CN104581151A - 一种基于并口传输板卡的图像检测装置 - Google Patents

一种基于并口传输板卡的图像检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于并口传输板卡的图像检测装置，其包括图像采集平台、并口传输板卡。并口传输板卡通过I2C、双相机并口、GPIO口与图像采集平台相连接。并口传输板卡包括采用FPGA芯片一的控制单元、采用两个MC20901芯片的信号转换单元、相机驱动单元。相机驱动单元通过I2C下达指令并通过GPIO口将图像采集平台的相机的MIPI信号传入该两个MC20901芯片。MC20901芯片将MIPI信号转换成FPGA芯片一可接收的LVDS信号。FPGA芯片一通过解码IP核将LVDS信号解码成拥有行同步信号的图像数据，再将图像数据同步优化为并口传输16位或8位的图像数据并输出至双相机并口传给图像采集平台。

Description

一种基于并口传输板卡的图像检测装置
技术领域
本发明及产品的图像检测技术领域，尤其涉及一种基于并口传输板卡的图像检测装置。
背景技术
应用于手机、车载、安防领域摄像头产品的图像检测装置，其并口传输板卡的设计尤为重要，如何设计出一款可支持1lane mipi、2lane MIPI、4lane MIPI、8LANE MIPI(双4LANE mipi同步)MIPI解码并同步成8位/16位并口传输板卡成为本领域研发设计人员的一大难题与难点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于并口传输板卡的图像检测装置，其采用基于xilinx Spartan FPGA开发设计的可支持1lane mipi、2lane MIPI、4lane MIPI、8LANE MIPI(双4LANE mipi同步)MIPI解码并同步成8位/16位的并口传输板卡。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于并口传输板卡的图像检测装置，其包括图像采集平台、并口传输板卡；该并口传输板卡通过I2C、双相机并口、GPIO口与该图像采集平台相连接；该并口传输板卡包括采用FPGA芯片一的控制单元、采用两个MC20901芯片的信号转换单元、相机驱动单元；该相机驱动单元通过该I2C下达指令并通过该GPIO口将该图像采集平台的相机的MIPI信号传入该两个MC20901芯片；该两个MC20901芯片将该MIPI信号转换成该FPGA芯片一可接收的LVDS信号；该FPGA芯片一通过解码IP核将该LVDS信号解码成拥有行同步信号的图像数据，再将该图像数据同步优化为并口传输16位或8位的图像数据并输出至该双相机并口传给该图像采集平台。
作为上述方案的进一步，FPGA芯片一采用FPGA XC6SLX45芯片，2个MC20901芯片均采用MC20901TQLMP-48芯片；FPGA芯片一与2个MC20901芯片之间的电性连接关系如下表，其中，2个MC20901芯片为MC20901芯片一与MC20901芯片二；
优选地，在MC20901芯片一中，引脚45连接电源Vcc一，还经由电容C85接地、经由电容C86接地；引脚15连接电源Vcc一，还经由电容C87接地、经由电容C88接地；引脚32电源Vcc二，还经由电容C67接地、经由电容C68接地。
优选地，在MC20901芯片二中，引脚45连接电源Vcc一，还经由电容C62接地、经由电容C63接地；引脚15连接电源Vcc一，还经由电容C64接地、经由电容C65接地；引脚32电源Vcc二，还经由电容C60接地、经由电容C61接地。
作为上述方案的进一步，该GPIO口为双40引脚插排。
