一種模塊化ccd工業相機的製作方法
2023-05-29 05:21:06
專利名稱：一種模塊化ccd工業相機的製作方法
技術領域：
本發明涉及適用於工業產品檢測、智能交通系統和視頻監控領域的檢測設備，具 體涉及一種模塊化CXD工業相機。
背景技術：
CCD技術是機器視覺技術的核心，是給機器安裝「眼睛」與「大腦」的關鍵技術，是機 器向著自動化、智能化發展的必然，是現代科技創新必須掌握的技術。CCD光電傳感器是現 代光電子學和現代測試技術中最活躍、最富有創新科技成果的科技領域之一，特別在圖像 傳感和非接觸測量領域的發展更為迅速，在現代光電技術和測試技術中的地位舉足輕重。基於CCD的工業智能相機目前已被廣泛地應用於非接觸尺寸測量，產品質量檢 測，地質、地理與規劃設計等的遙感、遙測和三維體視測量，安防監控、刑偵，航天、航空，天 文觀測、衛星偵察，光譜探測與光譜分析，高解析度光電掃描、傳真、複印，道路、交通智能調 控、電子警察、工業生產及檢測、醫學顯微等領域，是機器視覺系統的核心組件。CXD傳感器 所具有的優勢為幾何精度高，穩定性好，噪音小，抗震動，壽命長，功耗低，體積小，靈敏度 高，傳輸速度快。因此，C⑶圖像傳感器在工業相機中得到廣泛的應用。但是目前國內已有 的C⑶相機存在如下不足在功能上不夠完善，不適用於檢測高速運動物體；採用PC處理 技術，對產品的更新和升級比較困難，不能進行二次開發，並且體積結構龐大，功耗較大。
發明內容
針對上述問題，申請人進行了改進研究，提供一種模塊化CXD工業相機，適用於檢 測高速運動目標；易於產品更新和升級，能夠進行二次開發，並且體積小，功耗低。本發明的技術方案如下一種模塊化CXD工業相機，包括工業鏡頭、成像傳感器模塊、邏輯管理模塊、數據處理 模塊以及相機外殼；所述成像傳感器模塊為CCD成像傳感器模塊，其採用高性能的CCD傳感器晶片，所述成 像傳感器模塊通過40針和20針扁平線連接到邏輯管理模塊；所述邏輯管理模塊為FPGA邏輯管理模塊，其採用FPGA晶片，所述邏輯管理模塊對成像 傳感器模塊的寄存器進行配置，控制圖像採集的工作流程，並將得到的數據轉換成數據處 理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式，最終傳入數據處理模塊的存儲器；所述數據處理模塊為DSP數據處理模塊，其採用TMS320DM642 DSP晶片，所述數據處理 模塊接收邏輯管理模塊的圖像數據，並對得到的圖像數據進行實時處理，處理後的圖像結 果通過乙太網口輸出至客戶端PC機或者執行機構，與客戶端軟體進行網絡通信，客戶端軟 件傳輸初始化成像傳感器模塊的設置參數和實時顯示處理後的圖像。其進一步的技術方案為所述成像傳感器模塊、邏輯管理模塊和數據處理模塊均 採用獨立的電路板設計，各模塊通過接插件連接。其進一步的技術方案為所述邏輯管理模塊處理的圖像數據是以分離的三通道YUV格式數據或Bayer RAW格式數據由Video Port 口傳入所述數據處理模塊。其進一步的技術方案為所述數據處理模塊採用TMS320DM642 DSP晶片，外擴總 容量為32M的SDRAM，以及4M的Flash，能穩定工作在600MHz的時鐘頻率，集成10/100M以 太網接口，可配置的Video Port接口，以及用於攝像機採集視頻流的圖像處理和進行網絡 通信的通用I/O接口。其進一步的技術方案為所述數據處理模塊對圖像數據的實時處理包括進行 Gamma校正、直方圖均衡化、手動/自動白平衡處理，並自帶了圖像處理算法，嵌入了 TI Image Library0其進一步的技術方案為所述網絡通信是指客戶端軟體通過乙太網與作為伺服器 端的數據處理模塊通信，傳輸設置成像傳感器模塊的相應參數和接收處理後的圖像數據。