CN118444477A - 一种基于fpga的同步信号控制系统 - Google Patents

一种基于fpga的同步信号控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的同步信号控制系统,包括上位机、FPGA模块、振镜、光学图像传感器和采集卡,其中FPGA模块包括BRAM模块、帧解析器、3D扫描模块和2D扫描模块,且3D扫描模块和2D扫描模块均包括操作单元,以及与振镜、光学图像传感器和采集卡依次对应的第一子控制单元、第二子控制单元和第三子控制单元。本发明通过FPGA实现对OCT外设振镜、CCD和采集卡的时序控制,实现了对外设的通用同步控制,解决了传统OCT系统由于控制精度不足导致的图像畸变问题;本发明通过单独配置外设振镜、CCD和采集卡的延迟,在几乎不消耗任何资源的情况下实现了对外设固有延迟的精确补偿,解决了采集的OCT图像的错位问题,且简单有效。

Description

一种基于FPGA的同步信号控制系统
技术领域
本发明属于图像采集领域,具体涉及一种基于FPGA的同步信号控制系统。
背景技术
OCT(Optical Coherence Tomography,光学相干层析成像技术)作为一种新兴的光学技术,具有高分辨、非接触、非侵入的特点,在指纹识别、临床诊断等领域具有重要应用。在OCT系统采集图像的过程中,对振镜、CCD和采集卡的同步控制对OCT系统采集图像的质量具有至关重要的作用,振镜是一种由电压信号驱动的光学扫描器件,通过改变振镜的输入电压,控制扫描器件的激光光路的偏转程度,从而可以控制扫描器件的激光的扫描位置,CCD是一种光学图像传感器,将振镜的扫描位置转换为电信号进行采集,采集卡是CCD的存储设备,将CCD采集的数据进行存储。
现有OCT系统因振镜控制精度差异和控制信号不同步导致采集图像畸变、错位。由于OCT系统的各个外设(即振镜、CCD和采集卡)对控制信号的响应存在不确定的固有延迟,导致采集到的图像出现错位。传统的控制信号生成方案难以实时调整外设间的延迟以达到最佳同步控制效果。
发明内容
本发明的目的在于针对解决背景技术中提出的问题,提出一种基于FPGA的同步信号控制系统。
为实现上述目的,本发明所采取的技术方案为:
本发明提出的一种基于FPGA的同步信号控制系统,包括上位机、FPGA模块、振镜、光学图像传感器和采集卡,其中所述FPGA模块包括BRAM模块、帧解析器、3D扫描模块和2D扫描模块,且3D扫描模块和2D扫描模块均包括操作单元,以及与振镜、光学图像传感器和采集卡依次对应的第一子控制单元、第二子控制单元和第三子控制单元;
所述上位机设置控制帧,并将控制帧暂存至所述BRAM模块中;
所述帧解析器从BRAM模块中读取控制帧的帧头参数,并对控制帧的帧头中的参数进行解析,并将解析后的参数并行发送至各扫描模块的操作单元;
各扫描模块中的操作单元根据帧头中的第一参数解析的数值决定是否工作,并在工作时将其余参数转发至对应的子控制单元;
各子控制单元根据帧头中的其余参数进行相应等待,并且等待后再根据其余参数生成分别控制振镜、光学图像传感器和采集卡的信号,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步。
优选地,所述控制振的帧头中的参数包括每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数和光学图像传感器的采样参数,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的相位延时参数,以及系统状态符,其中,第一参数为系统状态符;
所述控制振还包括电压数据部,且电压数据部包括水平方向和垂直方向的控制电压数值。
优选地,所述各扫描模块中的操作单元根据帧头中的第一参数解析的数值决定是否工作,并在工作时将其余参数转发至对应的子控制单元,按照如下步骤操作:
当系统状态符解析的数值为3时,3D扫描模块中的操作单元进行参数转发,2D扫描模块不工作,当系统状态符解析的数值为2时,2D扫描模块中的操作单元进行参数转发,3D扫描模块不工作。
优选地,所述3D扫描模块和2D扫描模块中的操作单元进行参数转发时,各扫描模块中的操作单元将帧头的每行扫描点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和振镜的相位延时参数转发至第一子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和光学图像传感器的相位延时参数转发至第二子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和采集卡的相位延时参数转发至第三子控制单元。
优选地,所述各子控制单元根据帧头中的其余参数进行相应等待,并且等待后再根据其余参数生成分别控制振镜、光学图像传感器和采集卡的信号,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步,按照如下操作:
