CN105187701A - 分光计电子显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学实验装置，具体涉及一种分光计显示系统，基于FPGA的能够采集、处理Camera？Link视频信号，并支持VGA、CVBS两种视频接口的显示系统。本发明提出采用Camera？Link接口的CCD相机，其视频信号具有高分辨率、高传输速度、图像处理灵活、通信协议简单、传输接口结构易于实现等优点，同时FPGA作为可编程逻辑器件具有高速处理数据的能力，可以利用其对采集的视频信号进行高速处理。该系统具有集成度高，设计修改灵活、成像显示清晰和便携性好等优点。

Description

分光计电子显示系统

技术领域

本发明属于教学实验装置，具体涉及一种分光计显示系统，一种基于FPGA的能够采集、处理CameraLink视频信号，并支持VGA、CVBS两种视频接口的显示系统。

背景技术

分光计是大学物理实验教学的基本实验装置之一，用来观察光谱和测量折射率、光波波长和色散率等。分光计实验装置构造复杂，装置较为精密，调节难度大，调整过程对观测结果的精确度有一定影响，而操作者只能通过目镜单眼观察图像，可视化范围小，不方便观测，操作效率低，很难进行教学演示，长时间的小范围观测也容易导致操作者视觉疲劳。

对此有人曾提出将CCD相机通过连接器与分光计上的目镜固定连接，构成带有CCD摄像系统的分光计的方法，通过电脑显示屏观测图像的显示系统。在实际操作过程中该种系统存在成像含噪、图像模糊、测量时谱线区分度不高、移动性差等缺点，无法达到精确测量的要求。因此CCD采集的图像信息需要经过一定的处理才能达到实验需求。

本发明提出采用CameraLink接口的CCD相机，其视频信号具有高分辨率、高传输速度、图像处理灵活、通信协议简单、传输接口结构易于实现等优点，同时FPGA作为可编程逻辑器件具有高速处理数据的能力，可以利用其对采集的视频信号进行高速处理。该系统具有集成度高，设计修改灵活、成像显示清晰和便携性好等优点。

发明内容

为解决现有分光计存在的上述问题，本发明提供了一种分光计电子显示系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：选用彩色CameraLink工业数字相机并搭配合适孔径、焦距的光学镜头，使用高性能的FPGA作为核心芯片搭建嵌入式系统平台处理相机数据。系统前端对相机输出的CameraLink信号进行采集并缓冲，在FPGA内部完成像素色彩空间的转换、图像滤波去噪点，系统后端通过CVBS接口和VGA接口双通道输出图像。在使用过程中根据显示的亮度效果，手动调节积分时间，由FPGA生成的控制电路模块通过CameraLink接口向相机发出控制指令，解决图像过饱和问题。

所述系统前端光学镜头与分光计目镜通过连接器固定连接；依据CameraLink协议编写相机串口通信程序，配置相机的工作模式；研究相机视频图像输出时序，根据视频控制信号采集相机输出的图像数据，将CameraLink接口中的同步信号以及视频信号接入FPGA中，连接至SDRAM控制模块，控制两片SDRAM进行乒乓操作，完成视频数据的缓存。SDRAM控制模块由输入模块、输出模块、寻址模块以及状态转换模块四个部分构成。输入模块中包括一个高速FIFO，根据同步信号判断视频数据中的有效数据，将有效数据输入FIFO中，进行高速视频数据的缓存；状态转换模块是一有限状态机，将其与两片SDRAM的WE、RAS、CAS、CS控制接口以及地址接口相连，两片SDRAM在其控制下完成模式寄存器的设置以及读写状态的转换；寻址模块为两组计数器，用于生成两组地址即读地址和写地址；在状态控制模块的控制下，写地址用于将视频数据从FIFO中读出并写入一片SDRAM，读地址用于对另一片SDRAM中数据的读出；读出的数据将通过输出模块高速输出。当一片SDRAM完成原有一帧数据的读操作（或写操作），同时另一片SDRAM完成对新一帧数据的写操作（或读操作）后，两片SDRAM将在状态转换模块的控制下进行读写状态的转换，这样在两片SDRAM的读写转换过程中完成一帧甚至多帧数据的缓存工作。