本发明采用的并口传输板卡，采用xilinx Spartan6 XC6SLX45 FPGA开发设计，通过I2C、双相机并口、GPIO口与图像采集平台相连接，相机驱动单元通过I2C下达指令并通过GPIO口将图像采集平台的相机的MIPI信号传入MC20901芯片，MC20901芯片将信号转换成FPGA芯片一可接收的LVDS信号，FPGA芯片一通过解码IP核将LVDS信号解码成拥有行同步信号的图像数据，再将该图像数据同步优化为并口传输16位或8位的图像数据并通过双相机并口传给图像采集平台，可支持1lane mipi、2lane MIPI、4lane MIPI、8LANE MIPI(双4LANE mipi同步)MIPI解码并同步成8位/16位。
附图说明
图1是本发明的图像检测装置的模块结构示意图。
图2是图1中FPGA芯片一的电性连接关系示意图。
图3是图1中MC20901芯片一的电性连接关系示意图。
图4是图1中MC20901芯片二的电性连接关系示意图。
图5是本发明图像检测装置的电流检测模块结构示意图。
图6是图5中电流检测模块的四片电流电压检测芯片IC IN220A的电性连接关系示意图。
图7是图5中电流检测模块的四片内置四个独立可选开关芯片ICADG811-YRU的电性连接关系示意图。
图8是本发明图像检测装置的开短路检测模块的主要部件的电性连接关系示意图。
图9是本发明图像检测装置的图像采集平台的模块结构示意图。
图10是本发明图像检测装置采用的软件构架示意图。
图11是本发明图像检测装置采用的数据统计数据挖掘方法的数据统计流程示意图。
图12是本发明图像检测装置采用的数据统计数据挖掘方法的数据挖掘流程示意图。
图13是本发明图像检测装置的板卡壳体的立体示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
嵌入数据统计数据挖掘的8lane MIPI解码USB3.0图像检测装置为一种应用于手机、车载、安防领域摄像头产品的图像检测装置，其主要有以下六部分组成。每一部分的设计方案都存在各自的特色，同时也能各自构成独立的产品，检修、维护、应用都是非常方便。
1)第一部分，基于xilinx Spartan FPGA开发设计的可支持1lane mipi、2lane MIPI、4lane MIPI、8LANE MIPI(双4LANE mipi同步)MIPI解码并同步成8位/16位的并口传输板卡。
2)第二部分，拥有高精度4量程的针对可对焦产品摄像的四路供电独立的电流检测模块。
3)第三部分，开短路检测模块。针对摄像头产品的开短路OPEN SHAORT检测功能，并通过软件优化加入热拔插功能，拔插产品时四路电源(AF供电、AVDD、DOVDD、DVDD)自动断电上电功能。
4)第四部分，基于Cypress 3014和xilinx Spartan FPGA开发，有效数据传输效率达到3.7Gbps的USB3.0图像采集平台。该平台针对图像帧前与帧尾嵌入帧前帧尾同步信号，上位机时时侦测图像数据的帧头和帧尾，避免了图像数据的错帧处理、错误数据处理，并提供双路每路多种Sensor基准频率提供，双路多种I2C通信模式供给、多种Sensor电源及控制信号。
5)第五部分，基于QT/C++的软件架构，针对产品检测类型包括自动对焦(AF)、自动调焦、AF位置烧录、自动曝光(AE)，自动白平横(AWB)等嵌入数据统计数据挖掘功能。针对MTF、SFR、脏点、伤点、污点(Blemish)、ColorUniform、SNR、光心检测等等算法基于不同的PC CPU指令集SSE4.1、SSE4.2、SSE2，SSE3动态使用指令集优化。
6)第六部分，板卡壳体，采用无风扇散热技术，装置壳体面向高速运动设备，针对USB3.0接口壳体外部采用无螺纹设计。