第一子控制单元根据振镜的相位延时参数进行相应时长等待,第二子控制单元根据光学图像传感器的相位延时参数进行相应时长等待,第三子控制单元根据采集卡的相位延时参数进行相应时长等待,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步;
然后各子控制单元对每行扫描点数和扫描行数描述的区域进行扫描,且各子控制单元包括用于存储当前扫描进度的第一点计数器和第二点计数器,且第一点计数器用于存储当前水平方向位置,第二点计数器用于存储当前垂直方向位置;
各子控制单元进行扫描时,根据光学图像传感器的采样参数进行相应频率移动扫描点;
然后第一子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置从BRAM模块的控制帧中读取当前位置的控制电压数值,根据控制电压数值控制当前振镜的位置;
第二子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置,以及每行复位屏蔽点数产生控制信号,且控制光学图像传感器对当前振镜的位置进行采集;
第三子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置,以及每行复位屏蔽点数产生控制信号,且控制采集卡对当前光学图像传感器采集的数据进行存储。
优选地,所述每行复位屏蔽点数位于每行扫描点的开头位置,对于第二子控制单元和第三子控制单元:
当第一点计数器存储的当前位置小于或等于每行复位屏蔽点数时,第二子控制器和第三子控制器不产生控制信号;
当第一点计数器存储的当前位置大于每行复位屏蔽点数时,第二子控制器和第三子控制器产生控制信号。
优选地,所述上位机设置控制帧的帧头中光学图像传感器的采样参数,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的相位延时参数的过程按照如下方式操作:
首先上位机设置光学图像传感器的采样周期,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的延迟时间;
然后上位机根据光学图像传感器的采样周期和系统时钟周期计算光学图像传感器的采样参数,公式为:
上位机根据振镜的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算振镜的相位延时参数
上位机根据光学图像传感器的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算光学图像传感器的相位延时参数
上位机根据采集卡的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算采集卡的相位延时参数
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1、本发明通过FPGA实现对OCT外设振镜、CCD和采集卡的时序控制,实现了对外设的通用同步控制,解决了传统OCT系统由于控制精度不足导致的图像畸变问题。
2、本发明通过单独配置外设振镜、CCD和采集卡的延迟,在几乎不消耗任何资源的情况下实现了对外设固有延迟的精确补偿,解决了采集的OCT图像的错位问题,且简单有效。
附图说明
图1为本发明基于FPGA的同步信号控制系统的模块框图;
图2为本发明FPGA模块的模块框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
需要说明的是,当组件被称为与另一个组件“连接”时,它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是在于限制本申请。
如图1-图2所示,一种基于FPGA的同步信号控制系统,包括:上位机(或PC)、FPGA模块、振镜、光学图像传感器和采集卡,其中FPGA模块包括BRAM(abbr. bipolar randomaccess memory 双极随机存取存储器)模块、帧解析器、3D扫描模块和2D扫描模块,且3D扫描模块和2D扫描模块均包括操作单元,以及与振镜、光学图像传感器和采集卡依次对应的第一子控制单元、第二子控制单元和第三子控制单元;
需要说明的是,上位机与FPGA模块之间通过串行接口进行连接,即上位机与BRAM模块之间通过串行接口进行连接。
基于FPGA的同步信号控制系统的控制流程如下:
S1、上位机设置控制帧(控制帧包括帧头和电压数据部),并将控制帧暂存至BRAM模块中;
其中,控制振的帧头中的参数包括每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数和光学图像传感器的采样参数,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的相位延时参数,以及系统状态符,其中,第一参数为系统状态符;
控制振还包括电压数据部,且电压数据部包括水平方向和垂直方向的控制电压数值,为16位无符号数数组,其中低14位用于记录振镜的输入,即电压值,用于控制振镜的扫描位置,高2位忽略。
