專利名稱：模塊化cmos工業相機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用于工業產品檢測、智能交通系統和視頻監控領域的檢測 設備，具體涉及模塊化CMOS工業相機。
背景技術：
工業智能相機廣泛應用于智能交通、電子警察、安防監控、工業生產及檢測、醫學 顯微等領域，是機器視覺系統的核心組件。CMOS由于其與CCD制造工藝不同，與CCD相比較 所具有的優勢為集成度高，功耗低，體積小，制造成本低，抗輻射能力強，適合特殊場合應 用，靈敏度高，傳輸速度快，使用電源單一。因此，CMOS圖像傳感器在工業相機中得到的應用 會更加廣泛。但是目前國內已有的CMOS相機存在如下不足在功能上不夠完善，不適用于 檢測高速運動物體；采用PC處理技術，對產品的更新和升級比較困難，不能進行二次開發， 并且體積結構龐大，功耗較大。
發明內容針對上述問題，本實用新型提供了模塊化CMOS工業相機，適用于檢測高速運動目 標；易于產品更新和升級，能夠進行二次開發，并且體積小，功耗低。本實用新型的技術方案如下模塊化CMOS工業相機，該相機硬件部分包括工業鏡 頭、成像傳感器模塊、邏輯管理模塊、數據處理模塊和相機外殼；軟件部分包括相機服務器 軟件和PC機網絡通信客戶端軟件；在模塊功能設計上，成像傳感器模塊主要安裝了傳感器 和相應的電源電路，數據和控制線通過40針的扁平線與邏輯管理模塊相連；邏輯管理模塊 對成像傳感器模塊的寄存器進行配置，控制圖像采集的工作流程，并將數據轉換成數據處 理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式；數據處理模塊接收邏輯管理模塊的圖像 數據，并對其進行實時處理，處理結果通過以太網口輸出至PC機或者執行機構；其特征在 于，所述成像傳感器模塊為CMOS成像傳感器模塊，其采用具有全局曝光能力的CMOS傳感器 芯片，所述邏輯管理模塊為FPGA邏輯管理模塊，其采用FPGA芯片，所述數據處理模塊為DSP 數據處理模塊，其采用TMS320DM642DSP芯片；CMOS成像傳感器模塊通過40針扁平線連接 到FPGA邏輯管理模塊，FPGA邏輯管理模塊將得到的數據轉換成DSP數據處理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式，最終傳入DSP數據處理模塊的存儲器，DSP數據處理模塊對 得到的圖像數據進行處理，處理后的圖像結果通過以太網口傳輸到客戶端，與客戶端軟件 進行網絡通信，客戶端軟件傳輸初始化設置參數和實時顯示處理后的圖像。其進一步的特征在于所述CMOS成像傳感器模塊、FPGA邏輯管理模塊、DSP數據 處理模塊這三個模塊采用獨立的電路板設計，各模塊通過接插件連接；FPGA邏輯管理模塊處理之后的圖像數據是以分離的三通道YUV數據或Bayer RAW 格式的圖像數據由VP 口傳入DSP數據處理模塊；所述的DSP數據處理模塊(可再擴展)，采用的是TMS320DM642數字信號處理器， 外擴了兩片4M*32bit的SDRAM，一片4M的Flash，能穩定工作在600MHz的時鐘頻率，集成了 10/100M以太網接口，可配置的圖像視頻端口，通用I/O接口，主要用于攝像機采集視頻 流的圖像處理和進行網絡通信；所述的圖像處理可以對圖像數據進行Gamma校正、直方圖均衡化、手動/自動白平 衡處理，并自帶了部分圖像處理算法，和嵌入了 TI Image Library，滿足特殊用戶定制，也 方便后繼開發；所述的網絡通信是指客戶端軟件通過以太網與作為服務器端的DSP數據處理模 塊通信，傳輸設置CMOS成像傳感器模塊的相應參數和接收處理后的圖像數據；所述設置CMOS成像傳感器模塊的相應參數的具體參數包括曝光時間、圖像大小、 采集模式、圖像格式、單斜率/多斜率積分模式設置；所述的圖像采集模式包括連續觸發、外觸發、軟件觸發。本實用新型中，CMOS成像傳感器模塊中CMOS傳感器芯片具有全局曝光能力，因此 可以采集高速運動物體的圖像，同時CMOS傳感器芯片自身具有圖像分辨率高、低功耗，性 能穩定的優點；在相機內部體系結構設計上采用了模塊化的設計思想，有利于系統資源調度，使 整個相機系統的硬件具有可裁減、可升級更新等優點；由于內置了嵌入式的TMS320DM642 DSP處理器，客戶可以根據具體應用對相機進 行二次開發；由于采用了嵌入式處理器，通過以太網口與客戶端軟件的通信，取代了原有的PC 機系統，只需單電源供電，功耗低，并且系統結構緊湊。
