CN105933599B - 集成化多模式科学级ccd图像控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成化多模式科学级CCD图像采集控制系统及方法，包括前端采集控制模块，全局译码模块，时钟与复位模块和网络模块；网络模块主要接收上位机命令并进行命令的一级译码，为网络参数配置，则完成网络相关参数的具体配置；为非网络参数配置，则将一级译码后命令发送至全局译码模块后进行二级译码，并将送至前端采集控制模块；前端采集控制模块内部CCD驱动单元和AD配置单元用来控制CCD图像数据的采集和数模转换，数据合成单元需要将不同步的图像数据进行数据合成并发送至数据缓存与存储单元；数据缓存与存储单元将图像数据发送至网口；本发明可运行在多种工作模式下，工作模式灵活多变可调，系统集成度高。

Description

集成化多模式科学级CCD图像控制系统及方法
技术领域
本发明为一种科学级CCD图像控制系统，特别涉及一种高集成度的可运行于多种模式下并且可以进行在线参数配置的科学级CCD图像控制系统。
背景技术
在许多科学实验场景中，需要对实验中产生的图像进行精密的采集与测量，这时就对成像装置的成像指标和灵活性提出较高的要求。科学级CCD图像采集系统在图像采集方面相对于普通相机具有更高的动态范围、更好的响应非均匀性以及更高的信噪比，非常适合科学实验及科学工程中的终端光学图像采集，因此科学级CCD图像采集系统被广泛使用于各种科学实验场景中。
不过，在实际应用中发现，在某些场景中(如对高速运动的目标成像)图像采集系统需要每秒中更新较多图像而使其工作在更高的帧率下，然而另外一些场景中(如对静态物体或低速目标成像)对图像采集控制系统的输出图像质量有更高要求而对帧率要求很低，因此就需要图像采集控制系统可以工作在速率不同的采集模式下。此外，在成像过程中需要对曝光时间、增益、偏置、触发间隔、触发方式、图像输出模式等系统参数进行配置，如果不能实现在线系统参数可调，则输出的图像的质量就不能得到保障，也就达不到科学实验中对图像的精确的采集与测量的目的。通常的图像采集控制系统虽然也能进行图像参数配置，但是在采集过程中对系统模式的调节比较困难，并且容易造成系统输出图像与参数响应的不同步。
另外，现有的很多CCD相机成像系统中的采集控制部件由多块含有控制器的电路有机的级联起来，分别做图像采集驱动控制、图像存储控制、系统参数配置、接口控制工作，其系统集成度不高，成本较高，并且系统板间信号传输过程中容易引入干扰或数据丢失，系统的稳定性和可靠性有待其他技术去弥补，这样就对硬件设计带来很大压力，系统功耗和体积也会相应增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高的科学级CCD图像控制系统，在图像采集过程中能够实现工作模式可调，并且在图像采集过程中，采集系统的参数可在线进行更改。
本发明的技术解决方案是：
一种集成化多模式科学级CCD图像控制系统，其特别之处在于：包括前端采集控制模块，全局译码模块，时钟与复位模块和网络模块；
网络模块接收上位机的配置命令，对接收到的配置命令进行一级译码，对一级译码进行判断，若一级译码为网络参数配置，则网络模块修改网络参数；如果一级译码为非网络参数配置，则网络模块将一级译码后的命令发送至全局译码模块；
全局译码模块读取前端采集控制模块中各个单元参数配置动作的确认信号并接收网络模块发送的一级译码后的命令，对接收到的一级译码后的命令进行二级译码，产生前端采集控制模块中各个单元所需要的使能信号，将使能信号送至前端采集控制模块；
前端采集控制模块为控制系统的主要执行机构，包括数据缓存与存储单元、CCD驱动单元、AD配置单元、数据合成单元；各个单元接收到全局译码模块发送过来的使能信号后，该使能信号将会控制不同的功能单元进行不同的功能配置；
上述的CCD驱动单元接收全局译码模块发送的使能信号，配置CCD传感器工作参数，控制CCD传感器工作；具体负责产生CCD传感器工作所需要的驱动时钟，复位时钟以及其他使能信号；并且CCD驱动单元内部还设置一定的参数配置电路，其可以针对CCD传感器的不同工作模式需要进行相应的配置。
上述的AD配置单元接收全局译码模块发送的使能信号，配置AD数模转换器工作参数，控制AD数模转换器工作；具体负责产生AD数模转换器工作所需的采样时钟和参考时钟，这些所需时钟的时序的产生根据工作模式的不同而有所差异。
