CN102625056A - 一种基于fpga的cis图像采集系统及其采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的CIS图像采集系统及其采集方法,采集系统包括CIS传感器,所述的CIS图像采集系统还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口,单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。单片机控制模块的单片机为PIC单片机。FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。本发明能精确的对CIS图像进行采集检测,检测出PCB板中存在的缺陷,提高PCB板的合格率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检孔机或PCB行业其他领域的线阵接触式图形采集系统,特别是涉及一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)的CIS(Contact Image Sensor,接触式图像传感器)图像采集系统及其采集方法。
背景技术
接触式图像传感器(CIS)约在90年代初发展成形,由于其机构紧凑,无复杂光学镜头组件,体积小,重量轻,抗震性能好,响应快的优点,已逐步取代了CCD的部分市场,广泛的应用于传真、扫描、纸币票据识别、光标阅读中,同时,CIS在PCB行业的应用,减少了检测仪器的体积,增加了的稳定性和性价比。
PCB行业的发展,使得人工检测已无法适应;通过CIS进行PCB图像的采集,经软件分析处理,可以方便的检测出PCB板中的缺陷,提高了PCB厂家的竞争力;但如何能更好的利用FPGA进行CIS图像采集,采集系统越来越精确。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于FPGA的CIS图像采集系统及其采集方法,能精确的对CIS图像进行采集检测,检测出PCB板中存在的缺陷,提高PCB板的合格率。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种基于FPGA的CIS图像采集系统,包括CIS传感器,所述的CIS图像采集系统还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口,FPGA提供CIS的工作时序,CIS输出的图像经过AD采集转换成数字信号,由FPGA进行预处理,并存储到内部RAM中,按照cameralink数据格式,通过LVDS芯片将数据以差分的形式输出至cameralink接口。
进一步的,所述的单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。
进一步的,所述的单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。
进一步的,所述的单片机控制模块的单片机为PIC单片机。
进一步的,所述的FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。
进一步的,所述的FPGA数据处理模块为Cyclone III FPGA数据处理模块。
进一步的,所述的FPGA包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口模块。
一种根据所述的基于FPGA的CIS图像采集系统的采集方法,其步骤如下:
步骤1、初始化cameralink内部的uart接口;
步骤2、读取单片机的eeprom数据;
步骤3、根据eeprom数据配置AD芯片;读取AD芯片,返回配置状态至上位机;
步骤4、若上位机有数据更新,进入中断程序,接收数据后返回;
步骤5、判断数据是否满足自定义通信协议,是则执行步骤6,否则执行步骤4;
步骤6、判断是否为新数据,是则执行步骤7,否则执行步骤12;
步骤7、判断数据是否为配置AD工作参数,是则执行步骤8,否则发送至FPGA并执行步骤10;
步骤8、重新配置AD芯片;并执行步骤9;
步骤9、将数据写入eeprom;
步骤10、图像二值化处理;
步骤11、返回配置状态至上位机;
步骤12、结束程序。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:能精确的对CIS图像进行采集检测,检测出PCB板中存在的缺陷,提高PCB板的合格率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图;
图2为本发明的FPGA总体功能模块图;
图3为本发明的CIS时序图;
图4为本发明的AD转换时序图;
图5为本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明的主旨在于克服现有技术的不足,提供一种基于FPGA的CIS图像采集系统及其采集方法,本系统由FPGA、单片机、AD转换器、LVDS芯片组成,FPGA提供CIS的工作时序,CIS输出的图像,经过AD采集,转换成数字信号,由FPGA进行预处理,并存储到内部RAM中,按照cameralink数据格式,通过LVDS芯片将数据以差分的形式输出至cameralink接口。
FPGA给CIS传感器提供工作时序,CIS输出的模拟信号通过AD采集,经FPGA去噪、二值化等预处理后,存储到FPGA内部RAM中。根据FPGA获得单片机的用户设定参数后,选择输出图像类型;输出图像通过LVDS芯片以差分的方式发送至cameralink接口,经图像采集卡至电脑软件处理。
下面结合实施例参照附图进行详细说明,以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。