缓存后对图像数据转换像素色彩空间，然后利用改进的数字图像中值滤波算法对数据进行处理。该算法在普通的中值滤波基础上，添加了阈值比较环节，更多地保留图像的细节部分。阈值比较通过确定一个阈值T，对排序窗口的中值g(x,y)和中心点值f(x,y)作差，若|g(x,y)-f(x,y)|大于等于阈值T，则认为图像中该点为噪声，进行中值滤波；若该值小于阈值T，则该点为有效值，不应处理。该算法通过VHDL语言实现并移至FPGA生成滤波电路模块，该滤波算法模块包括模板生成模块、使能模块、排序模块和阈值比较模块。模板生成模块由3块移位寄存器组和2个FIFO组成，用来存储图像的一行数据，配合使能控制模块生成3*3的滤波处理窗口；使能控制模块负责控制模板生成模块、排序模块和阈值比较模块的使能；排序模块采用一种新的排序思想取中值，对于9个数据，采用一个QUOTE位寄存器来存储，来标识这9个数中某两位数的大小关系，统计完成后，序号为4的数即为中值；阈值比较模块在使能排序模块之后，将窗口的中心点数据用两个移位寄存器存储，等待排序完成，再对该数据和排序后的中值进行比较，根据是否满足阈值条件，来决定是否输出该中心点数据。最后把数字图像数据经过D/A芯片转换为模拟视频信号，分别通过CVBS接口和VGA接口输出显示：其中ADV7343支持多种输出模式，不同的工作方式是由内部寄存器控制的，而寄存器的值需要通过I²C通信进行配置。FPGA没有专门的I²C通信接口，但可以通过I/O口模拟I²C，从而实现FPGA与ADV7343之间的通信；将芯片的数据输入引脚与FPGA的I/O口相连，利用FPGA输出YUV色空间信号以及同步信号，将FPGA的时钟通过锁相环倍频后输出至芯片，为ADV7343提供时钟信号，输出端连接CVBS接口，完成CVBS标准输出；对于VGA接口的输出，本发明采用RGB888的色空间实现VGA的彩色显示，将ADV7123的三路十位数字信号输入采用高位对齐的方式与FPGA的三路RGB888彩色信号输出I/O口相连，将FPGA的时钟倍频后输出至芯片，为D/A转换提供时钟信号，芯片输出的RGB模拟信号连接VGA的RGB信号线，将FPGA的I/O口与VGA的同步信号输入引脚相连，通过FPGA产生同步信号，完成VGA标准的输出显示。

本发明的有益效果是，该显示系统使分光计调节实验变得形象直观，解决了现有分光计显示系统在成像模糊、成像十字叉丝锐度不够、谱线区分度不高等方面的问题，不仅解放了人眼，提高了实验操作效率，而且也对其他光学实验仪器设计有指导意义。

附图说明

图1为本发明结构示意图；图2为本发明系统整体设计框图。

上述图中，1.分光计，2.分光计目镜，3.连接器，4.光学镜头，5.彩色CameraLink工业数字相机，6.三脚架，7.FPGA处理系统，8.电源，9.显示器，10.分光计，11.彩色CameraLink工业数字相机，12.相机控制模块，13.SDRAM控制模块，14.滤波算法模块，15.视频编码模块，16.FPGA处理系统，17.ADV7343编码器，18.CVBS接口，19.ADV7123编码器，20.VGA接口，21.SDRAM数据存储模块，22.手动调光按键；图1所示1分光计及图2所示10分光计与现有技术中的分光计一致。

具体实施方式

本发明提供一套分光计电子显示系统，具体实施方式为：将彩色CameraLink工业数字相机5置于三脚架6上，调至合适高度，使分光计目镜2通过连接器3与光学镜头4相连，通过传输LVDS低压差分信号的线缆将相机的CameraLink接口与FPGA处理系统7连接，连接电源8，接好CVBS接口18和VGA接口20，打开相机电源以及FPGA电源，在显示器9上观察图像，根据CCD相机传来的图像调节分光计1。

