CN209402618U - 一种基于fpga采集工业相机图像的usb传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，包括两路工业相机、FPGA芯片、第一晶振、第二晶振、USB3.0控制器和工控机，其中：FPGA芯片，分别与两路工业相机、第一晶振、第二晶振和USB3.0控制器相连接；USB3.0控制器，与工控机相连接。本实用新型公开的一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其能够及时可靠地将两路工业相机实时采集的图像，传输给工控机进行存储并显示，有利于工业现场的监控管理，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置

技术领域

本实用新型涉及机器视觉处理技术领域，特别是涉及一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置。

背景技术

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，在工业领域获得了广泛的应用，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。

工业相机一般使用Camera link接口传输图像信息。Camera link接口是一种高速数字相机与图像采集卡间的通信接口，通过多路高速并行LVDS信号(低电压差分信号)传输数据。

但是，目前还没有一种技术，能够及时可靠地将工业相机实时采集的图像，传输给工控机进行存储并显示，这样不利于工业现场的监控管理。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其能够及时可靠地将两路工业相机实时采集的图像，传输给工控机进行存储并显示，有利于工业现场的监控管理，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本实用新型提供了一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，包括两路工业相机、FPGA芯片、第一晶振、第二晶振、USB3.0控制器和工控机，其中：

FPGA芯片，分别与两路工业相机、第一晶振、第二晶振和USB3.0控制器相连接；

USB3.0控制器，与工控机相连接。

其中，所述工业相机，用于采集外部的图像信号，然后发送给FPGA芯片；

所述FPGA芯片，用于接收每路工业相机发来的外部图像信号，然后发送给USB3.0控制器；

第一晶振，用于为FPGA芯片提供预设第一频率的时钟信号；

第二晶振，用于为FPGA芯片提供预设第二频率的时钟信号；

USB3.0控制器，用于接收所述FPGA芯片发来的、工业相机所采集的外部图像信号，然后转发给工控机；

工控机，用于接收并存储USB3.0控制器发来的工业相机所采集的外部图像信号，然后进行显示。

其中，所述FPGA芯片，通过Camera link接口与工业相机相连接；

所述FPGA芯片，通过GPIFⅡ接口和UART接口与USB3.0控制器相连接。

其中，所述USB3.0控制器，通过USB接口与工控机相连接。

其中，还包括E2PROM，与USB3.0控制器相连接。

其中，所述FPGA芯片包括：主控电路、时钟控制电路、图像采集电路、USB控制器接口处理电路和Block RAM电路，其中：

主控电路，分别与时钟控制电路、图像采集电路、USB控制器接口处理电路和BlockRAM电路相连接。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其能够及时可靠地将两路工业相机实时采集的图像，传输给工控机进行存储并显示，有利于工业现场的监控管理，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

此外，对于实用新型提供的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其相对于现有技术，通过在FPGA中完成利用专用芯片才能实现的功能，能够实现工业相机图像信息的实时采集和传输，运行稳定、可靠、操作简单、维护方便，利用FPGA简化结构，节省成本，达到了设计要求。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置的硬件及主要信号线连接示意图；

图2为本实用新型提供的一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置中FPGA内部功能模块的连接示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1、图2，本实用新型提供了一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，包括两路工业相机、FPGA(现场可编程门阵列)芯片、第一晶振、第二晶振、USB3.0控制器和工控机，其中：

FPGA芯片，分别与两路工业相机、第一晶振、第二晶振和USB3.0控制器相连接；

USB3.0控制器，与工控机相连接。

在本实用新型中，所述工业相机，用于采集外部的图像信号，然后发送给FPGA芯片，即完成外部图像的采集功能；

所述FPGA芯片，用于接收每路工业相机发来的外部图像信号(具体通过Cameralink接口)，然后发送给USB3.0控制器；即主要完成Camera link接口传输的图像信号的接收、处理和转发；

