Ancak, regülatörler manyetik malzemeyi içerisinde barındırdığı için, diğer regülatörlerde kullanılacak olan bobin ve diyot gibi elemanlar bu regülatörlerde kullanılmamıştır. Toplamda bakılacak olursa, bu regulatörler daha az yer kaplamış olur.
44
Şekil 6.5: DSP kartı LMZ22010TZ kodlu regülatörün yerleşimi
Şekil 6.5'te 12V-5V dönüşümünü gerçekleştiren LMZ22010TZ kodlu regülatörün kart üzerinde yerleşimi gözlenmektedir. 5V gerilim değeri, diğer regülatörlerin giriş değeri olduğu için, en fazla akım çeken regülatör LMZ22010TZ'dir. LMZ22010TZ ayarlanabilir bir regülatördür. 12V'luk giriş geriliminden 5V'luk çıkış gerilimi elde edebilmek için R41 ve R42 kodlu geri besleme dirençlerinin değerleri hesaplanır[21]. Bu regülatör diğer regülatörlerden daha büyük olmasına rağmen, kartın üzerinde bu regülatör için kullanılan, kondansatör hariç başka bir eleman bulunmamaktadır. Bu da toplamda regülatörün diğer regülatörlerden çok daha az yer kaplamasını sağlar. Regülatör, konnektörün hemen yanına konumlandırılmıştır. Bu sayede, güç katında gerilim değerlerini bölme işlemi çok daha rahat yapılabilmektedir.
6.3.2. PCB katmanları
DSP kartı 10 katlı bir PCB'dir. 1. ve 10. katlar, malzeme ve sinyal katıdır. 2. ve 9. katlar toprak katı, 3. ve 8. katlar güç katı ve kalan diğer katlar ise sinyal katı olarak kullanılmıştır.
45
Toprak katları her zamanki gibi analog ve sayısal olarak iki bölüme ayrılmıştır. Şekil 6.6'da 2. katın PCB tasarımı verilmiştir.
Şekil 6.6: DSP kartın 2. katı PCB tasarımı
Şekil 6.6'dan görüleceği gibi, koyu pembe hat ile kesilen sol köşedeki kısım, devrenin sayısal toprağını, koyu pembe hat ile kesilen büyük kısım ise, devrenin analog toprağını belirtmektedir.
DSP kartında bulunan gerilim değerleri ise mümkün olduğunca düzgün bir şekilde ayrılmıştır. 4. katta 12V, 5V, 1.2V ve ara yüz kartına giden 3.3V'luk gerilimler bulunmaktadır. 7. katta ise, 5V ve DSP kart üzerinde kullanılan 3.3V'luk gerilimler bulunmaktadır.
46
Şekil 6.7: DSP Kartın 4. katı PCB tasarımı
Kart üzerinde sol üstte bulunan, açık kırmızı ile seçilmiş hat 5V'luk gerilim hattıdır ve arayüz kartına giden konnektör bu hat içerisinde bulunur. Kartın ortasını işgal eden turuncu ile kesilmiş hat 1.2V'luk gerilim hattıdır. DSP çekirdek gerilimi bu hat tarafından sağlanmaktadır. Sol ortada bulunan bordo renkli hat ile kesilmiş bölge arayüz kartına giden 3.3V'u temsil etmektedir. Son olarak turuncu ile kesilmiş hat ise 12V'u temsil etmektedir.
PCB üreticilerinin bir kart için maliyet çıkartırken baktıkları en önemli parametrelerden biri, kart üzerinde en az kaç mm'lik yol kalınlığının kullanıldığı ve iki yol arası mesafenin ne olduğudur. Yol kalınlığı azaldıkça ve iki yol arasındaki mesafe azaldıkça, üretimi yapacak olan makinenin hassasiyeti artar. Çoğu makine 0.1mm kalınlıktan daha ince yolları üretemez. Bu nedenle, daha az hassasiyete sahip üreticilerin ürettikleri PCB fiyatları da standart PCB fiyatlarından yüksek olmaktadır.
DSP kartında böyle bir mali problemle karşılaşılmıştır. DSP adacıklarının arasındaki mesafe 0.7mm'dir. DSP BGA kılıf bir malzeme olduğu için, adacıklarının dışarı
47
çıkan yol kalınlıkları 0.0899mm'ye kadar düşürülmüştür. Bu yol kalınlığı da standart yol kalınlığından daha da ince olduğu için maliyet artmıştır.
Şekil 6.8'de, üzerinde DSP adacıklarının yollarını da barındıran 3. katın PCB tasarımının görünümü verilmiştir.
