CN204119353U - 多台ccd摄像机同步信号采集驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，驱动装置由AD采样模块、CPLD驱动硬件模块和GIGE传输模块构成，AD采样模块并联连接采集前端，AD采样模块通过GIGE传输模块连接PC上位机；AD采样模块和GIGE传输模块分别与CPLD驱动硬件模块信号连接，CPLD驱动硬件模块与采集前端信号连接。本实用新型使用一块驱动芯片，同时实现多个CCD传感器同步采集、AD采样及GIGE传输，可有效减少视频安防监控系统采集的硬件投入，并可以为全景拼接提供素材；可以减少图像采集的光路，从而减少产品体积和重量，减少产品的成本。

Description

多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置

技术领域

本实用新型涉及信息技术中的信号数据采集系统，特别涉及多台CCD（全称Charge Coupled Device，电荷耦合元件）摄像机同步信号采集驱动装置。

背景技术

在一些重要场所（例如银行库房、阳极泥车间、保密机构等处）对视频安防监控系统的要求非常严格，需要实现在重点区域360°无死角同步视频采集，所以需要在同一区域设置多台CCD摄像机。为实现多台CCD摄像机同步采集，目前常用的实现方法为，为每台摄像机均配置一套独立采集驱动系统，并将各摄像机采集获取的图像汇聚到视频光端机（摄像机为模拟前端）或交换机（摄像机为数字前端）统一上传至监控中心，系统需要实现同步采集，则需要给该区域配置视频同步盒一台，为各前端摄像机提供同步信号。该实现方法会造成硬件资源的浪费，硬件成本的投入较多。

目前医学领域CCD DR（全称Digital Radiography，数字化医用X射线摄影）探测器均采用医学专用的单个大分辨率CCD传感器实现图像采集。单个CCD DR探测器需选用超大广角镜头，采集光路较长，从而导致产品体积和重量偏大，不利于安装和运输等工程化操作，同时大分辨率CCD传感器和超大广角镜头价格较为昂贵。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型所要解决的技术问题是实现多个CCD传感器同步采集，实现同一区域多个CCD摄像机图像无死角同步采集，并可以为全景拼接提供素材；解决单个CCD DR探测器存在的超大广角镜头以及采集光路较长的问题，从而减轻产品体积和重量，降低成本。

本实用新型采用以下技术方案实现上述目的。多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，包括驱动装置，驱动装置由AD（全称Analog to Digital Converter，模数转换器）采样模块、CPLD驱动硬件模块和GIGE传输模块构成，AD采样模块并联连接采集前端，AD采样模块通过GIGE传输模块连接PC 上位机；AD采样模块和GIGE传输模块分别与CPLD驱动硬件模块信号连接，CPLD驱动硬件模块与采集前端信号连接；

所述PC上位机：作为视频管理工作站使用，用于显示和管理各CCD摄像机的视频图像；

所述AD采样模块：用于将采集到各CCD传感器的模拟信号转换为数字信号，含AD采样芯片、放大电路和电源供电模块；

所述CPLD驱动硬件模块：用于给采集前端、AD采样模块和GIGE（千兆网接口）传输模块提供工作必要时序驱动，含时钟输入、复位按钮输入、触发采集按钮输入、CPLD驱动芯片和电源供电等模块；

所述GIGE传输模块 ：千兆网传输接口，用于将各CCD的视频数字信号图像传输至PC上位机。

进一步地，所述采集前端为CCD摄像机组成，用于采集前端视频模拟量图像数据。

进一步地，所述CCD摄像机为彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机或至少两种摄像机的组合。

本实用新型使用一块驱动芯片，同时实现多个CCD传感器同步采集、AD采样及GIGE传输；运用于视频安防监控系统中，可有效减少视频安防监控系统采集的硬件投入，同时可实现同一区域、不同角度、无延时、多个CCD摄像机图像同步采集，并可以为全景拼接提供素材；运用于CCD DR探测器中，用多个小分辨率CCD 传感器和镜头替代单个大分辨率CCD传感器和超大广角镜头，可以减少图像采集的光路，从而减少产品体积和重量，同时可以减少产品的成本。