第一晶振，用于为FPGA芯片提供预设第一频率的时钟信号，具体为：为FPGA芯片提供20MHz高精度低抖动的时钟信号；

第二晶振，用于为FPGA芯片提供预设第二频率的时钟信号，具体为：为FPGA提供19.2MHz高精度低抖动的时钟信号；

USB3.0控制器，用于接收所述FPGA芯片发来的、工业相机所采集的外部图像信号，然后转发给工控机；USB3.0控制器主要完成USB3.0通信协议的处理；

工控机，用于接收并存储USB3.0控制器发来的工业相机所采集的外部图像信号，然后进行显示。也就是说，工控机主要完成工业相机的图像数据解析、显示和人机交互功能。

在本实用新型中，具体实现上，所述FPGA芯片，通过Camera link接口与工业相机相连接；

所述FPGA芯片，通过GPIFⅡ接口(并行通用可编程接口)和UART(通用异步收发传输器)接口与USB3.0控制器相连接。

在本实用新型中，具体实现上，所述USB3.0控制器，通过USB接口与工控机相连接。

在本实用新型中，具体实现上，还包括E2PROM(即EEPROM，带电可擦可编程只读存储器)，与USB3.0控制器相连接，用于完成USB3.0控制器的启动配置。

需要说明的是，对于本实用新型，所述FPGA芯片通过UART接口接收USB3.0控制器转发的工控机指令，从而对工业相机进行实时控制；所述工控机可以显示两路工业相机采集到的图像数据。

具体实现上，需要说明的是，每路工业相机，包括至少一个工业相机，例如可以包括位于同一连接线路上的多个工业相机。

在本实用新型中，具体实现上，所述FPGA芯片可以采用Xilinx(赛灵思)公司生产的型号为XC6VLX45T-FGG484的FPGA芯片。

在本实用新型中，具体实现上，所述工业相机可以采用德国Basler公司生产的L301kc工业相机。

在本实用新型中，具体实现上，所述USB3.0控制器可以采用Cypress(赛普拉斯)公司生产的型号为CYUSB3014的USB3.0控制器。

需要说明的是，对于本实用新型，其通过在工业相机和工控机之间通过FPGA处理Camera link接口的图像数据，以及利用USB3.0接口实现图像数据的实时采集和传输处理，从而最终有利于工业现场的监控管理。

对于本实用新型，所述FPGA芯片通过Camera link接口接收两路工业相机采集的图像信息，可以按照工业相机20MHz、40MHz、60MHz的不同工作频率进行数据复接，然后利用FIFO(先进先出)，通过跨时钟域处理变换到本地的60MMHz时钟域，将两路并行图像数据和同步信号经过FPGA芯片的主控电路的变换以及通过GPIF II接口送给USB3.0控制器，然后，USB3.0控制器通过USB接口送给工控机，以进行后端的解析、处理和显示。

对于本实用新型，工控机和USB3.0控制器通过USB接口连接，USB3.0控制器和FPGA之间通过UART串口进行通信，可以控制两路工业相机的参数设置。

在本实用新型中，具体实现上，参见图2所示，所述FPGA芯片包括：主控电路、时钟控制电路、图像采集电路、USB控制器接口处理电路和Block RAM(块随机存储器)电路，其中：

主控电路，分别与时钟控制电路、图像采集电路、USB控制器接口处理电路和BlockRAM(块随机存储器)电路相连接，用于负责各个电路信号的管理和调度；

具体实现上，时钟控制电路，用于输入20MHz参考时钟，然后输出60MHz和80MHz工作时钟，输出的时钟作为图像采集电路、主控电路和USB控制器接口处理电路的主工作时钟，以及输入19.2MHz参考时钟，然后输出19.2MHz、38.4MHz等可变时钟送给USB3.0控制器使用；

图像采集电路，用于接收每路工业相机发来的外部图像信号(具体通过Cameralink接口)，然后发送给主控电路；也就是说，图像采集电路的输入信号是工业相机通过Camera link接口输出的外部图像信号，而输出信号连接到主控电路；

对应地，主控电路，用于接收图像采集电路发来的、工业相机所采集的外部图像信号，然后发送给USB控制器接口处理电路；

USB控制器接口处理电路，用于接收所述主控电路发来的工业相机所采集的外部图像信号，然后转发给USB3.0控制器。也就是说，USB控制器接口处理电路的数据收发信号连接到主控电路，并且通过GPIFⅡ接口、UART接口与USB3.0控制器连接。

Block RAM电路，用于读取主控电路中的外部图像信号，并实时存储，即实现数据的存储功能。也就是说，Block RAM电路利用FPGA内部的Block RAM(块随机存储器)资源，来实现数据的存储。

需要说明的是，对于本实用新型，工业相机可以工作在三种时钟频率下，具体为：20MHz、40MHz、60MHz。在基本配置模式下，Camera link接口数据经还原后，三个端口(即A、B、C端口)具有八位数据，在20MHz时，使用端口A、B、C，在40MHz时使用端口A、B，在60MHz时使用端口A。在三种速率下，每个端口的位宽可以是八位，只有在40MHz和60MHz频率下，端口位宽可以设为十位。