本发明的原理框图如图1所示,一种基于FPGA的CIS图像采集系统,包括CIS传感器,所述的CIS图像采集系统还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口。
进一步的,所述的单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。
进一步的,所述的单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。
进一步的,所述的单片机控制模块的单片机为PIC单片机。
进一步的,所述的FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。
进一步的,所述的FPGA数据处理模块为Cyclone III FPGA数据处理模块。
进一步的,所述的FPGA包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口模块。
如图5所示,一种根据所述的基于FPGA的CIS图像采集系统的采集方法,其步骤如下:
步骤1、初始化cameralink内部的uart接口;
步骤2、读取单片机的eeprom数据;
步骤3、根据eeprom数据配置AD芯片;读取AD芯片,返回配置状态至上位机;
步骤4、若上位机有数据更新,进入中断程序,接收数据后返回;
步骤5、判断数据是否满足自定义通信协议,是则执行步骤6,否则执行步骤4;
步骤6、判断是否为新数据,是则执行步骤7,否则执行步骤12;
步骤7、判断数据是否为配置AD工作参数,是则执行步骤8,否则发送至FPGA并执行步骤10;
步骤8、重新配置AD芯片;并执行步骤9;
步骤9、将数据写入eeprom;
步骤10、图像二值化处理;
步骤11、返回配置状态至上位机;
步骤12、结束程序。
接触式图像传感器(CIS)采用一条扫描范围为658毫米,600DPI,扫描速度为70us/line的CIS。其像素时钟频率为8M,内部由36段432个有效像素的CIS并行扫描,其总有效像素为36*432=15552个像素。每4段模拟信号输出为一个接口,共9个输出接口。
CIS正常工作需要提供像素时钟信号CCLK和选通信号SI,8M的像速率使得图像传输率为8M*15552节/秒=121.5MKB/S,这要求使用高速数据处理器。
光源采用波长近630纳米的红色LED条形光源、体积小、功耗低、安装方便。
高速CCD(Charge-coupled Device电荷耦合元件)/CIS AD采样芯片WM8214,WM8214是40MSPS 16位CCD/CIS专用AD采集芯片,典型功耗只有390mW。其支持RGB三通道彩色模式和黑白单色模式,内部具有复位电平箝位电路(RLC)和双相关采样电路(CDS),能灵活的适应各种图像传感器的连接和减少图像噪音;通过内部寄存器的设置,可以工作在RGB三通道模式和只并行输出高8位数据;这样36段CIS模式信号输出便需要12片WM8214。通过WM8214的串行接口可以实时更改图像采集的工作模式、增益、暗电平直偏值、反色等参数。
单片机用于通过接受来自cameralink接口用户命令,来配置AD采集芯片WM8214工作模式和参数配置。同时将用户数据保存于eeprom中,具备断电记忆功能。单片机也需要与FPGA通信,使FPGA根据用户设定进行相应的图像预处理。
单片机采用高性能RISC指令的PIC单片机PIC18F452,具有极强的抗干扰能力,能很好的适应检孔机中存在的电磁干扰环境。同时内部的集成256字节eeprom,擦写次数可达100万次。
FPGA为图像采集提供时序,图像数据预处理和传送输出。由于每采集一行数据量为432*36*8bit=124416bit=121.5Kbit,需要122kbit的RAM空间,同时FPGA内RAM采用M9K结构,采用Cyclone III系列的EP3C16Q240芯片,内部用于504Kbit RAM空间。其支持AS配置和JTAG在线调试配置,可以方便的进行开发调试。
camera link接口是在Channel Link基础上发展的高速视频接口,采用LVDS差分信号传输的,能有效的提供数据的可靠性。核心组成元件包括一个并转串驱动器和一个串转并接收器。驱动器将 28位CMOS/TTL信号以7: 1方式串行化为 4条LVDS数据流。一个锁相环传输时钟通过第5条 LVDS链路与其他LVDS数据流并行传输。接收器接收4路 LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号,将数据流转换回28位的CMOS/TT L并行数据。Channel Link最高传输速率可达 2.38Gbits/ s。根据实际数据流可以配置base 3通道,medium 6通道,full 8通道模式。
对应的LVDS芯片DS90LV032用于上位机触发信号,DS90LV019用于cameralink内部uart信号转换。DS90CR287用于5条LVDS链路信号转换,支持最高时钟频率达85MHZ。
有数据数据流为121.5MKB/S,所以采用medium 6通道模式,时钟频率50MHZ。
FPGA系统整体功能块图如图2示,FPGA程序设计中,FPGA为核心控制器,负责图像采集、处理和cameralink协议转换。其包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口等模块。
时序设计:FPGA为CIS提供时钟信号CCLK和选通信号SI。如图2,在每个SI的上升沿之后的第72-79个CCLK内输出暗电平电压值,在第84个CCLK后输出有效像素电压。由于采用了WM8214做AD转换,其三通道采集分时输出,并且采样的数据要等到上次前面3个数据之后才输出,fVSMP=fCCLK=8MHZ。所以,需要在第84CCLK提供VSMP和RSMP信号,在84+3=87个CCLK读取数据。