附图说明

图1是本实用新型摄像机同步信号采集驱动装置的硬件框图。

图2 是本实用新型中CPLD驱动程序组成框图。

图3 是本实用新型各模块间的执行流程图。

图4a～图4e是本实用新型的整体仿真效果图。

图中：1.PC上位机，2.驱动装置，21.AD采样模块, 22. CPLD驱动硬件模块 23.GIGE, 3.采集前端，221.转移模块，222.积分模块，223.控制模块，224.CCD驱动输出模块，225.AD配置模块。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，参见图1至图3，多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，包括驱动装置2，驱动装置2由AD（全称Analog to Digital Converter，模数转换器）采样模块 21、CPLD驱动硬件模块 22和GIGE（千兆网接口）传输模块 23构成，AD采样模块21并联连接采集前端3，AD采样模块 21通过GIGE传输模块23连接PC 上位机1；AD采样模块21和GIGE传输模块23分别与CPLD驱动硬件模块22信号连接，CPLD驱动硬件模块22与采集前端3信号连接；

所述PC上位机1：作为视频管理工作站使用，用于显示和管理各CCD摄像机的视频图像；

所述AD采样模块21：用于将采集到各CCD传感器的模拟信号转换为数字信号，含AD采样芯片、放大电路和电源供电模块；

所述CPLD驱动硬件模块22：用于给采集前端3、AD采样模块21和GIGE（千兆网接口）传输模块23提供工作必要时序驱动，含时钟输入、复位按钮输入、触发采集按钮输入、CPLD驱动芯片和电源供电等模块；

所述GIGE传输模块 23：千兆网传输接口，用于将各CCD的视频数字信号图像传输至PC上位机1。

所述采集前端3为CCD摄像机组成，用于采集前端视频模拟量图像数据。

所述CCD摄像机为彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机或至少两种摄像机的组合。

CPLD驱动硬件模块22的驱动程序分别由转移模块221、积分模块222、控制模块223、CCD驱动输出模块224及AD配置模块225组成，其中转移模块221的system_clk信号由CPLD驱动硬件模块22的时钟输入产生、power_on_clear信号由CPLD驱动硬件模块22复位按钮输入产生、transfer_start和acquire_gate信号由积分模块222产生、同步信号连接至GIGE传输模块 23、AD驱动信号连接至AD采样模块21、R信号连接至采集前端3；积分模块222的image_acquire信号由采集装置的触发采集按钮输入提供、v_xfer_done和eighth_out两个信号由转移模块221产生；控制模块223的Integrate_start信号由积分模块222产生、CCD_gate信号连接至AD采样模块21；CCD驱动输出模块224的Vt和Ht信号由转移模块221产生、Vq和Hq信号由积分模块222产生、CCD_IO信号由控制模块223产生、V和H信号连接至采集前端3；AD配置模块225的power_on_clear信号由CPLD驱动硬件模块22复位按钮输入产生、eighth_out信号由转移模块221产生、sload、sclock和sdata三个信号连接至AD采样模块21。

转移模块221：产生CCD摄像机在buffer转移、V转移及H转移等阶段的VtHt波形；产生整个CCD摄像机采集阶段的R_clk信号；产生整个系统与GIGE（FIFO）同步信号；产生AD工作的驱动信号；为其他模块提供的八分频时钟信号。

积分模块222：控制产生每个CCD摄像机在积分和传输的时间顺序；产生各CCD摄像机在积分阶段的Vq、Hq波形；提供帧信号产生的门限；提供转移模块221的复位信号。

