CN201270046Y - 基于线阵ccd的终点计时系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于线阵CCD的终点计时系统，包括一台线阵CCD摄像机，一个视频采集模块，一台微型计算机，同步信号单元，以及环境参数检测单元，其特征是视频采集模块连接线阵CCD摄像机和微型计算机，微型计算机同时还连接同步信号单元和环境参数检测单元。CCD传感器ILX551内部集成有采样保持电路，运算放大器选用高速运放OP37，模数转换器选用的是高速闪烁型A/D转换器TLC5510。CCD的驱动时钟输入频率为4MHz，时序脉冲信号由CPLD EPM7064产生。16MHz有源晶振与EPM7064相连，经过四分频后作为CCD的CLK信号，SHUT和ROG输出按照ILX551的驱动脉冲发生，CPLD使用的是MAX PLUS II中的原理图输入方式，M0～M3为输出控制信号用于后续A/D和FIFO缓存的控制时序信号，SW11～SW24为外部输入响应信号。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电类，应用于高水平体育赛事或者高水平运动训练，尤指一种运用线阵CCD技术进行精确计量时间的系统。
背景技术
精准的计时设备无论是在高水平赛事还是在运动训练中都扮演着越来越重要的角色。当今100米、110米栏等短距离径赛中，参赛运动员微小的成绩差别往往是绝大多数人所不能感知的。目前国内外使用的计时手段，主要有以下四种方式：秒表计时、红外线计时、无线射频计时以及高速图像计时。
现在发展最为迅速的当属基于高速摄像原理的电子摄像计时系统。CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件，它是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年提出。近30多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD传感器取得了快速发展，为成像、探测等领域的研究提供了新的机遇。尤其是在成像方面，与传统拍摄传感器相比，CCD图像传感器具有电子自扫描、高灵敏、输出噪声小、动态范围大、光谱响应范围宽、分辨率高、输出信号线性度好、功耗低、体积小、寿命长等优点，其应用己遍及航天、遥感、工业、天文、通讯等民用和军用领域，是当前使用最为广泛的成像器件。CCD从芯片结构上可分为面阵CCD和线阵CCD两种类型，面阵CCD主要用于黑白及彩色摄像，而线阵CCD则在高清晰图像拍摄方面表现出良好的应用前景，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的应用器件之一。
实用新型内容
本实用新型的目的在于运用线阵CCD原理实现对短跑竞赛和训练的终点自动化计时，实现千分之一秒及以上的分辨精度，同样适用赛马、皮艇、划艇、赛艇、摩托车、汽车等速度竞赛项目的计时。
本实用新型是一种基于线阵CCD的终点计时系统，包括一台线阵CCD摄像机、一个视频采集模块、一台微型计算机组成的高速图像数据的采集、存储单元，同步信号单元，以及环境参数检测单元，其特征是视频采集模块连接线阵CCD摄像机和微型计算机，微型计算机同时还连接同步信号单元和环境参数检测单元。系统设计采用了模块设计的方法，即在总体上将其划分为外围图像硬件采集部分、底层高速计算机接口通讯协议和上位机人机交互三部分。系统整体设计性能具有千分之一秒以上的计时精度、运动成绩判读和实时图像存储、处理、打印和远程传输等功能。
在终点线上架设线扫描相机，在运动员快要到达终点线之前开始采集其通过终点线的图像，尔后再通过上位计算机的图像重建、处理和时间标定等操作判定出运动员的最后成绩。其工作原理的核心技术就是运用线扫描成像(或者说窄缝成像)技术来实现对运动物体的检测。被成像物体和感光元件分别放置在透镜的物方焦面和像方焦面上，由于感光元件只有一排(或一列)，因而在感光元件上所得的数据只是物体通过透镜所成像的一条线，需要将通过不断位移的方式获得的片段数据重新拼合才能得到整个像面。也就是说，如果当透镜和感光元件等元器件所组成的照相机固定不动，那就只能借助移动物体使其成像面在感光元上发生变化的方式来获得像面的数据。不难发现以这种方式成像的清晰度主要取决于运动物体的速度和感光元的响应速度。