Şekil 6.8: DSP Kartın 3. katına ait PCB tasarımı görünümü Şekil 6.9 ve 6.10'da DSP kartın ön ve arka yüzünün görünümü verilmiştir.
48
Şekil 6.9: DSP Kart ön yüzünün görünümü
49 7. ARAYÜZ KARTI
7.1. Arayüz Kartı Şematik Tasarımı
Arayüz kartı kamera ile dış ortam arasında iletimi sağlayan karttır. Kameranın ana besleme gerilimi, bir çerçeve görüntü okumak için kullanılan “trigger” konnektörü, bu kartın üzerinde bulunmaktadır. Aynı zamanda, FPGA kartı ile DSP kartından gelen sinyalleri taşıyan konnektörler de bu kart üzerinde bulunmaktadır.
Şekil 7.1'de DSP kartından Arayüz kartına gelen konnektörler gösterilmiştir.
Şekil 7.1: DSP kartından arayüz kartına gelen/giden sinyaller
Şekil 7.1'de görülen J4 kodlu konnektör, Arayüz kartından aldığı 12V'u DSP kartına taşımaktadır. 12V'luk gerilimden DSP kartında kullanılan regulatörler aracılığı ile istenen gerilim değerleri elde edilir. J7 kodlu konnektörde, DSP Kartı'nda üretilen
50
5V, 3.3V'luk gerilim değerleri Arayüz kartına taşınmıştır. Aynı zamanda DSP kartı üzerinde bulunan PAL kodlayıcı, sayısal işlenmiş sinyali analog hale dönüştürmüş ve 1 numaralı pin üzerinden Arayüz Kartına göndermiştir.
Şekil 7.2'de FPGA Kartı ile Arayüz Kartı arasındaki iletişimi sağlayan konnektör verilmiştir.
Şekil 7.2: Arayüz kartı ile FPGA kartı arasındaki iletişimi sağlayan konnektörün şematik görüntüsü
FPGA kartı üzerinde 5V ve 3.3V'luk gerilimler kullanılmaktadır. FPGA kartının kullandığı bu gerilim değerleri DSP kartında üretilir. DSP kartı bu gerilim değerlerini öncelikle Arayüz kartına J7 kodlu konnektör aracılığıyla gönderir. Aynı gerilim değerleri Şekil 7.2'de görülen J8 konnektörü aracılığıyla FPGA kartına gönderilmektedir.
Trigger özelliği hem FPGA tarafından yazılımsal olarak sağlanabilmekte hem de dış ortama aktarılarak donanımsal olarak da kullanılabilmektedir.
51
Şekil 7.3: Dış ortama gönderilen trigger sinyali
Şekil 7.3'te görülen HR10-7R-6SA kodlu 6 pinli konnektörün bir pin trigger girişi, bir pini trigger çıkışı ve bir pini ise analog çıkış olarak kullanılmıştır. Trigger'in dışarıdan tetiklenmesi ve dışarıya trigger sinyalinin iletilmesi bu konnektör üzerinden yapılmaktadır.
7.2. Arayüz Kartı PCB Tasarımı
Arayüz Kartı tasarlanan kartlar arasındaki en basit karttır. Bu kart üzerinde az sayıda malzeme olması nedeniyle, kart 2 kat olarak tasarlanmıştır. Bu katlar, hem malzeme katı hem sinyal katı hem de güç ve toprak katı olarak kullanılmıştır.
52
Şekil 7.4: Arayüz kartı ön yüzü PCB tasarımı
Şekil 7.4'te görülen kartın ön yüzünde, J1 ve J2 konnektörleri kullanılmıştır. Ethernet konnektörü sol alt kısımdaki dikdörtgen boşluğa geleceği için, konnektörler o boşluğun üzerine konumlandırılmıştır. Kartın ön yüzünü kameranın dış kısmı olarak düşünülebilir.
Kartın ön yüzü aynı zamanda güç katı olarak kullanılmıştır. Yeşil renk ile kesilmiş alan 12V'luk, kırmızı ile kesilmiş alan 3.3V'luk ve mavi ile çizilmiş alan 5V'luk hattı temsil etmektedir.
53
Şekil 7.5: Arayüz kartı arka yüzü PCB tasarımı
Şekil 7.5'te Arayüz kartının arka yüzü verilmiştir. Kartın arka yüzü, kameranın iç kısmı olarak düşünülebilir. Bu nedenle konnektörler arka yüze konulmuştur.
Kartın arka yüzü aynı zamanda toprak katıdır. Pembe ile kesilmiş hat, kartın toprak hattıdır.
54
Şekil 7.6: Arayüz kartı ön yüzünün görünümü
55 8. KAMERANIN TÜMLEŞTİRİLMESİ
Kamerada kullanılan kartların birbirleri ile bağlantısı karşılıklı kullanılan konnektörler aracılığıyla sağlanmıştır.