控制模块223：提供每个CCD摄像机输出使能信号；提供每个CCD摄像机在不同阶段的输出控制信号（即为GIGE的使能信号）。

CCD驱动输出模块224：根据控制模块223提供的控制信号，组合输出转移模块221和积分模块222的V、H波形。

AD配置模块225：给AD9814提供sload、sclock和sdata三组配置信号，使AD在相应的工作模式下工作。

本实用新型的具体步骤为：

1）系统开始上电，先使能AD配置模块225，通过模块产生的sload、sclock及sdata三个信号，对AD采样模块21内相应的寄存器进行配置操作；

2）各模块均开始工作，所有采集前端3的CCD摄像机进行FLUSH操作，通过控制模块223，将每个CCD摄像机的V、H均输出为转移模块221的Vt、Ht；

3）当有触发采集信号，通过控制模块223，停止所有CCD驱动输出模块224输出Vt、Ht波形，转而全部输出为积分模块222的Vq、Hq波形，程序中设定采集前端3的1#CCD摄像机积分时间为1S；

4）当采集前端3的1#CCD摄像机积分结束后，先利用transfer_start信号，将转移模块221复位，然后利用控制模块223控制CCD驱动输出模块224，将除采集前端3的1#CCD摄像机的V、H信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余采集前端3的各CCD摄像机的输出均为Vq、Hq波形输出；

5）当转移模块221完一帧图像后，产生一个名为v_xfer_done的脉冲信号，表示采集前端3的1#CCD摄像机传输结束，此时积分模块222对v_xfer_done脉冲信号计数，判断计数的值是否为N，是则表示系统所有的N 个CCD图像采集完成，此时跳出图像采集阶段，重新进入FLUSH阶段，等待触发采集信号；否则表示系统采集工作还未结束，此时将除下一个需要采集 CCD的V、H信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余CCD图像的输出均为积分模块222的Vq、Hq波形输出，重复该过程，直至v_xfer_done脉冲信号的计数值为N 时，采集才结束。

实施例：

1.驱动装置的硬件组成

图1所示为本实用新型驱动装置的硬件组成框图。原理为，CPLD(复杂可编程逻辑器件)装置按照相关的逻辑关系产生多个CCD传感器的相关驱动程序，同时控制AD将采集到每个CCD传感器的视频模拟量图像数据转换为数字图像数据。再利用CPLD控制GIGE将采集到每个CCD摄像机的视频数字图像数据上传至上位机上逐一显示。

2.CPLD驱动程序设计方法

本装置以12台CCD摄像机同步信号采集为例，详细说明CPLD驱动程序的设计方法（采集前端3增加或减少CCD摄像机，不影响CPLD驱动程序的整体架构，仅v_xfer_done脉冲信号计数值不同，详见图3执行流程图）。本装置选用了Altera公司生产的MAX3000系列中型号名为EPM3512AFC256_10的CPLD作为驱动芯片，分别给12个kodak 公司的KAI0340 CCD和1个AD公司的14位模数转换芯片为AD9814提供驱动时序。

12台CCD摄像机同步信号采集驱装置仅使用了一片AD9814芯片同时采样上述12个CCD的图像，每个CCD采集的过程基本上是相同的，只是在积分采集的时间点有所区别，因此驱动程序有大量的复用性。为实现12个CCD传感器驱动程序的复用，驱动程序将复用部分生成单独的模块，利用一些控制信号连接将其组合输出。

本实用新型将CCD传感器的垂直转移、水平转移阶段、AD采样部分和同步信号集成为转移模块221；将每个CCD的积分阶段集成为积分模块222；将CCD驱动整合输出提供控制信号的部分集成为控制模块223；将AD配置部分集成为AD配置模块224；将积分模块222和转移模块221整合驱动输出集成为CCD驱动输出模块225。通过实验证明，利用该方案设计的系统可以大幅度减少CPLD的宏资源和布线资源。

2.1 CPLD驱动组成框图及模块分类

图2所示为CPLD驱动程序组成框图，驱动程序分别由转移模块221、积分模块222、控制模块223、CCD驱动输出模块224及AD配置模块225等5个模块组成。通过模块间的产生连接信号，以实现整个系统驱动的输出。图中各输出信号的含义及作用如下：