信号采集的核心是模数转换技术。模数转换(A/D)是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。模数转换包括采样、保持、量化和数据采集四个过程。常用A/D转换技术有积分型模数转换器、逐次逼近型模数转换器、闪烁型模数转换器、∑-Δ型模数转换器、流水线模数转换器。本实用新型选用的是高速闪烁型A/D转换器TLC5510。
CCD传感器ILX551内部集成有采样保持电路，因而在移位脉冲作用下的输出信号具有很好的噪声抑制能力和抗干扰性。但其输出信号幅度变化通常只有几百个毫伏左右，为便于后续A/D采样和提高分辨率，还要对其进行放大处理。图4为其输出放大电路设计，为调节后续输入A/D的信号范围和提高输出带负载能力，CCD的输出信号经过反相放大再做一级跟随后才输出。为了最大限度的保证信号的不失真，在运算放大器的选择上选用了高速运放0P37。
本实用新型设计计时精度为2000线/秒，由线阵CCD成像原理，也就是说，信号的线扫描速度必须达到1000线以上。考虑到选用的CCD传感器ILX551有2048个象敏单元，则CCD的驱动信号必须达到2MHz以上，本设计中CCD的驱动时钟输入频率为4MHz。所有相关时序脉冲信号都由Altera公司的CPLDEPM7064产生。设计电路图如图2所示，16MHz有源晶振与EPM7064相连，经过四分频后作为CCD的CLK信号，SHUT和ROG输出严格按照ILX551的驱动脉冲发生。在CPLD的开发上使用的是MAX PLUSII中的原理图输入方式。M0～M3为输出控制信号用于后续A/D和FIFO缓存的控制时序信号，SW11～SW24为外部输入响应信号。
本实用新型的创新点在于：一，高速图像采集模块，完成实现对线阵CCD传感器的图像采集功能和数据的存储与传输；二，多参数的数据整合及其与上位机的数据通讯；三，气象环境参数的检测，以实现对当前运动环境风速、风向、湿度和温度的检测；四，上位机人机交互软件，主要包括对采集参数的显示、图像的重建处理以及数据的管理和传输。本实用新型的特征在于：将线阵CCD的成像技术运用到短距离径赛运动训练中；在信号实时同步采集的基础上，及时对运动效果进行评价；通过局域网实现对实际运动训练的远程监控与指导。
附图说明
图1基于线阵CCD的短跑终点计时系统工作示意图
图2CCD ILX551B结构功能引脚图
图3ILX551电路连接图
图4MAX7000系列CPLD内部结构
具体实施方式
首先将成像装置放置在需要对运动员进行计时观察的位置，如图1所示，然后使用数据连接线与视频采集模块连接，视频采集模块与同步信号发生器以及微型计算机连接。通过起跑发令枪或者外部同步信号通知图像采集模块启动采集和开始计时，此时图像采集模块将成像数据不断的传入计算机保存，最后当运动员通过计时段或训练结束后，可以通过微型计算机或外部同步信号停止采集。对于采集到的数据，可以通过计算机进行重建分析和成绩判读。
Claims (4)
1.一种基于线阵CCD的终点计时系统，包括一台线阵CCD摄像机、一个视频采集模块、一台微型计算机组成的高速图像数据的采集、存储单元，同步信号单元，以及环境参数检测单元，其特征是视频采集模块连接线阵CCD摄像机和微型计算机，微型计算机同时还连接同步信号单元和环境参数检测单元。
2.按照权利要求1所述的基于线阵CCD的终点计时系统，其特征在于CCD传感器ILX551内部集成有采样保持电路，运算放大器选用高速运放OP37，模数转换器选用的是高速闪烁型A/D转换器TLC5510。
3.按照权利要求1所述的基于线阵CCD的终点计时系统，其特征在于CCD的驱动时钟输入频率为4MHz，时序脉冲信号由CPLD EPM7064产生。
4.按照权利要求1所述的基于线阵CCD的终点计时系统，其特征在于16MHz有源晶振与EPM7064相连，经过四分频后作为CCD的CLK信号，SHUT和ROG输出按照ILX551的驱动脉冲发生，CPLD使用的是MAXPLUS II中的原理图输入方式，M0～M3为输出控制信号用于后续A/D和FIFO缓存的控制时序信号，SW11～SW24为外部输入响应信号。
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