其中上位机设置控制帧中的光学图像传感器的采样参数和各相位延时参数的过程:上位机先设置光学图像传感器的采样周期,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的延迟时间,然后上位机根据光学图像传感器的采样周期和系统时钟周期计算光学图像传感器的采样参数,公式为:
并且上位机根据振镜的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算振镜的相位延时参数
上位机根据光学图像传感器的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算光学图像传感器的相位延时参数
上位机根据采集卡的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算采集卡的相位延时参数
串行接口接受上位机发送的数据(控制帧),并将uart_recv_done信号信号拉高(告知收到了数据),并将数据写入BRAM模块中,当数据全部写入值BRAM模块中后,拉高w_finished信号(告知数据全部写入)。
控制帧为控制帧为可变长的有限字节流(一行若干列数据构成的帧数据),且依次包括帧头、多个水平方向的控制电压数值和多个垂直方向的控制电压数值,如每行扫描点数为x(扫描过程中,一行中每个扫描点对应的水平方向的控制电压数值不同,即有x个水平方向的控制电压数值),扫描行数为y(扫描过程中,每行对应的垂直平方向的控制电压数值不同,即有y个垂直方向的控制电压数值),则控制帧的长度为帧头的长度+x个水平方向的控制电压数值的长度+y个垂直方向的控制电压数值的长度。
S2、帧解析器从BRAM模块中读取控制帧的帧头参数,并对控制帧的帧头中的参数进行解析,并将解析后的参数并行发送至各扫描模块的操作单元;
帧解析器从BRAM模块中串行读取帧头的参数(帧头的参数由每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数、振镜的相位延时参数、光学图像传感器的相位延时参数、采集卡的相位延时参数和系统状态符依次排列),且每读取一个参数后就进行解析,然后再读取下一个参数,得到并行的各参数的数值,其中帧解析器通过有限状态机实现对帧头解析(有限状态机的状态标志着解析到哪个参数了),对于帧头的每个参数,都有对应的状态(如每行扫描点数对应的状态为每行扫描点数状态,每行复位屏蔽点数对应的状态为每行复位屏蔽点数状态,扫描行数对应的状态为扫描行数状态,光学图像传感器的采样参数对应的状态为光学图像传感器的采样参数状态,振镜的相位延时参数对应的状态为振镜的相位延时参数状态,光学图像传感器的相位延时参数对应的状态为光学图像传感器的相位延时参数状态,采集卡的相位延时参数对应的状态为采集卡的相位延时参数状态,系统状态符对应的状态为系统状态符状态),帧解析器收到帧头后从空闲状态依次向每个参数的状态顺序转移(按照帧头中参数的排列顺序),依次进行解析,直至参数都解析完毕;如果控制帧中需要添加新的功能,扩展控制帧帧头的长度以存储新参数,并同步给有限状态机添加一个新的状态即可;然后将解析后的参数并行发送给各扫描模块的操作单元(包括2D扫描模块的操作单元和3D扫描模块的操作单元)。
S3、各扫描模块中的操作单元根据帧头中的第一参数解析的数值决定是否工作(根据第一参数的数值决定是2D扫描还是3D扫描,且2D扫描由2D扫描模块完成操作,3D扫描由3D扫描模块完成操作,2D扫描与3D扫描主要的区别在于,2D扫描的扫描区域为一条线,即扫描行数为y始终不变,可以为除0以外的任意行数值,3D扫描的扫描区域为一个面),并在工作时将其余参数转发至对应的子控制单元;
当系统状态符解析的数值为3时,3D扫描模块中的操作单元进行参数转发(具体是3D扫描模块中的操作单元将帧头的每行扫描点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和振镜的相位延时参数转发至第一子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和光学图像传感器的相位延时参数转发至第二子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和采集卡的相位延时参数转发至第三子控制单元),2D扫描模块不工作,当系统状态符解析的数值为2时,2D扫描模块中的操作单元进行参数转发(具体是2D扫描模块中的操作单元将帧头的每行扫描点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和振镜的相位延时参数转发至第一子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和光学图像传感器的相位延时参数转发至第二子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和采集卡的相位延时参数转发至第三子控制单元),3D扫描模块不工作。
S4、各子控制单元根据帧头中的其余参数进行相应等待,并且等待后再根据其余参数生成分别控制振镜、光学图像传感器和采集卡的信号,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步;