上述的数据合成单元接收全局译码模块发送的使能信号并配置读出模式，在单端读出模式下，将数据直接发送至数据缓存与存储单元；在双端读出模式下，将数据合成后发送至数据缓存与存储单元；
所述的数据缓存与存储单元接收数据合成单元发送的数据并配置回传模式，在主动回转模式下，先将数据缓存至异步FIFO中，然后将数据通过网络模块发送至物理网络端口；在被动回传模式下，先将数据存储至片外存储器，等待上位机发送的回传命令到来时将数据从片外存储器中读出并通过网络模块发送至物理网络端口；
时钟与复位模块提供整个控制系统中各个模块工作所需的工作时钟和复位信号。
上述前端采集控制模块，全局译码模块，时钟与复位模块和网络模块在单片FPGA芯片中实现。
在网络模块和全局译码模块中加入电路保护模块，使得一级译码和二级译码过程中避免控制信号在板间传输中存在的风险，提高可靠性高。
系统工作时通过上位机进行工作模式参数以及系统操作参数配置命令设置，网络模块接收到上位机命令后进行一级译码后，如果属于网络参数命令则直接在网络模块进行处理，如果不属于网络参数命令则将其送至全局译码模块进行译码，译码完之后将所产生控制使能信号送至前端采集控制模块，前端采集控制模块中各个模块接收到相关的使能信号后进行电路配置和参数调节，最终使系统工作在不同的工作模式以及不同的配置参数下。
一种集成化多模式科学级CCD图像控制方法，包括以下步骤：
1)上位机设置工作模式，然后将配置命令发送至网络物理接口；
2)网络模块在网络物理接口上监听并接收配置命令，接收后将其进行一级译码，判断一级译码，如果涉及网络工作相关的参数配置则直接在网络模块修改网络接口相关参数，否则将配置命令发送至全局译码模块；
3)全局译码模块读取前端采集控制模块中各个单元所需的使能信号并接收网络模块发送的一级译码后的配置命令，对配置命令进行二级译码，译码完成后将产生前端采集控制模块中各个单元执行所需的使能信号，将使能信号发送至前端采集控制模块；
4)前端采集控制模块中的CCD驱动单元接收全局译码模块发送过来的使能信号，配置CCD传感器工作参数，控制CCD传感器工作；AD配置单元接收全局译码模块发送过来的使能信号，配置AD数模转换器工作参数，控制AD数模转换器工作；数据合成单元接收全局译码模块发送过来的使能信号并判断单双端读出模式，在单端读出模式下，将数据直接发送至数据缓存与存储单元；在双端模式下，将数据合成后发送至数据缓存与存储单元；数据缓存与存储单元接收数据合成单元发送的数据并判断回传模式，在主动回转模式下，先将数据缓存至异步FIFO中，然后将数据通过网络模块发送至物理网络端口；在被动回传模式下，先将数据存储至片外存储器，等待上位机发送的回传命令到来时将数据从片外存储器中读出并通过网络模块发送至物理网络端口；
5)此后随时进行新的参数配置，参数配置过程中系统不停机，当所有参数配置完成后在下一帧图像采集时开始执行新的系统工作模式。
本发明的有益效果是：
1、本发明科学级CCD图像控制系统内部模块间组织结构合理，电路设计精简，系统运行时控制效率高效、精确。
2、本发明科学级CCD图像采集控制系统在单片FPGA中实现，集成度高，功耗低，体积占用小。
3、本发明科学级CCD图像控制系统可运行在多种工作模式下，如高帧率模式、低噪声模式、单端输出或者双端输出模式，主动回传或者被动回传模式等，工作模式灵活多变可调。
4、本发明科学级CCD图像控制系统能够进行在线参数调整与配置，使CCD图像采集系统可以应用在不同的科学实验场景，系统适应性强，调整方便高效。
5、本发明科学级CCD图像控制系统避免了控制信号在板间的传输中可能存在的风险，可靠性高，其中一级译码和二级译码电路中可加入电路保护模块，使得并行信号传输过程信号变化位数降低，进一步增加可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明控制系统电路组织结构框图；
图2是本发明控制系统外围电路配置结构示意图；