请参阅图1，并口传输板卡主要包括FPGA芯片一(如FPGA XC6SLX45)、2个MC20901芯片(如MC20901TQLMP-48)、相机(Camera)驱动单元。并口传输板卡采用xilinx Spartan6XC6SLX45FPGA开发设计，采用I2C(Inter－Integrated Circuit，总线)，通过I2C、双相机并口、GPIO口与图像采集平台相连接。相机驱动单元通过该I2C下达指令并通过该GPIO口将该图像采集平台的相机的MIPI信号传入该两个MC20901芯片，MC20901芯片将信号转换成FPGA芯片一可接收的LVDS信号，FPGA芯片一通过解码IP核将LVDS信号解码成拥有行同步信号的图像数据，再将该图像数据同步优化为并口传输16位或8位的图像数据并通过电平转换IC输出至双Camera并口传给图像采集平台。该GPIO口可为双40引脚(PIN)插排。图像采集平台采用FPGA芯片二(也可采用xilinx Spartan6 XC6SLX45 FPGA开发设计)实现控制。
请结合图2、图3及图4，其中图2为FPGA芯片一的电性连接关系示意图；2个MC20901芯片为MC20901芯片一与MC20901芯片二，图3、图4分别为MC20901芯片一与MC20901芯片二的电性连接关系示意图。FPGA芯片一与2个MC20901芯片的连接关系如表1、表2、表3所示。
表1 FPGA芯片一的引脚及其网络标号
表2 MC20901芯片一的引脚及其网络标号
引脚号 引脚内容 网络标号
1 NC1 -
2 D-PHY-D-P DPHY_CH1_P
3 D-PHY-D-N DPHY_CH1_N
4 GND1 GND
5 BTA GND
6 PIN-SWAP GND
7 D-PHY-C-P DPHY_CH2_P
8 D-PHY-C-N DPHY_CH2_N
9 GND2 GND
10 D-PHY-B-P DPHY_CH3_P
11 D-PHY-B-N DPHY_CH3_N
12 NC2 -
13 D-PHY-A-P DPHY_CLK0_P
14 D-PHY-A-N DPHY_C LK0_N
15 VDDIO1 VCC_2V5
16 LP-A-N FPGA_CLK0_LP_N
17 LP-A-P FPGA_CLK0_LP_P
18 LP-B-N FPGA_3_LP_N
19 LP-B-P FPGA_3_LP_P
20 LP-C-N FPGA_2_LP_N
21 LP-C-P FPGA_2_LP_P
22 HS-A-N FPGA_CLK0_HS_N
23 HS-A-P FPGA_CLK0_HS_P
24 NC3 -
25 NC4 -
26 HS-B-N FPGA_3_HS_N
27 HS-B-P FPGA_3_HS_P
28 GND3 GND
29 HS-C-N FPGA_2_HS_N
30 HS-C-P FPGA_2_HS_P
31 GND4 GND
32 VDD VCC_1V2
33 GND5 GND
34 HS-D-N FPGA_1_HS_N
35 HS-D-P FPGA_1_HS_P
36 NC5 -
37 HS-E-N FPGA_0_HS_N
38 HS-E-P FPGA_0_HS_P
39 LP-D-N FPGA_1_LP_N
40 LP-D-P FPGA_1_LP_P
41 LP-E-N FPGA_0_LP_N
42 LP-E-P FPGA_0_LP_P
43 GPIO1 MIPI_IO3
44 GPIO0 MIPI_IO2
45 VDDIO2 VCC_2V5
46 D-PHY-E-P DPHY_CH0_P
47 D-PHY-E-N DPHY_CH0_N
48 NC6 -
49 GND GND
表3 MC20901芯片二的引脚及其网络标号
综上所述，FPGA芯片一与2个MC20901芯片之间的电性连接关系如下表4所示。
表4 并口传输板卡的电性连接关系
在MC20901芯片一中，引脚45连接电源Vcc一，还经由电容C85接地、经由电容C86接地；引脚15连接电源Vcc一，还经由电容C87接地、经由电容C88接地；引脚32电源Vcc二，还经由电容C67接地、经由电容C68接地。
在MC20901芯片二中，引脚45连接电源Vcc一，还经由电容C62接地、经由电容C63接地；引脚15连接电源Vcc一，还经由电容C64接地、经由电容C65接地；引脚32电源Vcc二，还经由电容C60接地、经由电容C61接地。
