CN102055894A

CN102055894A - 一种模块化ccd工业相机

Info

Publication number: CN102055894A
Application number: CN201010555000.XA
Authority: CN
Inventors: 林益
Original assignee: WUXI BOYANG PRECISION MACHINERY CO Ltd
Current assignee: WUXI BOYANG PRECISION MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明提供了一种模块化CCD工业相机。其适用于检测高速运动目标、易于升级、体积小、功耗低。其硬件部分包括工业镜头、成像传感器模块、逻辑管理模块、数据处理模块；软件部分包括相机服务器软件和PC机网络通信客户端软件；逻辑管理模块通过对成像传感器模块的控制，完成图像采集，并将数据转换成数据处理模块的VP口可以导入的时序格式；数据处理模块接收图像数据并对其进行实时处理，处理结果通过以太网口输出至PC机或者执行机构；其特征在于，所述成像传感器模块采用高性能的CCD传感器芯片，所述逻辑管理模块采用FPGA芯片，所述数据处理模块采用TMS320DM642DSP芯片。

Description

一种模块化CCD工业相机

技术领域

本发明涉及适用于工业产品检测、智能交通系统和视频监控领域的检测设备，具体涉及一种模块化CCD工业相机。

背景技术

CCD技术是机器视觉技术的核心，是给机器安装“眼睛”与“大脑”的关键技术，是机器向着自动化、智能化发展的必然，是现代科技创新必须掌握的技术。CCD光电传感器是现代光电子学和现代测试技术中最活跃、最富有创新科技成果的科技领域之一，特别在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速，在现代光电技术和测试技术中的地位举足轻重。

基于CCD的工业智能相机目前已被广泛地应用于非接触尺寸测量，产品质量检测，地质、地理与规划设计等的遥感、遥测和三维体视测量，安防监控、刑侦，航天、航空，天文观测、卫星侦察，光谱探测与光谱分析，高分辨率光电扫描、传真、复印，道路、交通智能调控、电子警察、工业生产及检测、医学显微等领域，是机器视觉系统的核心组件。CCD传感器所具有的优势为：几何精度高，稳定性好，噪音小，抗震动，寿命长，功耗低，体积小，灵敏度高，传输速度快。因此，CCD图像传感器在工业相机中得到广泛的应用。但是目前国内已有的CCD相机存在如下不足：在功能上不够完善，不适用于检测高速运动物体；采用PC处理技术，对产品的更新和升级比较困难，不能进行二次开发，并且体积结构庞大，功耗较大。

发明内容

针对上述问题，申请人进行了改进研究，提供一种模块化CCD工业相机，适用于检测高速运动目标；易于产品更新和升级，能够进行二次开发，并且体积小，功耗低。

本发明的技术方案如下：

一种模块化CCD工业相机，包括工业镜头、成像传感器模块、逻辑管理模块、数据处理模块以及相机外壳；

所述成像传感器模块为CCD成像传感器模块，其采用高性能的CCD传感器芯片，所述成像传感器模块通过40针和20针扁平线连接到逻辑管理模块；

所述逻辑管理模块为FPGA逻辑管理模块，其采用FPGA芯片，所述逻辑管理模块对成像传感器模块的寄存器进行配置，控制图像采集的工作流程，并将得到的数据转换成数据处理模块的Video Port接口可以导入的时序格式，最终传入数据处理模块的存储器；

所述数据处理模块为DSP数据处理模块，其采用TMS320DM642 DSP芯片，所述数据处理模块接收逻辑管理模块的图像数据，并对得到的图像数据进行实时处理，处理后的图像结果通过以太网口输出至客户端PC机或者执行机构，与客户端软件进行网络通信，客户端软件传输初始化成像传感器模块的设置参数和实时显示处理后的图像。

其进一步的技术方案为：所述成像传感器模块、逻辑管理模块和数据处理模块均采用独立的电路板设计，各模块通过接插件连接。

其进一步的技术方案为：所述逻辑管理模块处理的图像数据是以分离的三通道YUV格式数据或Bayer RAW格式数据由Video Port口传入所述数据处理模块。

其进一步的技术方案为：所述数据处理模块采用TMS320DM642 DSP芯片，外扩总容量为32M的SDRAM，以及4M的Flash，能稳定工作在600MHz的时钟频率，集成10/100M以太网接口，可配置的Video Port接口，以及用于摄像机采集视频流的图像处理和进行网络通信的通用I/O接口。

其进一步的技术方案为：所述数据处理模块对图像数据的实时处理包括进行Gamma校正、直方图均衡化、手动/自动白平衡处理，并自带了图像处理算法，嵌入了TI Image Library。