其系统方案如图2所示，首先对彩色CameraLink工业数字相机11的工作模式进行配置，采集图像数据，将同步信号以及视频信号接入FPGA处理系统16中，连接至SDRAM控制模块13，将SDRAM控制模块13内部的状态转换模块、寻址模块、输入输出模块分别连接至SDRAM数据存储模块RAS、CAS、CS、WE、A10、地址接口A0~A11和数据接口（I/O），轮流读写两片SDRAM，完成视频数据的无缝缓冲与处理。在FPGA处理系统16内部编程将Bayer模式的色彩空间转换为RGB和YUV色彩空间的图像数据，然后数据经滤波算法模块14采用加入阈值比较的中值滤波算法完成图像数据降噪预处理；最后将数字图像数据经视频编码模块15输出至D/A芯片进行模拟转换，其中BT.656数据流输出至ADV7343编码器17得到CVBS标准彩色模拟信号，RGB信号输出至ADV7123编码器19得到VGA标准彩色模拟信号，最后协同FPGA的同步信号，分别输出至CVBS接口18和VGA接口20实现图像显示功能。在图像显示出来后，可以根据图像的亮度需求，调节手动调光按键22，FPGA系统接受指令，通过相机控制模块12调整曝光时间，解决过饱和问题。

分光计1调节首先目视粗调，调节三个螺钉使载物盘的表面、望远镜和平行光管的光轴近似与仪器的中心转轴垂直，然后用自准直法调节望远镜光轴与中心转轴垂直，将望远镜调焦到无穷远，最后调整平行光管，使发出的平行光垂直仪器主轴。在仪器的使用过程中，实验灯光将从平行光管的狭缝中平行地照射至分光计1载物台上的光学仪器上，如三棱镜、光栅等，此时用望远镜与CCD相机观察平行光管，可以在显示屏幕中心看到狭缝光，然后旋转望远镜与CCD相机，将会在不同的角度观察到不同的狭缝光的衍射像、折射像或干涉像，完成各类测角工作后，实验完成。

Claims (1)

1.分光计电子显示系统，其特征是：将彩色CameraLink工业数字相机（5）置于三脚架（6）上，调节高度，使分光计目镜（2）通过连接器（3）与光学镜头（4）相连，通过传输LVDS低压差分信号的线缆将相机的CameraLink接口与FPGA处理系统（7）连接，连接电源（8），接好CVBS接口(18)和VGA接口(20)，打开相机电源以及FPGA电源，在显示器(9)上观察图像，根据CCD相机传来的图像调节分光计(1)，

首先对彩色CameraLink工业数字相机(11)的工作模式进行配置，采集图像数据，将同步信号以及视频信号接入FPGA处理系统(16)中，连接至SDRAM控制模块(13)，将SDRAM控制模块(13)内部的状态转换模块、寻址模块、输入输出模块分别连接至SDRAM数据存储模块RAS、CAS、CS、WE、A10、地址接口A0~A11和数据接口I/O，轮流读写两片SDRAM，在FPGA处理系统(16)内部编程将Bayer模式的色彩空间转换为RGB和YUV色彩空间的图像数据，然后数据经滤波算法模块(14)采用加入阈值比较的中值滤波算法完成图像数据降噪预处理；再将数字图像数据经视频编码模块(15)输出至D/A芯片进行模拟转换，其中BT.656数据流输出至ADV7343编码器(17)得到CVBS标准彩色模拟信号，RGB信号输出至ADV7123编码器(19)得到VGA标准彩色模拟信号，最后协同FPGA的同步信号，分别输出至CVBS接口(18)和VGA接口(20)实现图像显示功能，在图像显示出来后，调节手动调光按键(22)，FPGA系统接受指令，通过相机控制模块(12)调整曝光时间，解决过饱和问题，

分光计(1)调节首先目视粗调，调节三个螺钉使载物盘的表面、望远镜和平行光管的光轴近似与仪器的中心转轴垂直，然后用自准直法调节望远镜光轴与中心转轴垂直，调焦到无穷远，最后调整平行光管，使发出的平行光垂直仪器主轴，能够在显示屏幕中心看到狭缝光，旋转望远镜与CCD相机，能够在不同的角度观察到不同的狭缝光的衍射像、折射像或干涉像。