（1）system_clk为激励输入信号，CPLD的主频输入时钟信号；

（2）power_on_clear为激励输入信号，系统上电复位信号，当遇到上升沿时触发，产生硬件全局复位，所有硬件设备停止工作，并回到采集的最初状态；

（3）eighth_out为system_clk输入时钟信号的8分频输出信号，用于产生积分模块和AD配置模块时钟输入信号；

（4）v_xfer_done为计数信号，记录CCD传感器完成采集的个数；

（5）Vt和Ht为各CCD垂直转移和水平转移阶段的驱动输出信号；

（6）R信号为复位门限时序，在输出单个电荷信号前，清除水平寄存器中的残留电荷，将输出放大器的电荷探测端复位到参考电平；

（7）AD驱动信号，为AD9814工作提供必要的驱动信号；

（8）同步信号，为各CCD传感器采集提供GIGE通讯的同步信号；

（9）transfer_start信号，来自积分模块，当积分模块遇到触发采集信号后，第一个CCD积分结束后产生该信号，使转移模块复位，强制回到初始状态；

（10）image_acquire为触发采集控制信号，用于触发系统各CCD采集图像；

（11）acquire_gate为转移模块同步信号提供门限的信号；

（12）Integrate_start为控制信号，用于控制各CCD的积分时间和传输时间；

（13）Vq和Hq为各CCD积分阶段的驱动输出信号；

（14）CCD_gate为CCD输出门限驱动，用于控制各CCD的模拟信号输出，避免各CCD模拟信号的输出相互干扰；

（15）CCD_IO为控制信号，用于控制整合各CCD的积分阶段和转移阶段驱动输出；

（16）V和H信号为各CCD传感器采集最终驱动输出信号；

（17）sload、sclock和sdata三个信号用于配置AD9814的内部寄存器。

2.2 各模块功能介绍

组成系统的5个模块功能分别如下：

转移模块221：（1）产生CCD摄像机在buffer转移、V转移及H转移等阶段的VtHt波形；（2）产生整个CCD摄像机采集阶段的R信号；（3）产生整个系统与GIGE同步信号；（4）产生AD工作的驱动信号；（5）为其他模块提供的8分频时钟信号。

积分模块222：（1）控制产生每个CCD摄像机在积分和传输的时间顺序；（2）产生各CCD摄像机在积分阶段的Vq、Hq波形；（3）提供帧信号产生的门限；（4）提供转移模块的复位信号；

控制模块223：（1）提供每个CCD摄像机输出使能信号；（2）提供每个CCD摄像机在不同阶段的输出控制信号（即为GIGE的使能信号）。

CCD摄像机驱动输出模块224：根据控制模块223提供的控制信号，组合输出转移模块和积分模块的V、H波形。

AD配置模块225：给AD9814提供sload、sclock和sdata三组配置信号，使AD在相应的工作模式下工作。

2.3 CPLD驱动各模块间的工作流程

图3所示为各模块调用的具体流程。

其具体步骤为：

Step1：系统开始上电，先使能AD配置模块225，通过模块产生的sload、sclock及sdata三个信号，对AD采样模块21内相应的寄存器进行配置操作。

Step2：各模块均开始工作，所有采集前端3的CCD摄像机进行FLUSH操作，通过控制模块223，将每个CCD摄像机的V、H均输出为转移模块221的Vt、Ht。

Step3：当有触发采集信号，通过控制模块223，停止所有CCD驱动输出模块224输出Vt、Ht波形，转而全部输出为积分模块222的Vq、Hq波形，程序中设定采集前端3的1#CCD摄像机积分时间为1S。

Step4：当采集前端3的1#CCD摄像机积分结束后，先利用transfer_start信号，将转移模块221复位，然后利用控制模块223控制CCD驱动输出模块224，将除采集前端3的1#CCD摄像机的V、H信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余采集前端3的各CCD摄像机的输出均为Vq、Hq波形输出。

Step5：当转移模块221完一帧图像后，产生一个名为v_xfer_done的脉冲信号，表示采集前端3的1#CCD摄像机传输结束，此时积分模块222对v_xfer_done脉冲信号计数，判断计数的值是否为12，是则表示系统所有的12个CCD图像采集完成，此时跳出图像采集阶段，重新进入FLUSH阶段，等待触发采集信号；否则表示系统采集工作还未结束，此时将除下一个需要采集 CCD的V、H信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余CCD图像的输出均为积分模块222的Vq、Hq波形输出，重复该过程，直至v_xfer_done脉冲信号的计数值为12时，采集才结束。