其中,第一子控制单元根据振镜的相位延时参数控制振镜进行相应时长等待,第二子控制单元根据光学图像传感器的相位延时参数进行相应时长等待,第三子控制单元根据采集卡的相位延时参数进行相应时长等待,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步(各子控制单元当收到参数后,从空闲状态进入等待状态,且在等待状态中等待的时长根据对应的等待时长进行等待,实现了对振镜、光学图像传感器和采集卡固有延迟的精确补偿,进而实现三者的同步,然后再进行生成状态,即各子控制单元根据对应参数生成控制信号);
然后各子控制单元对每行扫描点数和扫描行数描述的区域进行扫描,且各子控制单元包括用于存储当前扫描进度的第一点计数器和第二点计数器,且第一点计数器用于存储当前水平方向位置(即为列的位置),第二点计数器用于存储当前垂直方向位置(即为行的位置);
各子控制单元进行扫描时,根据光学图像传感器的采样参数进行相应频率移动扫描点(即光学图像传感器的采样参数作为移动扫描点的频率),且第一点计数器的初始位置为各行的第一个点数,第二点计数器的初始位置为第一行,当第一点计数器存储的当前水平方向位置位于每行的最后一个扫描点,且移动到下一个扫描点时(即移动到下一行的开头位置时),第一点计数器存储的位置的回到初始位置,第二点计数器更新当前垂直方向的位置;
然后第一子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置从BRAM模块的控制帧中读取当前位置的控制电压数值(由于控制帧依次包括帧头、x个水平方向的控制电压数值和y个垂直方向的控制电压数值,第一子控制单元根据对应的第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置生成在控制帧的地址值,然后再根据生成的地址值从BRAM模块的控制帧中读取对应地址的控制电压数值,如第一点计数器存储的当前位置为3,第二点计数器存储的当前位置为5,则此时的扫描点为第3列第5行,然后生成在控制帧中的地址值为第3个水平方向的控制电压数值和第5个垂直方向的控制电压数值,则根据该地址值从第3个水平方向的控制电压数值和第5个垂直方向的控制电压数值中读取对应的控制电压数值),根据控制电压数值控制当前振镜的位置;
第二子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置,以及每行复位屏蔽点数产生控制信号,且控制光学图像传感器对当前振镜的位置进行采集(产生控制光学图像传感器对当前振镜的位置进行采集的信号);其中每行复位屏蔽点数位于每行开头位置,具体数量不作限制,如设置为2个,当第二子控制单元的第一点计数器存储的当前位置小于或等于每行复位屏蔽点数时,第二子控制器不产生控制信号,当第二子控制单元的第一点计数器存储的当前位置大于每行复位屏蔽点数时,第二子控制器产生控制信号,以确保系统不因振镜响应速度不足导致图像畸变;
第三子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置,以及每行复位屏蔽点数产生控制信号,且控制采集卡对当前光学图像传感器采集的数据进行存储(产生控制采集卡对当前光学图像传感器采集的数据进行存储的信号);具体为:当第三子控制单元的第一点计数器存储的当前位置小于或等于每行复位屏蔽点数时,第三子控制器不产生控制信号,当第三子控制单元的第一点计数器存储的当前位置大于每行复位屏蔽点数时,第三子控制器产生控制信号,以确保系统不因振镜响应速度不足导致图像畸变。
本发明通过FPGA实现对OCT外设振镜、CCD和采集卡的时序控制,实现了对外设的通用同步控制,解决了传统OCT系统由于控制精度不足导致的图像畸变问题;通过单独配置外设振镜、CCD和采集卡的延迟,在几乎不消耗任何资源的情况下实现了对外设固有延迟的精确补偿,解决了采集的OCT图像的错位问题,且简单有效。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例,但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述基于FPGA的同步信号控制系统包括上位机、FPGA模块、振镜、光学图像传感器和采集卡,其中所述FPGA模块包括BRAM模块、帧解析器、3D扫描模块和2D扫描模块,且3D扫描模块和2D扫描模块均包括操作单元,以及与振镜、光学图像传感器和采集卡依次对应的第一子控制单元、第二子控制单元和第三子控制单元;
所述上位机设置控制帧,并将控制帧暂存至所述BRAM模块中;
所述帧解析器从BRAM模块中读取控制帧的帧头参数,并对控制帧的帧头中的参数进行解析,并将解析后的参数并行发送至各扫描模块的操作单元;
各扫描模块中的操作单元根据帧头中的第一参数解析的数值决定是否工作,并在工作时将其余参数转发至对应的子控制单元;