本发明图像检测装置，其采用的并口传输板卡基于xilinx Spartan FPGA开发设计，可支持1lane mipi、2lane MIPI、4lane MIPI、8LANE MIPI(双4LANE mipi同步)MIPI解码并同步成8位/16位。
请参阅图5，电流检测模块(为第二部分)采用四片电流电压检测芯片IC IN220A分别配合四片内置四个独立可选开关芯片IC ADG811-YRU实现四路独立供电。电流检测模块的四路供电电路分别针对于图像采集平台(第四部分)的相机(如摄像头产品)需要的四路电源AF、AVDD、DOVDD、DVDD做四个量程的测量，精度可达1uA。电流检测模块采用四片电流电压检测芯片IC IN220A实现四路独立供电。四片电流电压检测芯片IC IN220A通过I2C(如SDA和SCL)与图像采集平台的FPGA芯片二(即xilinx Spartan6XC6SLX45 FPGA)相联。IC IN220A指IN220A芯片。故，电流检测模块拥有高精度4量程，可对焦产品摄像的四路独立供电。
请结合图6、图7，其为四片电流电压检测芯片IC IN220A与四片内置四个独立可选开关芯片IC ADG811-YRU的电性连接关系示意图，ICADG811-YRU指ADG811-YRU芯片。四片电流电压检测芯片IC IN220A分别为U20、U22、U24、U27，四片内置四个独立可选开关芯片IC ADG811-YRU分别为U21、U23、U25、U26，他们之间的电性连接关系如表4所示。
表4 电流检测模块的电性连接关系
其中，根据通俗理解，V33表示为33V的电源，GND表示为地，IN1～IN16分别表示输入接FPGA芯片二的相应输出用于控制U21、U23、U25、U26。
在U20中，引脚6经由电容C164电性接地，引脚9经由电阻R43连接电源DVDD1，引脚10经由电阻R33连接电源DVDD，且引脚10还经由电容C161连接引脚9。
在U22中，引脚6经由电容C165电性接地，引脚9经由电阻R44连接电源DODD1，引脚10经由电阻R38连接电源DODD，且引脚10还经由电容C162连接引脚9。
在U24中，引脚6经由电容C171电性接地，引脚9经由电阻R55连接电源AVDD1，引脚10经由电阻R47连接电源AVDD，且引脚10还经由电容C168连接引脚9。
在U27中，引脚6经由电容C172电性接地，引脚9经由电阻R56连接电源AF1，引脚10经由电阻R48连接电源AF，且引脚10还经由电容C167连接引脚9。
在U21中，引脚2经由电阻R35连接电源DVDD1，引脚7经由电阻R37连接电源DVDD1，引脚10经由电阻34连接电源DVDD1，引脚13连接电源V33且经由电容C164电性接地，引脚15经由电阻R36连接电源DVDD1。
在U23中，引脚2经由电阻R42连接电源DODD1，引脚7经由电阻R39连接电源DODD1，引脚10经由电阻40连接电源DODD1，引脚13连接电源V33且经由电容C166电性接地，引脚15经由电阻R41连接电源DODD1。
在U25中，引脚2经由电阻R51连接电源AVDD1，引脚7经由电阻R49连接电源AVDD1，引脚10经由电阻50连接电源AVDD1，引脚13连接电源V33且经由电容C169电性接地，引脚15经由电阻R45连接电源AVDD1。
在U26中，引脚2经由电阻R54连接电源AF1，引脚7经由电阻R53连接电源AF1，引脚10经由电阻52连接电源AF1，引脚13连接电源V33且经由电容C170电性接地，引脚15经由电阻R46连接电源AF1。
请参阅图8，开短路检测模块可针对插入的摄像头产品在未通电的状态下检测芯片管脚的开短路，避免产品短路情况下上电，对产品和主板造成损坏，同时也能拦截此类不良产品。开短路检测模块与并口传输板卡中的FPGA芯片一相连，通过FPGA芯片一对开短路的AD数据进行采集并分析，同时FPGA芯片一控制在开短路检测时摄像头地与主板地的隔离与短接，以及PWDN、RESET、I2C等信号产品与接收端的断开与连接。