3.CPLD驱动仿真及说明

采用verilog HDL编程语言在quartus II开发平台进行仿真。为了更好观察仿真结果的正确性，程序将CCD转移行数和列数进行压缩，将CCD的积分时间缩短。

仿真结果如图4a～图4e所示。从图中可以看出仿真波形结果按照设计思路产生，且没有毛刺。由仿真结果可知，当系统上电，产生AD芯片寄存器的配置波形，AD采样模块开始工作，所有采集前端3的CCD摄像机均输出转移阶段的波形，去除CCD内积累的电荷。当激励输入触发采集信号，所有采集前端3的CCD摄像机均输出积分阶段的波形，所有采集前端3的CCD摄像机开始采集。当第一个CCD摄像机设定的积分时间结束，第一个CCD摄像机转为输出转移阶段的波形，其他所有CCD摄像机仍输出为积分阶段的波形，当第一个CCD转移阶段结束，触发第二个CCD摄像机转为输出转移阶段的波形，其他所有CCD摄像机仍输出为积分阶段的波形，重复该过程，直至最后一个CCD转移结束，12台CCD摄像机采集结束。在该过程中相应产生AD驱动信号（图中名为CLAMP、sample和AD_clk等三个信号）和GIGE同步信号（帧同步Frame、行同步Line和像素同步Pix）。采集前端3可由彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机等不同类型的摄像机组成。

本实用新型可运用于视频安防监控需要布置较为密集的重要场所（例如银行库房、阳极泥车间、保密机构等），这些重要场所需要实现同一区域360°无死角同步视频采集，因此需要在同一处各个角度设置多台摄像机，目前该种视频监控系统实现常用的方法为：为每台摄像机均配置一套独立采集驱动系统，并将各摄像机采集获取的图像汇聚到视频光端机（摄像机为模拟前端）或交换机（摄像机为数字前端）统一上传至监控中心，系统需要实现同步采集，则需要给该区域配置视频同步盒一台，为各前端摄像机提供同步信号。

本实用新型也可以运用于医学领域CCD DR探测器中，目前CCD DR探测器大部分均采用医学专用的单个大分辨率CCD传感器实现采集。单个CCD DR探测器需选用超大广角镜头，采集光路较长，从而导致产品体积和重量偏大，不利于安装和运输等工程化操作，同时大分辨率CCD传感器和超大广角镜头价格较为昂贵。利用多个小分辨率CCD 传感器和镜头，可以减少图像采集的光路，从而减少产品体积和重量，同时可以减少产品的成本。

Claims (3)

1.多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，包括驱动装置，其特征在于，驱动装置由AD采样模块、CPLD驱动硬件模块和GIGE传输模块构成，AD采样模块并联连接采集前端，AD采样模块通过GIGE传输模块连接PC 上位机；AD采样模块和GIGE传输模块分别与CPLD驱动硬件模块信号连接，CPLD驱动硬件模块与采集前端信号连接；

所述PC上位机：作为视频管理工作站使用，用于显示和管理各CCD摄像机的视频图像；

所述AD采样模块：用于将采集到各CCD传感器的模拟信号转换为数字信号，含AD采样芯片、放大电路和电源供电模块；

所述CPLD驱动硬件模块：用于给采集前端、AD采样模块和GIGE传输模块提供工作必要时序驱动，含时钟输入、复位按钮输入、触发采集按钮输入、CPLD驱动芯片和电源供电等模块；

所述GIGE传输模块 ：千兆网传输接口，用于将各CCD的视频数字信号图像传输至PC上位机。

2.根据权利要求1所述的多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，其特征在于，所述采集前端为CCD摄像机组成，用于采集前端视频模拟量图像数据。

3.根据权利要求1所述的多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，其特征在于，所述CCD摄像机为彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机或至少两种摄像机的组合。