图3是本发明控制系统工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图2所示，是本发明控制系统外围电路配置结构示意图，本控制系统基于FPGA芯片实现，外围配合相应的AD采集芯片、CCD传感器、存储器、前置放大与预处理电路以及以太网物理层PHY芯片，以太网物理层PHY芯片、存储器、CCD传感器、AD采集芯片分别和本发明的控制系统相连，CCD传感器和AD采集芯片通过前置放大与预处理电路连通，其中前端采集控制模块中的CCD驱动单元和CCD传感器连接；AD配置单元和AD采集芯片连接；网络物理接口通过PHY芯片和网络模块连接，形成CCD相机成像系统。
如图1所示，是本发明科学级CCD图像控制系统电路组织结构图，该采集控制系统包括前端采集控制模块，全局译码模块，时钟与复位模块和网络模块。
其中，网络模块主要接收上位机命令，对命令进行一级译码以及译码后命令的发送。如果一级译码完成后发现上位机命令为网络参数配置，则网络模块直接对译码后产生的使能信号进行处理，进行相应的网络参数设置，同时将必要的控制信号送至采集控制系统外的PHY芯片使其进行相应的参数配置或调整。如果一级译码后发现为非网络参数配置则在此模块中对一级译码后的命令进行相应的转发，将其发送至全局译码模块。
全局译码模块接收来自网络模块的一级译码后的命令，对命令进行二级译码，译码后则产生前端采集控制模块中各个单元执行所需要的相关使能信号，并将使能信号送至前端采集控制模块；译码是按命令字的格式进行解释的，命令字的格式根据不同的系统可以进行不同的设计。
前端采集控制模块为采集控制系统的主要执行机构，主要分为数据缓存与存储单元，CCD驱动单元，AD配置单元和数据合成单元。其中CCD驱动单元接收全局译码模块发送的命令，控制CCD传感器工作，其内部设置一定的参数配置电路，主要负责产生CCD传感器工作所需要的各种驱动时钟，复位时钟以及其他使能信号，参数配置电路可以根据对CCD输出时序的不同要求进行相应的配置；AD配置单元接收全局译码模块发送的命令，控制AD数模转换器工作，主要产生AD数模转换器工作所需的采样时钟和参考时钟，时钟的时序输出也是根据不同的工作模式进行不同的配置；数据合成模块接收全局译码模块发送的命令，需要将不同端口(在双端模式输出时)输出图像数据或者AD转换后时序不同步的图像数据进行数据合成并发送至数据缓存与存储单元；数据缓存与存储单元接收数据合成模块发送的数据，主要将数字图像像素数据进行缓存或存储，在主动回传模式下，直接将缓存数据通过网络模块发送至物理网络端口；在被动回传模式下，等待回传命令到来时将图像数据通过网络模块发送至物理网络端口。
时钟与复位模块提供整个采集控制系统中各个模块工作所需的工作时钟和复位信号，是各个模块电路工作的基础。其包括时钟信号产生电路与复位信号产生电路，分别针对系统不同模块中的时钟需求和复位信号的需求进行相应的设计以保障整个系统有序运行。
如图3所示，是本发明控制系统的工作流程图，具体工作流程如下：
1)系统上电开始运行后，先通过上位机进行不同的工作模式配置，然后将工作模式参数发送至网络物理接口，网络模块在网络物理接口上监听上位机发送的工作模式配置命令并进行接收，接收后将其进行一级译码，如果是涉及网络工作相关的参数配置则直接在网络模块进行译码并执行，如果不是网络参数配置则将配置命令发送至全局译码模块；
2)全局译码模块接收到配置命令后，对配置命令进行二级译码，译码完成后将产生前端采集控制模块中各个单元执行所需的使能信号，同时将这些使能信号送至前端采集控制模块；
3)前端采集控制模块接收到全局译码模块发送过来的使能信号后进行相关功能单元的工作模式参数配置，经过配置，前端采集控制模块中的各个单元在配置的工作模式下执行；
CCD驱动单元接收全局译码模块发送的使能信号，控制CCD传感器工作，
AD配置单元接收全局译码模块发送的使能信号，控制AD数模转换器工作；
数据合成单元接收全局译码模块发送的使能信号并配置读出模式，在单端读出模式下，将数据直接发送至数据缓存与存储单元；在双端读出模式下，将数据合成后发送至数据缓存与存储单元；
数据缓存与存储单元接收数据合成单元发送的数据并配置回传模式，在主动回转模式下，先将数据缓存至异步FIFO中，然后将数据通过网络模块发送至物理网络端口；在被动回传模式下，先将数据存储至片外存储器，等待上位机发送的回传命令到来时将数据从片外存储器中读出并通过网络模块发送至物理网络端口。
