CN114584708A - 一种基于单片fpga的多功能工业相机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单片FPGA的多功能工业相机系统，包括图像传感器控制模块、图像采集模块、FPGA处理模块和通信传输模块，图像采集模块包括图像传感器；图像传感器控制模块利用FPGA对图像传感器的工作模式进行实时控制；图像采集模块利用图像传感器采集图像，通过图像传感器数据接口将像素数据传输到FPGA处理模块；FPGA处理模块对接收的像素数据依次实现图像解码功能、图像翻转功能和硬件ISP功能后发送给通信传输模块，还实现软件触发、相机自检和在线升级功能；通信传输模块利用FPGA以及千兆以太网/USB3.0通用总线实现工业相机和上位机的实时通信与高速图像数据传输。该系统的图像处理速度显著提高、系统稳定性更高、降低实施成本和扩展了工业相机的应用场景。

Description

一种基于单片FPGA的多功能工业相机系统
技术领域
本发明涉及嵌入式机器视觉技术领域，具体涉及一种基于单片FPGA的多功能工业相机系统。
背景技术
目前商用和工业领域的相机种类繁多，不同型号相机的图像分辨率、输出接口、接口数目和数据位宽都不相同，在相机的研发过程中需要采用不同的图像采集卡对不同型号相机的图像进行检测与采集，增加了相机研制的成本和时间。
目前机器视觉系统采用FPGA(现场可编程门阵列)完成时序控制和图像预处理功能，大量高性能的图像处理功能都由附加的DSP或者GPU来实现，甚至某些图像处理由计算机处理。这种复杂的实现方法会由于FPGA与DSP/GPU的双处理器结构而被制成一个整体大板，使得相机的整体尺寸变大、重量变重，对于一些对空间尺寸和重量要求高的特点工业应用领域难以适应；另外增加DSP或者GPU也会增加相机制造成本，不利于工业相机的推广；采用上层的计算机软件实现算法不如硬件电路实现算法的速度快，因此对一些图像处理速度有较高要求的场合不太适用，对图像传感器输出带宽大的系统更是难以胜任。
目前工业相机主要使用千兆以太网、USB3.0、CoaXPress、Camera Link接口进行传输，其中千兆以太网传输速率为1Gbps，USB3.0最快速率为5Gbps，CoaXPress最快是6250Mbps。 USB及CoaXPress采用的是电缆传输模式，无法满足长距离传输的要求。CoaXPress和Camera Link一般使用特殊采集卡，成本极高。
公开号为CN104284065A的专利说明书公开了一种工业智能相机，包括成像模块、主控制模块、传输模块、电源模块和存储模块，所述成像模块包括CMOS图像传感器，所述主控制模块为FPGA芯片，所述主控制模块包括图像采集控制模块、图像预处理模块、图像高级处理模块、传输控制模块和存储控制模块，所述图像采集控制模块用于配置CMOS图像传感器的功能，并对CMOS图像传感器输出的图像数据进行时序控制，所述图像预处理模块用于图像预处理操作，所述图像高级处理模块用于图像高级处理操作，所述传输控制模块用于控制图像预处理模块、图像高级处理模块与传输模块的衔接，以及将经过预处理或高级处理后的图像传递给传输模块，所述传输模块通过千兆以太网接口或CameraLink接口连接远程上位机或执行系统，将FPGA传输控制模块输出的处理后图像传递给远程上位机或执行系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单片FPGA的多功能工业相机系统，该系统的图像处理速度显著提高、系统稳定性更高、降低实施成本和扩展了工业相机的应用场景。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于单片FPGA的多功能工业相机系统，包括图像传感器控制模块、图像采集模块、FPGA处理模块和通信传输模块，所述图像采集模块包括图像传感器；
所述图像传感器控制模块利用FPGA实时控制图像传感器的工作模式；
所述图像采集模块利用图像传感器采集图像，通过图像传感器数据接口将像素数据传输到FPGA处理模块中；
