基于单目视觉的目标物测量装置

项目概述

本项目为 2025 年全国大学生电子设计竞赛 C 题 参赛作品，目标是设计一套基于单目视觉的目标物测量装置，实现对目标物的距离测量与尺寸估算。我担任 硬件负责人，负责整机硬件方案设计、PCB 绘制、焊接调试与软硬件联调。

项目成果：

• 实现单目测距与物体尺寸测量
• 整机数据稳定，重复性误差 < 3%
• 获全国大学生电子设计竞赛河南省三等奖

硬件方案设计

电源架构

系统需为摄像头模组、STM32 主控、串口屏与外设提供多路稳压电源：

| 电源轨 | 电压 | 用途 | 芯片 | |--------|------|------|------| | VCC_5V | 5.0 V | 串口屏供电、USB | AMS1117-5.0 | | VCC_3V3 | 3.3 V | STM32、摄像头数字 | AMS1117-3.3 | | VCC_2V8 | 2.8 V | 摄像头模拟供电 | LDO (XC6206) | | VCC_1V8 | 1.8 V | 摄像头内核 | LDO (XC6206) |

• 输入采用 7.4 V 锂电池，经降压后分配各轨
• 每路 LDO 输入端放置 10 µF + 100 nF 退耦电容
• 模拟电源与数字电源通过 磁珠隔离，降低数字噪声耦合

信号采样接口

摄像头输出模拟视频信号，经 RC 滤波 + 射随缓冲 后送入 STM32 ADC：

摄像头视频输出 ──▶ 47Ω ──▶ 100nF ──▶ 运放射随 ──▶ ADC_IN
                              │
                             GND

• 截止频率 ≈ 33 kHz，保留有效视频带宽
• 射随器提高输入阻抗，降低对摄像头输出的负载效应

串口外设接口

• 串口屏：UART1（波特率 115200），负责 UI 显示与触摸交互
• 调试串口：UART2，预留用于上位机数据标定
• ADC 触发：TIM2 定时触发 ADC 采样，保证帧采样时刻精确

PCB 设计要点

双层板布局策略

• 顶层：信号走线 + 元器件布局
• 底层：完整地平面（分割为数字地/模拟地）

关键布线规范

1. 摄像头 FPC 接口：差分对等长处理，< 0.5 mm 误差
2. 视频信号线：远离数字时钟线，两侧包地
3. 电源输入：粗线宽（≥ 0.5 mm），降低 IR 压降
4. 退耦电容：紧贴芯片电源引脚放置，回路面积最小化

硬件调试过程

电源纹波排查

上电后发现摄像头图像出现水波纹干扰，怀疑电源纹波过大。

排查步骤：

1. 示波器 AC 耦合测量 3.3 V 轨，发现 200 mVpp 开关噪声
2. 追踪噪声来源：电池输入端未加 π 型滤波，DC-DC 开关噪声通过 LDO 耦合至输出
3. 整改：输入端增加 10 µH 电感 + 100 µF 电解 π 型滤波，纹波降至 15 mVpp

信号干扰排查

视频信号在水平方向出现毛刺，与 UART 通信同步。

排查步骤：

1. 示波器触发捕获：毛刺出现时刻与串口屏 UART 发送脉冲一致
2. 分析：串口屏 TX 走线与视频信号线平行长度约 3 cm，产生串扰
3. 整改：
   • 将 UART 走线改为底层，视频信号走顶层，垂直交叉
   • 中间层（底层地平面）提供屏蔽
   • 串口线两侧增加地线保护带

整改后视频信号干净，测量精度恢复。

串口屏 UI 开发

使用串口屏厂商提供的上位机软件设计 UI 界面：

• 主界面：实时显示测距结果（mm）、物体长宽尺寸
• 校准界面：输入标准参照物尺寸，自动计算像素-物理比例系数
• 历史界面：保存最近 10 组测量数据，支持翻页查看

与软件团队约定通信协议：

帧头(0xAA 0x55) + 命令字(1B) + 数据长度(1B) + 数据(nB) + 校验和(1B)

STM32 端解析串口屏触摸事件，切换页面并下发测量数据。

项目复盘

• 电赛时间紧：7 天内完成方案确定、PCB 绘制、焊接与调试，采用模块化验证策略，每完成一个子系统立即测试
• 摄像头选型：初期选用 OV7670 因无 FIFO 导致帧同步困难，后更换为带 FIFO 的模组，大幅降低 MCU 时序压力
• 团队协作：硬件提前 2 天完成并交付软件联调，为算法优化留出充足时间