其進一步的技術方案為所述成像傳感器模塊的設置參數具體包括曝光時間、圖 像大小、圖像格式以及模式設置。本發明的有益技術效果是(一)本發明成像傳感器模塊集成CCD傳感器晶片，具有圖像解析度高、低功耗，性能穩 定的優點。(二)在相機內部體系結構設計上採用了模塊化的設計思想，有利於系統資源調 度，使整個相機系統的硬體具有可裁減、可升級更新等優點。(三)由於內置了嵌入式的TMS320DM642DSP處理器，客戶可以根據具體應用對相 機進行二次開發。(四)由於採用了嵌入式處理器，通過乙太網口與客戶端軟體的通信，取代了原有 的PC機系統，只需單電源供電，功耗低，並且系統結構緊湊。
圖1是本發明的相機總體結構圖。圖2是本發明的內部模塊化電路結構圖。圖3是本發明的邏輯管理模塊方框圖。圖4是本發明的數據處理模塊方框圖。圖5是本發明的供電模塊示意圖。圖6是本發明的圖像處理流程圖。圖7是本發明的網絡通信流程圖。圖8是本發明的程序總體流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步說明。如圖1所示，本發明模塊化CXD工業相機的硬體部分包括工業鏡頭1、CXD成像傳 感器模塊2、FPGA邏輯管理模塊3、DSP數據處理模塊4和相機外殼(圖中未示出)。DSP數 據處理模塊4包括PHY物理層晶片5，網絡隔離變壓器6，RJ45接口 7，EEPROM晶片8，總容 量32M的SDRAM數據存儲器10，4M的FLASH程序存儲器11，數字IO 口 12以及DSP晶片13。 PHY物理層晶片5、網絡隔離變壓器6和RJ45接口 7的作用是實現與計算機的網絡通信，EEPROM晶片8的作用存儲CMOS的配置參數，總容量32M的SDRAM數據存儲器10用於圖像 數據的存儲和轉移，4M的FLASH程序存儲器11用於存儲DSP程序，數字IO 口 12控制外接 設備如閃光燈和雲臺等，DSP晶片13是核心控制模塊，所有程序都在其上運行。9為電源模 塊。在模塊功能設計上，CCD成像傳感器模塊2主要安裝了 CCD傳感器和相應的電源電路， CXD成像傳感器模塊2採用高性能的CXD傳感器晶片，FPGA邏輯管理模塊3採用FPGA晶片， DSP數據處理模塊採用TMS320DM642 DSP晶片，CXD成像傳感器模塊通過40針和20針的扁 平線與FPGA邏輯管理模塊相連；FPGA邏輯管理模塊3對CXD成像傳感器模塊的寄存器進行 配置，控制圖像採集的工作流程，並將數據轉換成DSP數據處理模塊的Video Port接口(是 指FPGA與DSP連接的埠，也就是VP 口)可以導入的時序格式；最終傳入DSP數據處理模 塊的總容量32M的SDRAM數據存儲器10，DSP數據處理模塊接收FPGA邏輯管理模塊的圖像 數據，並對其進行實時處理，處理後的圖像結果通過RJ45接口 7 (乙太網口)傳輸到客戶端， 與客戶端軟體進行網絡通信，客戶端軟體傳輸初始化設置參數和實時顯示處理後的圖像。如圖2所示，本發明的C⑶成像傳感器模塊、FPGA邏輯管理模塊和DSP數據處理 模塊在硬體電路的具體實現上採用模塊化設計，分成三個電路板，各模塊通過接插件連接。圖3示出了本發明的FPGA邏輯管理模塊的具體硬體電路實現。FPGA邏輯管理模 塊通過CXD成像傳感器模塊接口(40針和20針扁平線)設置CXD成像傳感器模塊中寄存器 的參數並接收CCD成像傳感器模塊採集到的圖像數據。外接12V的直流電源通過電源模塊 可以得到3. 3V電壓作為FPGA邏輯管理模塊的IO及整個系統的數字電源，得到的1. 2V電壓 作為FPGA邏輯管理模塊的內核電源。FPGA邏輯管理模塊將時序轉換的圖像數據通過VPl 口傳入DSP數據處理模塊。