所述FPGA处理模块对接收的像素数据依次实现图像解码功能、图像翻转功能和硬件ISP 功能后发送给通信传输模块，还实现软件触发、相机自检和在线升级功能；
所述通信传输模块利用FPGA以及千兆以太网/USB3.0通用总线实现工业相机和上位机的实时通信与高速数据传输。
所述图像传感器控制模块利用FPGA解析上位机发送的控制命令，通过SPI接口/I2C接口配置图像传感器的寄存器；所述图像传感器控制模块发送驱动时钟和不同的驱动信号，使图像传感器在设定模式下稳定工作。
作为优选，所述图像传感器为CMOS图像传感器。图像采集模块利用CMOS图像传感器采集图像，并通过图像传感器支持的数据接口将像素数据传输到FPGA处理模块中。
所述上位机发送控制命令控制FPGA处理模块执行图像翻转、硬件ISP、软件触发、相机自检和在线升级功能。
所述FPGA处理模块的图像解码功能利用FPGA搭建各种数据接口的解码电路，实现不同数据接口、不同通道数、不同位宽的像素数据解码，得到稳定对齐的并行图像数据。
所述FPGA处理模块的图像翻转功能包括硬件ROI(Region of Interest)和图像镜像翻转，实现图像翻转功能；硬件ROI根据上位机设置输出图像感兴趣区域的像素；图像镜像翻转实现任意分辨率图像的镜像翻转。
所述FPGA处理模块的硬件ISP功能包括：黑电平校正、镜头阴影校正、颜色插值、自动曝光、自动白平衡、颜色校正、伽马校正、视频图像降噪、视频图像锐化和宽动态。
所述FPGA处理模块的软件触发功能实现工业相机在视频模式/触发模式切换，在触发模式下上位机通过点击N次软件触发按钮，即可捕获到N帧图像。
所述FPGA处理模块的相机自检功能利用FPGA内部电路产生的不同形式的测试图像，针对不同的故障现象输出不同的测试图像，实现工业相机故障的精准定位。
所述FPGA处理模块的在线升级功能解析千兆以太网/USB3.0通用总线传输来的升级数据包，对工业相机中FPGA芯片的Flash存储器数据进行升级替换。
所述通信传输模块的千兆以太网接口/USB3.0通用总线接口实现工业相机和上位机的高速连接，所述上位机通过千兆以太网接口/USB3.0通用总线将图像传感器控制命令传输给图像传感器控制模块，将FPGA控制命令/升级数据包传输到FPGA处理模块，FPGA处理模块将处理后的图像数据高速传输到上位机。
所述通信传输模块包括千兆以太网控制器，采用FPGA实现，由UDP Core模块和千兆以太网MAC模块组成，通过硬件逻辑实现IP、ARP、UDP协议的数据包的封装和解析，遵循AXI4-Memory Map接口规范和RGMII接口规范；千兆以太网控制器将相机图像数据封装成UDP协议的格式，通过千兆以太网进行图像数据传输；千兆以太网控制器在网络丢包的情况下满足网络包重发需求。
所述UDP Core模块包括寄存器单元模块、数据发送模块和数据接收模块，寄存器单元模块用于存放控制和状态信息，通过AXI4-Memory Map接口规范映射为可供CPU读写的寄存器，CPU通过对不同寄存器的访问实现对UDP Core模块的直接控制和对千兆以太网MAC模块的间接控制；数据发送模块使用FIFO将待发送数据包转换时钟域，并将数据包转换成符合千兆以太网传输规范的UDP数据包，经FIFO缓存后发送给千兆以太网MAC模块。
所述千兆以太网MAC模块将UDP数据包封装为符合以太网协议规范的以太网帧，并对 PHY芯片进行管理和控制。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、为了满足日益增长的图像传感器的输出带宽，在不降低视频帧速率的条件下，本发明采用FPGA芯片实现硬件ISP功能，FPGA中的各个计算单元之间及计算单元内部的各个模块之间采用流水线并行处理，与DSP、GPU和上位机的软件算法相比，图像处理速度显著提高，系统稳定性更高，可移植性更强，降低了研发和生产的成本。
2、采用FPGA实现在线升级功能，可以接受并解析千兆以太网/USB发送的升级数据包，对FPGA的Flash进行重新烧写，克服了目前通过专用下载线对工业相机进行升级所带来的灵活性差、反复拆卸安装工业相机、实施成本高的缺点。
