CN102014245A

CN102014245A - 具有光斑脱靶量实时计算功能的高速cmos相机

Info

Publication number: CN102014245A
Application number: CN 201010508503
Authority: CN
Inventors: 秦来安; 侯再红; 吴毅; 靖旭; 谭逢富; 何枫; 张守川; 姚佰栋
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN102014245B

Abstract

本发明公开了一种具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，包括有图像处理模块，图像处理模块电连有CMOS图像传感模块。本发明实现了图像高速采集与处理的一体化，简化了电路系统，减小了从采集图像到获得光斑位置信息所需设备的体积，提高了系统的稳定性。

Description

具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机

技术领域

本发明涉及光电探测、信号处理和机械设计领域，具体为一种具有光斑脱靶量实施计算功能的高速CMOS相机。

背景技术

光电跟踪系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统及精密机械等几部分组成的复杂设备，在航空、武器控制等各种军用和民用领域有着广泛的应用。随着目标机动性能的增强和现代技术的发展，对光电跟踪系统的要求越来越高，尤其要求其响应更快、稳定跟踪精度更高，这些特点对系统中图像处理单元的实时处理能力提出了更高的要求。

在光电跟踪装置中，传统的图像处理系统采用基于PC机的高速相机+图像采集卡的结构，这类系统体积较大，图像处理过程要占用CPU的大量资源，只能够提供一般的图像处理效果且速度较慢，而且系统性能的提升受图像采集卡的制约比较大。为此，有人对这种传统的图像采集处理系统进行了改进，设计了基于CCD且具有光斑脱靶量实时计算功能的高速智能相机，与原有的设备相比，这种方案减少了设备的数量，减小了体积，提高了系统的稳定性。但是这种方案采用面阵CCD作为探测器，其驱动电路比较复杂，单处理器往往不能满足系统需求，设计和调试难度也很大，不易实现。

近年来，随着半导体技术的高速发展，CMOS图像传感器技术也获得了长足的进步，传感器的噪声抑制能力和填充率均获得了大幅的提高，其成像质量也基本达到了CCD的水平，这为CMOS图像传感器在光电跟踪系统中的应用提供了可能。而且CMOS图像传感器驱动电路设计比较简单，易于实现。鉴于这种现状，本发明研制了基于CMOS图像传感器和Ti达芬奇系列高性能DSP的智能相机。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，以解决CCD相机驱动电路复杂、设计调试难度大、单处理器不能满足要求的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：包括有图像处理模块，所述图像处理模块上连接有CMOS图像传感模块，所述CMOS图像处理模块采用CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采用图像处理芯片，所述图像处理模块外接外扩存储器、程序存储器、监视器，图像处理模块还与外部主控机通讯连接。

所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述CMOS图像处理模块采用型号为MT9M001的CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采用型号为TMS320DM6437的图像处理芯片，所述图像处理芯片内集成有数字视频前端、数字视频后端、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I²C接口，所述图像处理芯片通过数字视频前端、I²C接口与所述CMOS图像传感芯片电连接，图像处理芯片通过数字视频后端与监视器连接，所述图像处理芯片通过DDR2接口、EMIF接口分别对应外接外扩存储器、程序存储器，图像处理芯片还通过UART接口与外部主控机连接。

所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述图像处理芯片的UART接口包括RS232接口和RS485接口，所述图像处理芯片通过RS232接口与外部主控机连接，图像处理芯片通过RS485送出数据。

所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的CMOS相机，其特征在于：所述图像处理芯片和CMOS图像传感芯片无缝连接，其中CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引脚分别与图像处理芯片数字视频前端中作为I²C接口的SCL、SDA引脚一一对应连接，所述CMOS图像传感芯片的DOUT0～DOUT9引脚分别与所述图像处理芯片数字视频前端中的YI0～YI7引脚、CI0～CI1引脚一一对应连接，CMOS图像传感芯片的PIXCLK引脚与图像处理芯片数字视频前端中的PCLK引脚连接，CMOS图像传感芯片的LINE_VALID引脚、FRAME_VALID引脚分别与图像处理芯片数字视频前端中的HD、VD引脚一一对应连接。

所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述图像处理芯片引脚和CMOS图像传感芯片引脚之间通过连接器和接插件对应连接。

所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的CMOS相机，其特征在于：所述CMOS图像传感芯片的VDD引脚、VAA、VAAPIX引脚分别接外部电源，RESET#引脚通过电阻接外部电源，AGND、DGND引脚分别接地，STANDBY、TRIGGER、OE#引脚分别通过电阻接地，所述CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引脚还分别通过电阻接外部电源，CMOS图像传感芯片的CLKIN引脚外接晶振电路。

所述的具有光斑脱靶量实施计算功能的CMOS相机，其特征在于：所述晶振电路包括有源晶振，所述有源晶振一个引脚接地，另一个引脚分别通过电阻接5V电源、通过上拉电阻接外部电源，有源晶振还有一个引脚通过电阻与所述CMOS图像传感芯片的CLKIN引脚连接。