FPGA邏輯管理模塊通過IIC總線接收DSP數據處理模塊傳送的 配置參數，Reset_L是電壓監控晶片產生的復位電平，控制FPGA邏輯管理模塊復位。圖4示出了本發明的DSP數據處理模塊具體硬體電路實現。其DSP晶片用的是 TI公司的TMS320DM642數位訊號處理器晶片，通過IIC總線給FPGA邏輯管理模塊配置參 數。TMS320DM642數位訊號處理器晶片有16路通用I/O 口(GPI0)，與外設相連能夠產生 CPU中斷和EDMA中斷。通過與FPGA邏輯管理模塊的I/O 口連接，實現DSP數據處理模塊 與FPGA邏輯管理模塊之間的數據交換。DSP數據處理模塊通過VPl 口接收FPGA邏輯管 理模塊時序轉換的圖像數據。PCI /HPI埠復用管腳，通過HPI，主機設備可以訪問DSP 數據處理模塊的整個內存空間，乙太網媒體接入控制器EMAC提供TMS320DM642核心處理 器與網絡之間的高效界面。TMS320DM642通過EMIF接口實現與兩片SDRAM (4M*32bit) 無縫連接，得到SDRAM的存儲空間為32M (32M是按照字節來算，指總的容量，總的容量 =2*4M*32bit=2*4M*4byte=32M)，同時通過 EMIF 連接一個 FLASH 存儲器(4M)。P0WER&RESET 通過外接5V直流電源得到3. 3V電壓作為TMS320DM642的I/O及整個系統的數字電源，得到 1. 4V電壓作為TMS320DM642的內核電壓，然後利用其中的電源監控晶片監控得到的1. 4V、 3. 3V電壓，如果電壓下降到限值以下，強制產生復位信號。圖5示出了本發明的供電模塊。外接12V直流電源通過電源模塊產生1. 2V、1. 4V、 1. 8V、2. 5V、3. 3V、15V和-7. 5V電壓，得到的這些電壓通過電壓監控晶片進行監控。圖6為本發明的圖像處理流程圖。由CXD成像傳感器模塊2採集到Bayer RAW圖 像後通過雙線性插值得到三通道RGB圖像，然後從RGB圖像空間轉換到YCbCr圖像空間，在 YCbCr圖像空間對Y分量進行Gamma校正，並做直方圖均衡化處理，將處理後的圖像轉換到RGB圖像空間，再進行白平衡處理，最後在客戶端顯示。圖7為本發明的網絡通信流程圖。DSP數據處理模塊作為伺服器(server)與PC 機作為客戶端(client)建立網絡通信。DSP作為伺服器端執行socketO函數建立socket， 執行BindO函數綁定客戶端埠，執行ListenO函數開始監聽網絡，等待客戶端請求； PC機作為客戶端執行socketO函數建立socket，執行BindO函數綁定伺服器埠，執 行CormectO函數開始向伺服器請求連接；伺服器執行Acc印t 函數與客戶端建立連接， 客戶端執行％1 1函數向伺服器發送數據請求，伺服器通過RecvO函數接到請求並執行 ProcessO處理同時通過knd函數向客戶端發送響應和數據，客戶端執行I^rocess 處 理響應，同時通過RecvO函數接收結果；如果繼續有數據通信，則伺服器和客戶端循環等 待下一次通信，沒有則執行CloseO函數關閉通信。圖8為本發明的程序總體運行流程圖。程序上電開始運行，然後進行硬體、變量的 初始化，開始創建多任務；伺服器(DSP)與客戶端(PC機)之間建立網絡連接，伺服器負責接 收網絡通信發送的圖像初始化參數設置，接收正確後這些參數由FPGA配置給CCD傳感器， 客戶端等待伺服器數據發送；CCD傳感器根據設置的參數採集圖像，採集到的圖像發送到 DSP ；DSP分配採集圖像的緩衝區，採集一幀圖像，對採集到的圖像進行處理，交換數據緩衝 區，將數據存儲到發送的緩衝區；客戶端接收處理後的圖像數據，將結果顯示出來；然後服 務器和客戶端繼續循環以上過程。