其进一步的技术方案为：所述网络通信是指客户端软件通过以太网与作为服务器端的数据处理模块通信，传输设置成像传感器模块的相应参数和接收处理后的图像数据。

其进一步的技术方案为：所述成像传感器模块的设置参数具体包括曝光时间、图像大小、图像格式以及模式设置。

本发明的有益技术效果是：

（一）本发明成像传感器模块集成CCD传感器芯片，具有图像分辨率高、低功耗，性能稳定的优点。

（二）在相机内部体系结构设计上采用了模块化的设计思想，有利于系统资源调度，使整个相机系统的硬件具有可裁减、可升级更新等优点。

（三）由于内置了嵌入式的TMS320DM642 DSP处理器，客户可以根据具体应用对相机进行二次开发。

（四）由于采用了嵌入式处理器，通过以太网口与客户端软件的通信，取代了原有的PC机系统，只需单电源供电，功耗低，并且系统结构紧凑。

附图说明

图1是本发明的相机总体结构图。

图2是本发明的内部模块化电路结构图。

图3是本发明的逻辑管理模块方框图。

图4是本发明的数据处理模块方框图。

图5是本发明的供电模块示意图。

图6是本发明的图像处理流程图。

图7是本发明的网络通信流程图。

图8是本发明的程序总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明模块化CCD工业相机的硬件部分包括工业镜头1、CCD成像传感器模块2、FPGA逻辑管理模块3、DSP数据处理模块4和相机外壳（图中未示出）。DSP数据处理模块4包括PHY物理层芯片5，网络隔离变压器6，RJ45接口7，EEPROM芯片8，总容量32M的SDRAM数据存储器10，4M的FLASH程序存储器11，数字IO口12以及DSP芯片13。PHY物理层芯片5、网络隔离变压器6和RJ45接口7的作用是实现与计算机的网络通信，EEPROM芯片8的作用存储CMOS的配置参数，总容量32M的SDRAM数据存储器10用于图像数据的存储和转移，4M的FLASH程序存储器11用于存储DSP程序，数字IO口12控制外接设备如闪光灯和云台等，DSP芯片13是核心控制模块，所有程序都在其上运行。9为电源模块。在模块功能设计上，CCD成像传感器模块2主要安装了CCD传感器和相应的电源电路，CCD成像传感器模块2采用高性能的CCD传感器芯片，FPGA逻辑管理模块3采用FPGA芯片，DSP数据处理模块采用TMS320DM642 DSP芯片，CCD成像传感器模块通过40针和20针的扁平线与FPGA逻辑管理模块相连；FPGA逻辑管理模块3对CCD成像传感器模块的寄存器进行配置，控制图像采集的工作流程，并将数据转换成DSP数据处理模块的Video Port接口（是指FPGA与DSP连接的端口，也就是VP口）可以导入的时序格式；最终传入DSP数据处理模块的总容量32M的SDRAM数据存储器10，DSP数据处理模块接收FPGA逻辑管理模块的图像数据，并对其进行实时处理，处理后的图像结果通过RJ45接口7（以太网口）传输到客户端，与客户端软件进行网络通信，客户端软件传输初始化设置参数和实时显示处理后的图像。

如图2所示，本发明的CCD成像传感器模块、FPGA逻辑管理模块和DSP数据处理模块在硬件电路的具体实现上采用模块化设计，分成三个电路板，各模块通过接插件连接。

图3示出了本发明的FPGA逻辑管理模块的具体硬件电路实现。FPGA逻辑管理模块通过CCD成像传感器模块接口（40针和20针扁平线）设置CCD成像传感器模块中寄存器的参数并接收CCD成像传感器模块采集到的图像数据。外接12V的直流电源通过电源模块可以得到3.3V电压作为FPGA逻辑管理模块的IO及整个系统的数字电源，得到的1.2V电压作为FPGA逻辑管理模块的内核电源。FPGA逻辑管理模块将时序转换的图像数据通过VP1口传入DSP数据处理模块。FPGA逻辑管理模块通过IIC总线接收DSP数据处理模块传送的配置参数，Reset_L是电压监控芯片产生的复位电平，控制FPGA逻辑管理模块复位。