3、本发明提供千兆以太网接口和USB3.0通用总线接口进行高速通行和数据传输，解决了USB3.0传输距离短和千兆以太网传输速率不高的问题，用户可根据需求选择其中的一种接口，扩展了工业相机的应用场景。同时千兆以太网可以升级成万兆以太网，为未来工业相机的通信升级奠定基础。
附图说明
图1为实施例的基于单片FPGA的多功能工业相机系统模块示意图；
图2为实施例的FPGA处理模块功能示意图；
图3为实施例的FPGA处理模块的硬件ISP功能的流程示意图；
图4为实施例的FPGA处理模块的软件触发功能的流程示意图；
图5为实施例的千兆以太网控制器的模块示意图；
图6为实施例的相机自检功能的测试图像1；
图7为实施例的相机自检功能的测试图像2；
图8为实施例的相机自检功能的测试图像3；
图9为实施例的相机自检功能的测试图像4。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例的基于单片FPGA的多功能工业相机系统模块如图1所示，由图像传感器控制模块1、图像采集模块2、FPGA处理模块3和通信传输模块4组成。图像传感器控制模块1利用FPGA解析上位机5发送的控制命令，通过SPI接口/I2C接口配置图像传感器的寄存器。图像传感器控制模块1通过GPIO发送驱动时钟和不同的驱动信号，使图像传感器在设定模式下稳定工作。图像采集模块2利用CMOS图像传感器采集图像，并通过图像传感器的数据接口将像素数据传输到FPGA处理模块3中；FPGA处理模块3实现图像解码、图像翻转、硬件ISP、软件触发、相机自检和在线升级等功能，并将处理后的数据发送给通信传输模块4 中；通信传输模块4利用千兆以太网/USB3.0通用总线实现相机和上位机5的实时通信与高速数据传输。
如图2所示，FPGA处理模块3实现图像解码功能301、图像翻转功能302、硬件ISP功能303、软件触发功能304、相机自检功能305和在线升级功能(在线更新功能)306等。
当前图像传感器的数据接口有LVDS接口、MIPI接口、CSI-2接口等，FPGA处理模块3的图像解码功能301利用FPGA搭建各种数据接口的解码电路，实现不同数据接口、不同通道数、不同位宽的高效像素数据解码，得到稳定对齐的Bayer格式图像数据。
FPGA处理模块3的图像翻转功能302包括硬件ROI(Region of Interest)和图像镜像模块，硬件ROI根据用户要求选择输出图像感兴趣区域的像素，图像镜像翻转使用FPGA内部的Block RAM资源实现任意分辨率图像的镜像翻转。
FPGA处理模块3的硬件ISP功能303如图3所示，由图像解码功能301解析出的Bayer格式图像数据，选择性的经过图像翻转功能302处理后进入硬件ISP功能303。图像在Bayer格式下完成黑电平校正和镜头阴影校正，Bayer格式图像通过颜色插值转换为RGB格式图像，图像在RGB格式下完成自动曝光、自动白平衡、颜色矩阵校正和伽马校正，再通过RGB toYUV模块转换为YUV格式图像，图像在YUV格式下完成和图像视频降噪、视频图像锐化和宽动态后，最后将ISP处理后的数据发送给通信传输模块4。
FPGA处理模块3的软件触发功能304如图4所示，具体步骤如下：
(1)工业相机系统上电初始化；
(2)工业相机按照默认设置进入视频模式，实时监控图像，可切换不同的视频工作模式；
(3)当工业相机接收到上位机的“进入触发工作模式”指令后，软件触发功能将相机从视频模式切换到触发模式，相机停止工作并保持在设定的工作状态下；
(4)上位机5可以通过点击N次软件触发按钮，工业相机接收到N次触发信号后，软件触发功能304向CMOS图像传感器发送N帧的驱动信号，上位机5从而获到N帧图像；
(5)若上位机5继续发送触发信号，工业相机即可捕获相应时刻的图像，否则相机持续工作在触发模式；若相机接受到上位机的“进入视频模式”指令后，则回到步骤(2)中的设定的视频工作模式下；
(6)重复步骤(1)～(5)，直至用户关闭工业相机。
FPGA处理模块3的相机自检功能305利用FPGA内部电路产生的不同分辨率、不同形式的测试图像，针对不同的故障现象输出不同的测试图像，实现工业相机故障的精准定位，具体图像是：
图像1：每列像素值相同，每行像素的第一个像素点数值为0，其他像素点依次加2，如图6所示；