以上所述的僅是本發明的優選實施方式，本發明不限於以上實施例。可以理解，本 領域技術人員在不脫離本發明的精神和構思的前提下直接導出或聯想到的其他改進和變 化，均應認為包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種模塊化CXD工業相機，其特徵在於包括工業鏡頭、成像傳感器模塊、邏輯管理 模塊、數據處理模塊以及相機外殼；所述成像傳感器模塊為CCD成像傳感器模塊，其採用高性能的CCD傳感器晶片，所述成 像傳感器模塊通過40針和20針扁平線連接到邏輯管理模塊；所述邏輯管理模塊為FPGA邏輯管理模塊，其採用FPGA晶片，所述邏輯管理模塊對成像 傳感器模塊的寄存器進行配置，控制圖像採集的工作流程，並將得到的數據轉換成數據處 理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式，最終傳入數據處理模塊的存儲器；所述數據處理模塊為DSP數據處理模塊，其採用TMS320DM642 DSP晶片，所述數據處理 模塊接收邏輯管理模塊的圖像數據，並對得到的圖像數據進行實時處理，處理後的圖像結 果通過乙太網口輸出至客戶端PC機或者執行機構，與客戶端軟體進行網絡通信，客戶端軟 件傳輸初始化成像傳感器模塊的設置參數和實時顯示處理後的圖像。
2.根據權利要求1所述模塊化CCD工業相機，其特徵在於所述成像傳感器模塊、邏輯 管理模塊和數據處理模塊均採用獨立的電路板設計，各模塊通過接插件連接。
3.根據權利要求1所述模塊化CCD工業相機，其特徵在於所述邏輯管理模塊處理的 圖像數據是以分離的三通道YUV格式數據或Bayer RAW格式數據由Video Port 口傳入所 述數據處理模塊。
4.根據權利要求1所述模塊化CCD工業相機，其特徵在於所述數據處理模塊採用 TMS320DM642 DSP晶片，外擴總容量為32M的SDRAM，以及4M的Flash，能穩定工作在600MHz 的時鐘頻率，集成10/100M乙太網接口，可配置的Video Port接口，以及用於攝像機採集視 頻流的圖像處理和進行網絡通信的通用I/O接口。
5.根據權利要求1所述模塊化CCD工業相機，其特徵在於所述數據處理模塊對圖像 數據的實時處理包括進行Gamma校正、直方圖均衡化、手動/自動白平衡處理，並自帶了圖 像處理算法，嵌入了 TI Image Library。
6.根據權利要求1所述模塊化CCD工業相機，其特徵在於所述網絡通信是指客戶端 軟體通過乙太網與作為伺服器端的數據處理模塊通信，傳輸設置成像傳感器模塊的相應參 數和接收處理後的圖像數據。
7.根據權利要求1所述模塊化CCD工業相機，其特徵在於所述成像傳感器模塊的設 置參數具體包括曝光時間、圖像大小、圖像格式以及模式設置。
全文摘要
本發明提供了一種模塊化CCD工業相機。其適用於檢測高速運動目標、易於升級、體積小、功耗低。其硬體部分包括工業鏡頭、成像傳感器模塊、邏輯管理模塊、數據處理模塊；軟體部分包括相機伺服器軟體和PC機網絡通信客戶端軟體；邏輯管理模塊通過對成像傳感器模塊的控制，完成圖像採集，並將數據轉換成數據處理模塊的VP口可以導入的時序格式；數據處理模塊接收圖像數據並對其進行實時處理，處理結果通過乙太網口輸出至PC機或者執行機構；其特徵在於，所述成像傳感器模塊採用高性能的CCD傳感器晶片，所述邏輯管理模塊採用FPGA晶片，所述數據處理模塊採用TMS320DM642DSP晶片。
文檔編號H04N5/225GK102055894SQ201010555000
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者林益 申請人:無錫市博陽精密機械製造有限公司