数据处理:为了方便检孔机对采集到PCB板图像的判别,对图像进行预处理非常必要,可以降低上位机软件负担。采集到的图像为灰度图像,自然存在噪音,我们可以将10灰度值以下的值延伸为0,损失的部分低值像素,在一定程度可以降低噪音。同时,根据用户选定,对图像全局进行二值化,降低了上位机内存的开销,而本系统可以轻松完成。用户数据接收任务由FPGA和单片机间的自定义通信协议完成。
数据存储与cameralink发送:为了满足数据采集和cameralink接口数据发送的速度匹配,需对数据进行缓冲,采用双端口RAM乒乓操作进行数据存储。其分别有独立的读写地址线和数据线,并且内部具备读写仲裁功能,防止读写冲突。利用quartus II 8.0的IP核生成向导工具可方便的生成双端口RAM。完成一行采集的数据量为124416bit,cycloneIII的RAM是M9K结构,每个RAM大小选取1KByte,共建36个RAM进行数据存储。以RAM的高地位地址作为乒乓操作的两个缓冲区,将采集的图像数据按照一定顺序存入到36个RAM中。
Cameralink接口采用medium模式,共6个效数据通道,每个数据通道负责6段CIS图像的发送。Cameralink接口时序主要提供像素时钟信号XCLK、行同步信号LVAL和帧同步信号FVAL信号,由于PCB图像的采集跟实际长度有关,只工作在线扫模式,则只需提供钟信号XCLK和LVAL行同步信号。在每个行同步信号LVAL之前需插入空白像素,具体根据图像采集卡不同而相应设定,但XCLK必须保证是连续的。像素时钟信号采用50MHZ,6medium模式则可支持数据流达300MBPS。
如图3、4所示,单片机程序设计中,单片机部分负责CCD/CIS芯片WM8214的工作方式、配置增益、暗电平直偏值等参数。单片机通过类SPI方式修改内部寄存器值,改变各个参数。同时,单片机通过cameralink内部的uart接口与上位机通信,同时需要与FPGA进行数据通信,控制FPGA图像预处理的类型,所以,单片机内部存在3个通信接口。除uart直接使用PIC内部uart接口外,其余两个接口进行自定义通信方式。在用户修改参数后,将用户参数写入到PIC18F452内部集成了256字节的eeprom中。每次开机初始化时,读取eeprom的数据进行系统配置。
在实验测试中中本采集系统应用于Asida检孔机上,已成功通过采图验证。PCB检测速度12.4m/min,PCB宽度为650mm,实检0.15mm孔径性能稳定。能够通过pc机进行实时增益、暗电平直偏值、二值化图像选择采集测试。同时利用反射光源进行PCB表面丝印扫描,图像质量较好,各灰阶段间噪声很小。
本发明以FPGA为核心的参数在线可更改的高性能CIS图像采集系统。系统采用一条658mm的一体式图像传感器,避免了因传感器拼接问题而造成图像非连续性问题,增加了检测精度和降低了设计复杂度。FPGA将采集到的图像信号进行预处理,并存储于FPGA内部RAM中进行缓冲,以cameralink接口LVDS差分方式传输至上位机,提高了图像传输的可靠性。若增加反射光源,设置合适工作参数,能实现PCB板的孔径和丝印层图像的高精度采集,同时能应用于大幅纸张票据的扫描采集。PCB最小检测孔径为0.043mm,若采用更高分辨率的CIS,可以检测更小孔径。
以上所述为本发明较佳的实施例,在不脱离本发明的发明构思的前提下,任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的CIS图像采集系统,包括CIS传感器,其特征在于:所述的CIS图像采集系统还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口,FPGA提供CIS的工作时序,CIS输出的图像经过AD采集转换成数字信号,由FPGA进行预处理,并存储到内部RAM中,按照cameralink数据格式,通过LVDS芯片将数据以差分的形式输出至cameralink接口。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的CIS图像采集系统,其特征在于:所述的单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的CIS图像采集系统,其特征在于:所述的单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。
4.根据权利要求3述的基于FPGA的CIS图像采集系统,其特征在于:所述的单片机控制模块的单片机为PIC单片机。
5.根据权利要求1述的基于FPGA的CIS图像采集系统,其特征在于:所述的FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。
6.根据权利要求5述的基于FPGA的CIS图像采集系统,其特征在于:所述的FPGA数据处理模块为Cyclone III FPGA数据处理模块。
7.根据权利要求6述的基于FPGA的CIS图像采集系统,其特征在于:所述的FPGA包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口模块。
8.一种根据权利要求1~7中任一项所述的基于FPGA的CIS图像采集系统的采集方法,其步骤如下:
步骤1、初始化cameralink内部的uart接口;
步骤2、读取单片机的eeprom数据;
步骤3、根据eeprom数据配置AD芯片;读取AD芯片,返回配置状态至上位机;
步骤4、若上位机有数据更新,进入中断程序,接收数据后返回;
步骤5、判断数据是否满足自定义通信协议,是则执行步骤6,否则执行步骤4;
步骤6、判断是否为新数据,是则执行步骤7,否则执行步骤12;
步骤7、判断数据是否为配置AD工作参数,是则执行步骤8,否则发送至FPGA并执行步骤10;
步骤8、重新配置AD芯片;并执行步骤9;
步骤9、将数据写入eeprom;
步骤10、图像二值化处理;
步骤11、返回配置状态至上位机;
步骤12、结束程序。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120801 |