开短路检测模块采用2片可选开关芯片(ADG706芯片)结合模数转换器(AD7477AAKSZ-500RL7芯片)设计实现。2片ADG706芯片为U6、U7，AD7477AAKSZ-500RL7芯片为U5，他们之间的连接关系如表5所示。
表5 开短路检测模块的电性连接关系
网络标号 U6 U7 U5
VCC 1 1 1
AFS 4 25 -
DVDDS 5 24 -
DOVDDS 6 23 -
AVDDS 7 22 -
VPPS 8 21 -
GND 12，27 12，27，28 2
B3 14 - -
B2 15 - -
B1 16 - -
B0 17 - -
OS_EN 18 18 -
SGND 19 10 -
S_MCLK1 20 9 -
S_MCLK2 21 8 -
S_RST 22 7 -
S_PWDN 23 6 -
S_SCL 24 5 -
S_SDA 25 4 -
TEST 28 - 3
AD_CS# - - 6
AD_D - - 5
AD_CLK - 14 4
A3 - 15 -
A2 - 16 -
A1 - 17 -
A0 - 18 -
其中，在U5中，引脚3经由电阻R90电性接地。
在U6中，引脚1经由电容C40、电容C41分别电性接地，引脚28经由电阻R9接电源VCC。
在U7中，引脚1经由电容C38、电容C39分别电性接地。
请参阅图9，图像采集平台作为整个平台PC与并口传输板卡、电流检测模块、以及开短路检测模块的数据传输的中枢板块，不但提供了多类型的不同摄像头的电压模块(其中AVDD支持3.3V、2.8V、2.5V、1.8V、1.5V、0V；DOVDD支持3.3V、2.8V、2.5V、1.8V、1.5V、0V；DVDD提供3.3V、2.8V、1.8V、1.5V、1.2V，0V)并支持每路独立断电功能、提供了双工多种类型的I2C通信模式(8位地址8位值、8位地址16位值、16位地址8位值、16位地址16位值、16位地址32位值、32位址32位值等)；提供了多种频率的摄像头产品供给时种(6.25M、12.5M、25M、50M)；支持PWDN和RESET的软件切换。该图像采集平台的主要功能将控制信号及图像信号与PC主程序的交互。
请参阅图10，软件架构为建立在PC的基础上，与并口传输板卡、电流检测模块、开短路检测模块、图像采集平台交互的主控程序，通过USB3.0的线与第四部分相连。PC负责接收处理图像数据，提取图像特征，判断产品性能等工作；同时拥有较好的人机交互界面，控制板卡以及产品的时序、控制并口传输板卡、电流检测模块、开短路检测模块、图像采集平台(分别为第一部分、第二部分、第三部分、第四部分)的工作等，以及嵌入了数据库单元，拥有对历史产品的特征数据提取、分析、挖掘功能。
软件架构采用的数据统计数据挖掘方法如图11及图12所示。首先：常规6步完成自动曝光(AE)。请参阅图11，设置数据库，数据库中写入若干产品((指本发明的图像检测装置))数据，如记录1000个产品数据。每个产品的数据是这样来的：1、测试A产品；2、提取A产品在光源下的初始亮度信息；3、控制A产品做自动曝光(如采用常规6步完成自动曝光)，达到目标亮度，提取A产品的目标时产品寄存器，也就是说提取A产品此时产品的寄存器；4、将初始亮度信息和AE完成目标亮度时的产品寄存器信息记入数据库。
之后，在后续测试产品时，请参阅图12，如待测产品B，即可2步完成AE，获取产品B当前光源初始亮度信息，搜索数据库，做数据匹配、数据挖掘处理，根据产品B的初始亮度信息在数据库中找到相匹配的产品寄存器，将这个产品寄存器(数据库中产品的产品寄存器)写入待测产品B，再微调AE。这样能两步内完成AE动作：通过数据统计形成数据库，再在数据库中的数据挖掘。