对于本实用新型，具体实现上，时钟控制电路，通过调用FPGA IP核实现。输入20MHz参考时钟，输出60MHz和80MHz时钟。输出的时钟作为图像采集电路、主控电路、USB控制器接口处理电路的主时钟。此外，输入19.2MHz参考时钟，输出19.2MHz、38.4MHz等可变时钟，送给USB3.0控制器使用。

对于本实用新型，具体实现上，图像采集电路，用于处理两路工业相机通过Cameralink接口发来的数据，利用FIFO进行跨时钟域处理，由三种工作频率调整到本地60MHz时钟域，同时将数据复接后生成10比特数据，并将FVAL、LVAL数据控制信号调整到本地60MHz时钟域。

对于本实用新型，具体实现上，USB控制器接口处理电路，通过GPIF II接口把图像数据写入USB3.0控制器内部Slave FIFO(从属缓存区)，同时在写完毕后，触发USB3.0控制器向工控机(如PC机传)输数据。

USB3.0控制器作为FPGA芯片的从机，由FPGA芯片提供控制信号和数据信号，可进行相应数据控制和传输，以及通过UART接口接收控制信息,可以实现对工业相机的参数配置。

对于本实用新型，具体实现上，主控电路，完成两路工业相机通过Camera link接口发来的数据信号和控制信号以及同步信号的复接，32位并行数据中两路Camera link接口信号各占用14位，同步和控制信号占用2位，空闲的2位可以作为备用传输通道使用。利用FIFO进行跨时钟域处理，将图像采集电路处理的本地60MHz时钟域调整到80MHz时钟域，调用Block RAM电路实现数据缓存。根据其他电路提供的状态告警信号，产生复位信号以控制各电路的初始化和进行信号复位。可以通过工控机(如状态机)管理电路，基本状态包括初始态、同步态、空闲态、工作态。当系统上电和失步时，处于初始态，检测USB接口侧状态信号，GPIF II接口链路同步后即进入同步态。检测图像数据有效信号，如果检测到有效信号，则进入工作态，否则进入空闲态。

基于以上技术方案可知，对于本实用新型提供的一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，可用于工业相机图像信息的实时采集、传输和显示，降低了产品设计和维护成本，节省了存储资源，稳定性好。

综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其能够及时可靠地将两路工业相机实时采集的图像，传输给工控机进行存储并显示，有利于工业现场的监控管理，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

此外，对于实用新型提供的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其相对于现有技术，通过在FPGA中完成利用专用芯片才能实现的功能，能够实现工业相机图像信息的实时采集和传输，运行稳定、可靠、操作简单、维护方便，达到了设计要求。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其特征在于，包括两路工业相机、FPGA芯片、第一晶振、第二晶振、USB3.0控制器和工控机，其中：

FPGA芯片，分别与两路工业相机、第一晶振、第二晶振和USB3.0控制器相连接；

USB3.0控制器，与工控机相连接。

2.如权利要求1所述的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其特征在于，所述工业相机，用于采集外部的图像信号，然后发送给FPGA芯片；

所述FPGA芯片，用于接收每路工业相机发来的外部图像信号，然后发送给USB3.0控制器；

第一晶振，用于为FPGA芯片提供预设第一频率的时钟信号；

第二晶振，用于为FPGA芯片提供预设第二频率的时钟信号；

USB3.0控制器，用于接收所述FPGA芯片发来的、工业相机所采集的外部图像信号，然后转发给工控机；

工控机，用于接收并存储USB3.0控制器发来的工业相机所采集的外部图像信号，然后进行显示。

3.如权利要求1所述的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其特征在于，所述FPGA芯片，通过Camera link接口与工业相机相连接；

所述FPGA芯片，通过GPIFⅡ接口和UART接口与USB3.0控制器相连接。

4.如权利要求1所述的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其特征在于，所述USB3.0控制器，通过USB接口与工控机相连接。

5.如权利要求1所述的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其特征在于，还包括E2PROM，与USB3.0控制器相连接。

6.如权利要求1至5中任一项所述的基于FPGA采集工业相机图像的USB传输装置，其特征在于，所述FPGA芯片包括：主控电路、时钟控制电路、图像采集电路、USB控制器接口处理电路和Block RAM电路，其中：

主控电路，分别与时钟控制电路、图像采集电路、USB控制器接口处理电路和Block RAM电路相连接。