图像2：灰度渐变横条纹，如图7所示；
图像3：灰度渐变竖条纹，如图8所示；
图像4：灰度渐变斜条纹，如图9所示。
FPGA处理模块3的在线升级功能306可以解析千兆以太网/USB3.0通用总线传输来的升级数据包，对工业相机中FPGA芯片的Flash存储器数据进行升级替换。
通信传输模块4的千兆以太网接口/USB3.0通用总线接口实现工业相机和上位机5的高速连接，上位机5通过千兆以太网接口/USB3.0通用总线将图像传感器控制命令传输给图像传感器控制模块1，将FPGA控制命令/升级数据包传输到FPGA处理模块3，FPGA处理模块3将处理后的图像数据高速传输到上位机5；工业相机通过USB3.0接口获得5V的电源，或者由外部电源供电；本发明的USB3.0接口也能兼容USB2.0通用总线。
通信传输模块4的千兆以太网接口如图5所示，由FPGA内部实现的千兆以太网控制器与外接一片千兆以太网物理层PHY芯片403组成。千兆以太网控制器由UDP Core模块401和千兆以太网MAC模块402组成，通过硬件逻辑实现IP、ARP、UDP协议的数据包的封装和解析，遵循AXI4-Memory Map接口规范和RGMII接口规范。千兆以太网控制器能够将相机图像数据封装成UDP协议的格式，通过千兆以太网进行图像数据传输。本千兆以太网控制器可在网络丢包的情况下满足网络包重发需求。
千兆以太网UDP Core控制模块401包括寄存器单元模块、数据发送模块和数据接收模块。寄存器单元模块用于存放控制和状态信息，这些寄存器通过AXI4-Memory Map接口规范映射为可供CPU读写的寄存器，CPU通过对不同寄存器的访问实现对UDP Core控制模块的直接控制401和对MAC模块402的间接控制；数据发送模块使用FIFO将待发送数据包转换为自己的时钟域，并将数据包转换成符合千兆以太网传输规范的UDP数据包，经FIFO缓存后发送给MAC模块402。千兆以太网MAC模块402将UDP数据包封装为符合以太网协议规范的以太网帧，并对PHY芯片402进行管理和控制。
本实施方式中，CMOS图像传感器为Sony公司的IMX269芯片，其最大输出分辨率为5280×3956，支持12/8/6路LVDS输出和12位/10位两种数据位宽，每路LVDS通道最高输出速率为648MHz，最大分辨率下的最快帧率为27.27fps。FPGA芯片为Xilinx公司的Spartan-6XC6SLX150T芯片，是一款低成本高容量的FPGA，采用45nm低功耗敷铜技术，能在功耗、性能、成本之间很好的平衡。Spartan-6芯片有147443个逻辑单元、4.8Mbit片内Block RAM、 180个第二代DSP48A21片、4个数据量高达800Mb/s的DDR接口、支持多电平标准的SelectIO 技术和速率最高可达3.2Gbps的高速串行收发器GTP接口。FPGA内部实现的千兆以太网控制器与外接一片千兆以太网物理层PHY芯片Alaska 88E1510组成千兆以太网接口，接收图像数据带宽最高可达1Gb/s，保证了图像数据和指令的高速传输；USB3.0芯片选用Cypress公司的CYUSB3014-BZXI，该芯片的最大理论传输带宽为5Gb/s，符合本工业相机对传输带宽的要求。
本发明提供的基于单片FPGA的多功能工业相机系统具有功能集成度高、性价比高、提供有线高速通信和无线远程通信等优点。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (11)

1.一种基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，包括图像传感器控制模块、图像采集模块、FPGA处理模块和通信传输模块，所述图像采集模块包括图像传感器；
所述图像传感器控制模块利用FPGA对图像传感器的工作模式进行实时控制；
所述图像采集模块利用图像传感器采集图像，通过图像传感器数据接口将像素数据传输到FPGA处理模块；
所述FPGA处理模块对接收的像素数据依次实现图像解码功能、图像翻转功能和硬件ISP功能后发送给通信传输模块，还实现软件触发、相机自检和在线升级功能；