各子控制单元根据帧头中的其余参数进行相应等待,并且等待后再根据其余参数生成分别控制振镜、光学图像传感器和采集卡的信号,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述控制振的帧头中的参数包括每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数和光学图像传感器的采样参数,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的相位延时参数,以及系统状态符,其中,第一参数为系统状态符;
所述控制振还包括电压数据部,且电压数据部包括水平方向和垂直方向的控制电压数值。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述各扫描模块中的操作单元根据帧头中的第一参数解析的数值决定是否工作,并在工作时将其余参数转发至对应的子控制单元,按照如下步骤操作:
当系统状态符解析的数值为3时,3D扫描模块中的操作单元进行参数转发,2D扫描模块不工作,当系统状态符解析的数值为2时,2D扫描模块中的操作单元进行参数转发,3D扫描模块不工作。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述3D扫描模块和2D扫描模块中的操作单元进行参数转发时,各扫描模块中的操作单元将帧头的每行扫描点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和振镜的相位延时参数转发至第一子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和光学图像传感器的相位延时参数转发至第二子控制单元,并将帧头的每行扫描点数、每行复位屏蔽点数、扫描行数、光学图像传感器的采样参数和采集卡的相位延时参数转发至第三子控制单元。
5.如权利要求2所述的基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述各子控制单元根据帧头中的其余参数进行相应等待,并且等待后再根据其余参数生成分别控制振镜、光学图像传感器和采集卡的信号,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步,按照如下操作:
第一子控制单元根据振镜的相位延时参数进行相应时长等待,第二子控制单元根据光学图像传感器的相位延时参数进行相应时长等待,第三子控制单元根据采集卡的相位延时参数进行相应时长等待,实现振镜、光学图像传感器和采集卡三者之间的同步;
然后各子控制单元对每行扫描点数和扫描行数描述的区域进行扫描,且各子控制单元包括用于存储当前扫描进度的第一点计数器和第二点计数器,且第一点计数器用于存储当前水平方向位置,第二点计数器用于存储当前垂直方向位置;
各子控制单元进行扫描时,根据光学图像传感器的采样参数进行相应频率移动扫描点;
然后第一子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置从BRAM模块的控制帧中读取当前位置的控制电压数值,根据控制电压数值控制当前振镜的位置;
第二子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置,以及每行复位屏蔽点数产生控制信号,且控制光学图像传感器对当前振镜的位置进行采集;
第三子控制单元根据对应第一点计数器和第二点计数器存储的当前位置,以及每行复位屏蔽点数产生控制信号,且控制采集卡对当前光学图像传感器采集的数据进行存储。
6.如权利要求5所述的基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述每行复位屏蔽点数位于每行扫描点的开头位置,对于第二子控制单元和第三子控制单元:
当第一点计数器存储的当前位置小于或等于每行复位屏蔽点数时,第二子控制器和第三子控制器不产生控制信号;
当第一点计数器存储的当前位置大于每行复位屏蔽点数时,第二子控制器和第三子控制器产生控制信号。
7.如权利要求2所述的基于FPGA的同步信号控制系统,其特征在于:所述上位机设置控制帧的帧头中光学图像传感器的采样参数,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的相位延时参数的过程按照如下方式操作:
首先上位机设置光学图像传感器的采样周期,以及振镜、光学图像传感器和采集卡的延迟时间;
然后上位机根据光学图像传感器的采样周期和系统时钟周期计算光学图像传感器的采样参数,公式为:
上位机根据振镜的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算振镜的相位延时参数
上位机根据光学图像传感器的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算光学图像传感器的相位延时参数
上位机根据采集卡的延迟时间、光学图像传感器的采样参数和系统时钟周期计算采集卡的相位延时参数
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