本发明中，图像传感模块选用Micron公司的单色图像传感器MT9M001作为图像传感元件。该芯片工作电压为3.3v，内部有26个控制寄存器，通过I2C接口SCLK、SDATA引脚合理设置这些寄存器，可以使芯片工作在不同的帧频和窗口大小。U4为48MHz有源晶振，在它的激励下，图像传感芯片通过引脚FRAME_VALID、LINE_VALID输出行场同步信号，通过DOUT0-DOUT9引脚输出图像数据信号，这些信号通过接插件U3与图像采集模块相连。

图像采集模块利用了基于达芬奇技术的图像处理芯片TMS320DM6437内部的数字视频前端(VPFE)，利用该模块可以使图像处理设备和图像采集设备实现无缝连接。根据图像传感器输出的时序和数据格式，需要对数字视频前端内部为数众多的寄存器进行合理的设置。一旦设置完毕，数据采集就按照要求有条不紊的进行，结果也以EDMA的方式存储与系统外扩的DDR2SDRAM中，整个采集过程无需CPU干预。

图像处理模块主要是在CCStudio v3.3软件开发平台上对DM6437进行编程，程序烧写在程序存储器中，用来对图像进行滤波、二值化，最后利用形心算法得出光斑的位置信息。为满足系统实时性的要求，该模块必须具有很快的运算速度，所以选用Ti公司高性能DSP芯片TMS320DM6437作为处理器。这个芯片除了具有丰富的外部接口外，也具有较高的运算速度。它是美国德州仪器公司(TI)推出的一款基于TI第三代高性能的VLIW的面向数字多媒体应用的DSP，内核为C64x+。在600MHz的时钟频率下，芯片的峰值处理能力高达4800MIPS，调试结果表明，该芯片能够满足需求。

同图像采集模块一样，图像显示模块也是利用了DM6437芯片内部集成的接口------数字视频后端(VPBE)。在外扩存储器DDR2SDRAM中开辟一块显示缓存，图像处理后放入显存中，根据显示需求合理设置数字视频后端控制寄存器，VPBE便能够将显示缓存内的数据送入监视器进行显示。

相机的通信模块包括3部分：第一，RS232通信模块。计算机通过该模块和相机进行通信，以控制相机的工作模式，设置相机工作状态所需的参数通过RS232口发送给DM6437，由DM 6437完成对图像传感器的配置。第二，I2C控制模块。DM6437通过I2C总线与图像传感芯片相连，DM6437收到RS232发送的参数后，通过I2C总线发送到图像传感器相应的控制寄存器。它可以设置相机的输出图像大小、帧频、增益、曝光时间等参数；第三，RS485数据收发模块。图像经过图像处理模块处理后，得出光斑的位置信息，进而得到脱靶量，该数据通过RS485口送出。

本发明实现了图像高速采集与处理的一体化，简化了电路系统，减小了从采集图像到获得光斑位置信息所需设备的体积，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为CMOS图像传感芯片电路图。

图3为图像处理芯片与CMOS图像传感芯片连接示意图。

图4为图像处理芯片与CMOS图像传感芯片无缝连接接口示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示。具有光斑脱靶量实时计算功能的CMOS相机，包括有图像处理模块，图像处理模块上电连接有CMOS图像传感模块，CMOS图像处理模块采用CMOS图像传感芯片U1，图像处理模块采用图像处理芯片DM6437，图像处理模块外接外扩存储器SDRAM、程序存储器FLASH、监视器，图像处理模块还与外部主控机通讯连接。

CMOS图像处理模块采用型号为MT9M001的CMOS图像传感芯片U1，图像处理模块采用型号为TMS320DM6437的图像处理芯片DM6437，图像处理芯片DM6437内集成有数字视频前端VPFE、数字视频后端VPBE、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I²C接口，图像处理芯片DM6437通过数字视频前端VPFE、I²C接口与CMOS图像传感芯片U1电连接，图像处理芯片DM6437通过数字视频后端VPBE与监视器连接，图像处理芯片DM6437通过DDR2接口、EMIF接口分别对应外接外扩存储器、程序存储器，图像处理芯片DM6437还通过UART接口与外部主控机连接。

图像处理芯片DM6437的UART接口包括RS232接口和RS485接口，图像处理芯片通过RS232接口与外部主控机连接，图像处理芯片通过RS485送出数据。

如图3、图4所示。图像处理芯片DM6437和CMOS图像传感芯片U1无缝连接，其中CMOS图像传感芯片U1的SCLK、SDATA引脚分别与图像处理芯片DM6437数字视频前端VPFE中作为I²C接口的SCL、SDA引脚一一对应连接，CMOS图像传感芯片U1的DOUT0～DOUT9引脚分别与图像处理芯片DM6437数字视频前端VPFE中的YI0～YI7引脚、CI0～CI1引脚一一对应连接，CMOS图像传感芯片U1的PIXCLK引脚与图像处理芯片DM6437数字视频前端VPFE中的PCLK引脚连接，CMOS图像传感芯片U1的LINE_VALID引脚、FRAME_VALID引脚分别与图像处理芯片DM6437数字视频前端VPFE中的HD、VD引脚一一对应连接。