所述通信传输模块利用FPGA以及千兆以太网/USB3.0通用总线实现工业相机和上位机的实时通信与高速图像数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述图像传感器控制模块利用FPGA对图像传感器的工作模式进行实时控制的方法为：所述图像传感器控制模块利用FPGA解析上位机发送的控制命令，通过SPI接口/I2C接口配置图像传感器的寄存器；所述图像传感器控制模块发送驱动时钟和不同的驱动信号，使图像传感器在设定模式下稳定工作。
3.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述FPGA处理模块的图像解码功能利用FPGA搭建各种数据接口的解码电路，实现不同数据接口、不同通道数、不同位宽的像素数据解码，得到稳定对齐的并行图像数据。
4.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述FPGA处理模块的图像翻转功能包括硬件ROI和图像镜像翻转，实现图像翻转功能；
所述硬件ROI根据上位机设置输出图像感兴趣像素区域；
所述图像镜像翻转实现任意分辨率图像的镜像翻转。
5.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述FPGA处理模块的硬件ISP功能包括：黑电平校正、镜头阴影校正、颜色插值、自动曝光、自动白平衡、颜色校正、伽马校正、视频图像降噪、视频图像锐化和宽动态。
6.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，FPGA处理模块的相机自检功能利用FPGA内部电路产生的不同形式的测试图像，针对不同的故障现象输出不同的测试图像，实现工业相机故障的精准定位。
7.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述FPGA处理模块的在线升级功能解析千兆以太网/USB3.0通用总线发送的升级数据包，对工业相机中FPGA芯片的Flash存储器数据进行升级替换。
8.根据权利要求1所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述通信传输模块通过千兆以太网接口/USB3.0通用总线将上位机控制命令传输给图像传感器控制模块，将FPGA控制命令/升级数据包传输到FPGA处理模块；FPGA处理模块通过通信传输模块将图像数据高速传输到上位机。
9.根据权利要求8所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述通信传输模块包括千兆以太网控制器，采用FPGA实现，由UDP Core模块和千兆以太网MAC模块组成，通过硬件逻辑实现IP、ARP、UDP协议的数据包的封装和解析，遵循AXI4-Memory Map接口规范和RGMII接口规范；千兆以太网控制器将相机图像数据封装成UDP协议的格式，通过千兆以太网进行图像数据传输；千兆以太网控制器在网络丢包的情况下满足网络包重发需求。
10.根据权利要求9所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述UDPCore模块包括寄存器单元模块、数据发送模块和数据接收模块；
所述寄存器单元模块用于存放控制和状态信息，通过AXI4-Memory Map接口规范映射为可供CPU读写的寄存器，CPU通过对不同寄存器的访问实现对UDP Core模块的直接控制和对千兆以太网MAC模块的间接控制；
所述数据发送模块使用FIFO将待发送数据包转换时钟域，并将数据包转换成符合千兆以太网传输规范的UDP数据包，经FIFO缓存后发送给千兆以太网MAC模块。
11.根据权利要求10所述的基于单片FPGA的多功能工业相机系统，其特征在于，所述千兆以太网MAC模块将UDP数据包封装为符合以太网协议规范的以太网帧，并对PHY芯片进行管理和控制。
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