该数据统计数据挖掘方法在软件模块设计上可以设计成如下的数据统计数据挖掘装置：该数据统计数据挖掘装置包括数据统计模块和数据挖掘模块。
数据统计模块用于通过数据统计形成数据库，其包括初始亮度信息获取单元一、产品寄存器获取单元二、记录单元。初始亮度信息获取单元一用于提取测试产品在光源下的初始亮度信息；产品寄存器获取单元二用于控制测试产品做自动曝光(如采用常规6步完成自动曝光)，达到目标亮度，提取测试产品的目标时产品寄存器，也就是说提取测试产品此时产品的寄存器；记录单元用于将初始亮度信息和AE完成目标亮度时的产品寄存器信息记入数据库。反复统计至少1000个测试产品。
数据挖掘模块用于在数据库中的数据挖掘出待测产品需要的产品寄存器，其包括初始亮度信息获取单元二、搜索单元、产品寄存器获取单元二、写入单元、微调单元。初始亮度信息获取单元二用于获取待测产品的当前光源初始亮度信息；搜索单元用于搜索数据库，做数据匹配、数据挖掘处理，产品寄存器获取单元二用于根据待测产品的初始亮度信息在数据库中找到相匹配的产品寄存器；写入单元用于将这个产品寄存器(数据库中产品的产品寄存器)写入待测产品，微调单元用于根据写入的产品寄存器启动待测产品微调AE。
软件架构采用的数据统计数据挖掘方法，一旦在前期测试产品时，根据初始亮度信息建立产品寄存器的数据库之后，就方便后续待测试产品的测试，提高测试效率。
板卡壳体，如图13所示，采用铝合金外壳，属机构设计，为保护整体板卡而特别设计。外壳包括上下卡合在一起的上壳18与下壳17。并口传输板卡和图像采集平台的发热量较高的FPGA芯片通过散热硅胶片直接与壳体相连，USB3.0线与板卡接口处为避免与设备高运动时产生晃动，通过一配件15与并口传输板卡相连，配件15用于固定USB3.0线与并口传输板卡的接口部分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于并口传输板卡的图像检测装置，其包括图像采集平台、并口传输板卡；其特征在于：
该并口传输板卡通过I2C、双相机并口、GPIO口与该图像采集平台相连接；该并口传输板卡包括采用FPGA芯片一的控制单元、采用两个MC20901芯片的信号转换单元、相机驱动单元；该相机驱动单元通过该I2C下达指令并通过该GPIO口将该图像采集平台的相机的MIPI信号传入该两个MC20901芯片；该两个MC20901芯片将该MIPI信号转换成该FPGA芯片一可接收的LVDS信号；该FPGA芯片一通过解码IP核将该LVDS信号解码成拥有行同步信号的图像数据，再将该图像数据同步优化为并口传输16位或8位的图像数据并输出至该双相机并口传给该图像采集平台。
2.根据权利要求1所述的基于并口传输板卡的图像检测装置，其特征在于：FPGA芯片一采用FPGA XC6SLX45芯片，2个MC20901芯片均采用MC20901TQLMP-48芯片；FPGA芯片一与2个MC20901芯片之间的电性连接关系如下表，其中，2个MC20901芯片为MC20901芯片一与MC20901芯片二；
2 -->
3.根据权利要求2所述的基于并口传输板卡的图像检测装置，其特征在于：在MC20901芯片一中，引脚45连接电源Vcc一，还经由电容C85接地、经由电容C86接地；引脚15连接电源Vcc一，还经由电容C87接地、经由电容C88接地；引脚32电源Vcc二，还经由电容C67接地、经由电容C68接地。
4.根据权利要求2所述的基于并口传输板卡的图像检测装置，其特征在于：在MC20901芯片二中，引脚45连接电源Vcc一，还经由电容C62接地、经由电容C63接地；引脚15连接电源Vcc一，还经由电容C64接地、经由电容C65接地；引脚32电源Vcc二，还经由电容C60接地、经由电容C61接地。
5.根据权利要求1所述的基于并口传输板卡的图像检测装置，其特征在于：该GPIO口为双40引脚插排。
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