图像处理芯片DM6437引脚和CMOS图像传感芯片U1引脚之间通过连接器U3和接插件RP1对应连接。

CMOS图像传感芯片U1的VDD引脚、VAA、VAAPIX引脚分别接外部电源VCC，RESET#引脚通过电阻R5接外部电源VCC，AGND、DGND引脚分别接地，STANDBY、TRIGGER、OE#引脚分别通过电阻R3、R4、R6接地，CMOS图像传感芯片U1的SCLK、SDATA引脚还分别通过电阻R1、R2接外部电源VCC，CMOS图像传感芯片U1的CLKIN引脚外接晶振电路。

晶振电路包括有源晶振U4，有源晶振U4一个引脚接地，另一个引脚分别通过电阻R11接5V电源、通过上拉电阻R10接外部电源VCC，有源晶振U4还有一个引脚通过电阻R12与CMOS图像传感芯片U1的CLKIN引脚连接。

在进行硬件设计时，本发明将整个系统分为两个部分分别设计：图像传感部分和图像采集处理部分。图像传感的电路如图2所示；图像采集处理部分除了DM6437外，还外扩了128M的DDR2SDRAM和4Mx8bit的NOR FLASH，SDRAM用于存储采集的图像和处理的结果，FLASH用于系统程序的上电自启动。两部分按照图3所示的方式进行硬件连接，系统通过RS232口与主控计算机相连。

系统软件是在CCS3.3开发平台上用C语言编程实现的。软件使用了用户可裁剪的嵌入式实时操作系统DSP/BIOS内核，用户可以根据需要通过tcf文件配置BIOS。在设计的过程中，我们配置了一个最小化的DSP/BIOS内核，采用了单任务的工作模式。即：系统首先调用main函数对整个系统进行初始化，它包括对CMOS图像传感器和DSP的初始化、对各种外部存储器接口的设置、软件内部变量的初始化设置等，然后一直调用图像处理函数进行光斑脱靶量的计算并将结果实时输出。整个工作过程可描述如下：

系统上电后，程序从外接FLASH自动加载到DSP中开始运行，DSP首先通过RS232接收来自于主控机的控制参数，然后通过I2C总线对图像传感芯片的参数进行设置。设置完毕后，在同步信号line_valid(行同步)和frame_valid(帧同步)的控制下，DM6437的CCDC模块开始采集图像数据，并以EDMA的方式自动存入外将DDR2存储器(SDRAM)中。一帧图像采集完成后，对当前图像进行处理，包括图像滤波、二值化、用形心跟踪算法提取光斑位置信息，得到光斑的位置信息通过RS485口送给运动控制单元。

调试结果表明，该相机能够在窗口大小为600x550的情况下实现130Hz的实时处理。

Claims

1.具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：包括有图像处理模块，所述图像处理模块上面连接有CMOS图像传感模块，所述CMOS图像处理模块采用CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采用图像处理芯片，所述图像处理模块外接外扩存储器、程序存储器、监视器，图像处理模块还与外部主控机通讯连接。

2.根据权利要求1所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述CMOS图像处理模块采用型号为MT9M001的CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采用型号为TMS320DM6437的图像处理芯片，所述图像处理芯片内集成有数字视频前端、数字视频后端、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I²C接口，所述图像处理芯片通过数字视频前端、I²C接口与所述CMOS图像传感芯片电连接，图像处理芯片通过数字视频后端与监视器连接，所述图像处理芯片通过DDR2接口、EMIF接口分别对应外接外扩存储器、程序存储器，图像处理芯片还通过UART接口与外部主控机连接。

3.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述图像处理芯片的UART接口包括RS232接口和RS485接口，所述图像处理芯片通过RS232接口与外部主控机连接，图像处理芯片通过送出数据。

4.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述图像处理芯片和CMOS图像传感芯片无缝连接，其中CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引脚分别与图像处理芯片数字视频前端中作为I²C接口的SCL、SDA引脚一一对应连接，所述CMOS图像传感芯片的DOUT0～DOUT9引脚分别与所述图像处理芯片数字视频前端中的YI0～YI7引脚、CI0～CI1引脚一一对应连接，CMOS图像传感芯片的PIXCLK引脚与图像处理芯片数字视频前端中的PCLK引脚连接，CMOS图像传感芯片的LINE_VALID引脚、FRAME_VALID引脚分别与图像处理芯片数字视频前端中的HD、VD引脚一一对应连接。

5.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述图像处理芯片引脚和CMOS图像传感芯片引脚之间通过连接器和接插件对应连接。

6.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述CMOS图像传感芯片的VDD引脚、VAA、VAAPIX引脚分别接外部电源，RESET#引脚通过电阻接外部电源，AGND、DGND引脚分别接地，STANDBY、TRIGGER、OE#引脚分别通过电阻接地，所述CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引脚还分别通过电阻接外部电源，CMOS图像传感芯片的CLKIN引脚外接晶振电路。

7.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于：所述晶振电路包括有源晶振，所述有源晶振一个引脚接地，另一个引脚分别通过电阻接5V电源、通过上拉电阻接外部电源，有源晶振还有一个引脚通过电阻与所述CMOS图像传感芯片的CLKIN引脚连接。