Şekil 2.1'de görüldüğü gibi, kameranın önünde Kızılötesi algılayıcı kart bulunmaktadır. Algılayıcı kartın alt kısmında FPGA kartı, üst kısmında ise DSP kartı bulunmaktadır. Kameranın arka kısmında Ara yüz kartı bulunmaktadır.
Şekil 8.1'de Kızılötesi algılayıcı kartı ile FPGA kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şemaları verilmiştir.
Şekil 8.1: Kızılötesi algılayıcı kartı ile FPGA kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri
Şekil 8.1'de görülen sağ taraftaki iki konnektör Kızılötesi algılayıcı kartı, sol taraftaki iki konnektör ise FPGA kartı üzerinde bulunur. Sağ taraftaki J4 konnektörü ile sol taraftaki J2 konnektörü birbirine monte olur. Aynı şekilde sağ taraftaki J7 konnektörü ile sol taraftaki J3 konnektörü birbirine monte olur.
Şekil 8.2'de Kızılötesi algılayıcı kartı ile DSP kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şemaları verilmiştir.
56
Şekil 8.2: Kızılötesi algılayıcı kartı ile DSP kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri
Şekil 8.2'de görülen sağ taraftaki konnektör Kızılötesi algılayıcı kartı, sol taraftaki konnektör ise DSP kartı üzerinde bulunur. Sağ taraftaki J7 konnektörü ile sol taraftaki J4 konnektörü birbirine monte olur.
Şekil 8.3'te Arayüz kartı ile FPGA kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şemaları verilmiştir.
Şekil 8.3: Ara yüz kartı ile FPGA kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri
Şekil 8.3'te görülen sağ taraftaki konnektör Arayüz kartı, sol taraftaki konnektör ise FPGA kartı üzerinde bulunur. Sağ taraftaki J8 konnektörü ile sol taraftaki J5 konnektörü birbirine monte olur.
57
Şekil 8.4'te Arayüz kartı ile DSP kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şemaları verilmiştir
Şekil 8.4: Arayüz kartı ile DSP kartını birbirine bağlayan konnektörlerin şematik gösterimleri
Şekil 8.4'te görülen sağ taraftaki iki konnektör Arayüz kartı, sol taraftaki iki konnektör ise FPGA kartı üzerinde bulunur. Sağ taraftaki J6 konnektörü ile sol taraftaki J7 konnektörü, sağ taraftaki J5 konnektörü ile sol taraftaki J4 konnektörü birbirine monte olur.
58 9. SONUÇLAR
Tasarlanan kızılötesi kameranın 640×480 uzamsal çözünürlükte, saniyede 30 çerçeve zamansal çözünürlükte, 14 bitlik görüntü eleman derinliğinde ve en fazla 500 gram ağırlığında ve 80mm derinlik × 75mm en × 80 mm boyu ölçülerinde olması hedeflenmiştir.
Tümleştirme işlemi sonucu kamerada bulunan elektronik kartların görünümü Şekil 9.1'de gösterilmiştir.
Şekil 9.1: Kızılötesi kameranın birleştirilmiş hali
Kartların birleştirilmesi sonucunda kart boyutları 70mm derinlik × 46mm en × 40mm boy olmuştur.
Kartın mekanik tasarımı Solid Works programında yapılmıştır. Buna göre kameranın son hali Şekil 9.2'de gösterilmiştir.
59
Şekil 9.2: Kızılötesi kameranın kasalı son hali(Lensli)
Kameranın kasası ile beraber son boyutları 97.20mm derinlik, 51mm en, 45mm boy olarak ölçülmüştür. Tasarlanan kamera derinlik hariç istenilen boyutlardadır. Kameranın lenssiz ağırlığı: 183.98 gram, lensli ağırlığı: 293.90 gram olarak ölçülmüştür. Kamera ağırlığı da sınır ölçü olarak belirlenen 500gram'ın dışına taşmamıştır.
Yurt dışından ithal edilen portatif soğutmasız kızılötesi kameralar, teknik olarak saniyede 30 çerçeve hızında çalışıyor olmasına rağmen, üretici firma hızı sınırlayarak satmaktadır. Tasarlanan kamerada saniyede 30 çerçeve hızına ulaşıldığı için yurt dışına olan bağımlılık ve üreticinin uyguladığı kısıt ortadan kalkmıştır.
Kızılötesi kameralar için 640×480 boyutlarında çözünürlük yeterlidir.
Bu özelliklerin tamamı düşünüldüğünde, tasarlanan kamera rakip kameralarla rekabet edebilecek özelliklerdedir.