4)在进行工作模式配置之后，可以进行具体的系统操作参数配置，具体参数如曝光时间、AD增益、AD偏置、采集动作、触发模式等参数配置过程同样按照以上1-3的流程进行，具体AD增益和AD偏置参数配置在前端采集控制模块的AD配置单元中完成；曝光时间、触发模式及采集动作参数配置在前端采集控制模块的CCD驱动单元中完成；参数配置过程中系统不停机，当所有参数配置完成后在下一帧图像采集时开始执行新的系统工作参数。
采集开始后，根据不同的触发模式进行数据的采集，并进行AD转换得到二进制数字图像数据，之后再根据回传模式的不同进行图像数据的缓存或存储。

Claims (4)

1.一种集成化多模式科学级CCD图像控制系统，其特征在于：包括前端采集控制模块，全局译码模块，时钟与复位模块和网络模块；
网络模块接收上位机的配置命令，对接收到的配置命令进行一级译码，对一级译码进行判断，若一级译码为网络参数配置，则网络模块修改网络参数；如果一级译码为非网络参数配置，则网络模块将一级译码后的命令发送至全局译码模块；
全局译码模块读取前端采集控制模块中各个单元参数配置动作的确认信号并接收网络模块发送的一级译码后的命令，对接收到的一级译码后的命令进行二级译码，产生前端采集控制模块中各个单元所需要的使能信号，将使能信号送至前端采集控制模块；
前端采集控制模块包括数据缓存与存储单元、CCD驱动单元、AD配置单元和数据合成单元；
所述的CCD驱动单元接收全局译码模块发送的使能信号，配置CCD传感器工作参数，控制CCD传感器工作；
所述的AD配置单元接收全局译码模块发送的使能信号，配置AD数模转换器工作参数，控制AD数模转换器工作；
所述数据合成单元接收全局译码模块发送的使能信号并配置读出模式，在单端读出模式下，将数据直接发送至数据缓存与存储单元；在双端读出模式下，将数据合成后发送至数据缓存与存储单元；
所述的数据缓存与存储单元接收数据合成单元发送的数据并配置回传模式，在主动回转模式下，先将数据缓存至异步FIFO中，然后将数据通过网络模块发送至物理网络端口；在被动回传模式下，先将数据存储至片外存储器，等待上位机发送的回传命令到来时将数据从片外存储器中读出并通过网络模块发送至物理网络端口；
时钟与复位模块提供各个模块工作所需的工作时钟和复位信号。
2.根据权利要求1所述的集成化多模式科学级CCD图像控制系统，其特征在于：所述前端采集控制模块，全局译码模块，时钟与复位模块和网络模块在单片FPGA芯片中实现。
3.根据权利要求1所述的集成化多模式科学级CCD图像控制系统，其特征在于：还包括多个电路保护模块，增加一级译码和二级译码传输信号的可靠性和稳定性。
4.一种集成化多模式科学级CCD图像控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)上位机设置工作模式，然后将配置命令发送至网络物理接口；
2)网络模块在网络物理接口上监听并接收配置命令，接收后将其进行一级译码，判断一级译码，如果涉及网络工作相关的参数配置则直接在网络模块修改网络接口相关参数，否则将配置命令发送至全局译码模块；
3)全局译码模块读取前端采集控制模块中各个单元所需的使能信号并接收网络模块发送的一级译码后的配置命令，对配置命令进行二级译码，译码完成后将产生前端采集控制模块中各个单元执行所需的使能信号，将使能信号发送至前端采集控制模块；
4)前端采集控制模块中的CCD驱动单元接收全局译码模块发送过来的使能信号，配置CCD传感器工作参数，控制CCD传感器工作；AD配置单元接收全局译码模块发送过来的使能信号，配置AD数模转换器工作参数，控制AD数模转换器工作；数据合成单元接收全局译码模块发送过来的使能信号并配置单双端读出模式参数，在单端读出模式下，将数据直接发送至数据缓存与存储单元；在双端模式下，将数据合成后发送至数据缓存与存储单元；数据缓存与存储单元接收数据合成单元发送的数据并配置回传模式参数，在主动回转模式下，先将数据缓存至异步FIFO中，然后将数据通过网络模块发送至物理网络端口；在被动回传模式下，先将数据存储至片外存储器，等待上位机发送的回传命令到来时将数据从片外存储器中读出并通过网络模块发送至物理网络端口；
5)此后随时进行新的参数配置，参数配置过程中系统不停机，当所有参数配置完成后在下一帧图像采集时开始执行新的系统工作模式。
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