图4示出了本发明的DSP数据处理模块具体硬件电路实现。其DSP芯片用的是TI公司的TMS320DM642数字信号处理器芯片，通过IIC总线给FPGA逻辑管理模块配置参数。TMS320DM642数字信号处理器芯片有16路通用I/O口（GPIO），与外设相连能够产生CPU中断和EDMA中断。通过与FPGA逻辑管理模块的I/O口连接，实现DSP数据处理模块与FPGA逻辑管理模块之间的数据交换。DSP数据处理模块通过VP1口接收FPGA逻辑管理模块时序转换的图像数据。PCI /HPI端口复用管脚，通过HPI，主机设备可以访问DSP数据处理模块的整个内存空间，以太网媒体接入控制器EMAC提供TMS320DM642核心处理器与网络之间的高效界面。TMS320DM642通过EMIF接口实现与两片SDRAM（4M*32bit）无缝连接，得到SDRAM的存储空间为32M（32M是按照字节来算，指总的容量，总的容量=2*4M*32bit=2*4M*4byte=32M），同时通过EMIF连接一个FLASH存储器（4M）。POWER&RESET通过外接5V直流电源得到3.3V电压作为TMS320DM642的I/O及整个系统的数字电源，得到1.4V电压作为TMS320DM642的内核电压，然后利用其中的电源监控芯片监控得到的1.4V、3.3V电压，如果电压下降到限值以下，强制产生复位信号。

图5示出了本发明的供电模块。外接12V直流电源通过电源模块产生1.2V、1.4V、1.8V、2.5V、3.3V、15V和-7.5V电压，得到的这些电压通过电压监控芯片进行监控。

图6为本发明的图像处理流程图。由CCD成像传感器模块2采集到Bayer RAW图像后通过双线性插值得到三通道RGB图像，然后从RGB图像空间转换到YCbCr图像空间，在YCbCr图像空间对Y分量进行Gamma校正，并做直方图均衡化处理，将处理后的图像转换到RGB图像空间，再进行白平衡处理，最后在客户端显示。

图7为本发明的网络通信流程图。DSP数据处理模块作为服务器（server）与PC机作为客户端（client）建立网络通信。DSP作为服务器端执行socket()函数建立socket，执行Bind()函数绑定客户端端口，执行Listen()函数开始监听网络，等待客户端请求；PC机作为客户端执行socket()函数建立socket，执行Bind()函数绑定服务器端口，执行Connect()函数开始向服务器请求连接；服务器执行Accept()函数与客户端建立连接，客户端执行Send()函数向服务器发送数据请求，服务器通过Recv()函数接到请求并执行Process()处理同时通过Send()函数向客户端发送响应和数据，客户端执行Process()处理响应，同时通过Recv()函数接收结果；如果继续有数据通信，则服务器和客户端循环等待下一次通信，没有则执行Close()函数关闭通信。

图8为本发明的程序总体运行流程图。程序上电开始运行，然后进行硬件、变量的初始化，开始创建多任务；服务器（DSP）与客户端（PC机）之间建立网络连接，服务器负责接收网络通信发送的图像初始化参数设置，接收正确后这些参数由FPGA配置给CCD传感器，客户端等待服务器数据发送；CCD传感器根据设置的参数采集图像，采集到的图像发送到DSP；DSP分配采集图像的缓冲区，采集一帧图像，对采集到的图像进行处理，交换数据缓冲区，将数据存储到发送的缓冲区；客户端接收处理后的图像数据，将结果显示出来；然后服务器和客户端继续循环以上过程。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种模块化CCD工业相机，其特征在于：包括工业镜头、成像传感器模块、逻辑管理模块、数据处理模块以及相机外壳；

2.根据权利要求1所述模块化CCD工业相机，其特征在于：所述成像传感器模块、逻辑管理模块和数据处理模块均采用独立的电路板设计，各模块通过接插件连接。

3.根据权利要求1所述模块化CCD工业相机，其特征在于：所述逻辑管理模块处理的图像数据是以分离的三通道YUV格式数据或Bayer RAW格式数据由Video Port口传入所述数据处理模块。

4.根据权利要求1所述模块化CCD工业相机，其特征在于：所述数据处理模块采用TMS320DM642 DSP芯片，外扩总容量为32M的SDRAM，以及4M的Flash，能稳定工作在600MHz的时钟频率，集成10/100M以太网接口，可配置的Video Port接口，以及用于摄像机采集视频流的图像处理和进行网络通信的通用I/O接口。

5.根据权利要求1所述模块化CCD工业相机，其特征在于：所述数据处理模块对图像数据的实时处理包括进行Gamma校正、直方图均衡化、手动/自动白平衡处理，并自带了图像处理算法，嵌入了TI Image Library。

6.根据权利要求1所述模块化CCD工业相机，其特征在于：所述网络通信是指客户端软件通过以太网与作为服务器端的数据处理模块通信，传输设置成像传感器模块的相应参数和接收处理后的图像数据。

7.根据权利要求1所述模块化CCD工业相机，其特征在于：所述成像传感器模块的设置参数具体包括曝光时间、图像大小、图像格式以及模式设置。