圖1為本實用新型的工業一體化CMOS相機總體結構圖；圖2為本實用新型的內部模塊化電路結構圖；圖3為本實用新型FPGA邏輯管理模塊方框圖；圖4為本實用新型DSP數據處理模塊方框圖；圖5為本實用新型供電模塊示意圖；圖6為本實用新型圖像處理流程圖；圖7為本實用新型網絡通信流程圖；圖8為本實用新型程序總體流程圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方案，并參照附圖，對本實用新型的細節和原理進一步詳細說 明。如圖1、圖2、圖3和圖4所示，該模塊化智能CMOS相機硬件部分包括工業鏡頭1、 CMOS成像傳感器模塊2、FPGA邏輯管理模塊3、DSP數據處理模塊4和相機外殼(圖中沒有 表達)，DSP數據處理模塊4包括PHY物理層芯片5，網絡隔離變壓器6，RJ45接口 7，EEPROM 芯片8，總容量32M的SDRAM數據存儲器10，4M的FLASH程序存儲器11，數字10 口 12，DSP 芯片13，9為電源模塊。在模塊功能設計上，CMOS成像傳感器模塊2主要安裝了 CMOS傳感 器和相應的電源電路，CMOS成像傳感器模塊2采用具有全局曝光能力的CMOS傳感器芯片，FPGA邏輯管理模塊3采用FPGA芯片，DSP數據處理模塊采用TMS320DM642 DSP芯片，CMOS 成像傳感器模塊通過40針的扁平線與FPGA邏輯管理模塊相連；FPGA邏輯管理模塊3對 CMOS成像傳感器模塊的寄存器進行配置，控制圖像采集的工作流程，并將數據轉換成DSP 數據處理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式；最終傳入DSP數據處理模塊的存儲 器，DSP數據處理模塊接收FPGA邏輯管理模塊的圖像數據，并對其進行實時處理，處理后的 圖像結果通過以太網口傳輸到客戶端，與客戶端軟件進行網絡通信，客戶端軟件傳輸初始 化設置參數和實時顯示處理后的圖像。本實用新型的CMOS成像傳感器模塊、FPGA邏輯管理模塊和DSP數據處理模塊在 硬件電路的具體實現上采用模塊化設計，分成三個電路板，各模塊通過接插件連接，具體如 圖2所示。本實用新型的FPGA邏輯管理模塊的具體硬件電路實現如圖3所示，通過CMOS接 口(40針扁平線)設置CMOS傳感器中寄存器的參數并接收CMOS模塊采集到的圖像數據。 外接5V的直流電源通過電源模塊可以得到3. 3V電壓作為FPGA邏輯管理模塊的10及整個 系統數字電源，得到的1. 2V電壓作為FPGA邏輯管理模塊的內核電源。FPGA邏輯管理模塊 將時序轉換的圖像數據通過VPl 口傳入DSP數據處理模塊。FPGA邏輯管理模塊通過IIC總 線接收DSP數據處理模塊傳送的配置參數，Reset_L是電壓監控芯片產生的復位電平，控制 FPGA邏輯管理模塊復位。本實用新型的DSP數據處理模塊具體如圖4所示，DSP芯片用的是TI公司的 TMS320DM642數字信號處理器，通過IIC總線給FPGA邏輯管理模塊配置參數。DM642有16 路通用1/0 口(GPIO)，與外設相連能夠產生CPU中斷和EDMA中斷，通過與FPGA邏輯管理 模塊的1/0 口連接，實現DSP數據處理模塊與FPGA邏輯管理模塊之間的數據交換。DSP數 據處理模塊通過VPl 口接收FPGA邏輯管理模塊時序轉換的圖像數據。PCI/HPI端口復用 管腳，通過HPI，主機設備可以訪問DSP數據處理模塊的整個內存空間，以太網媒體接入控 制器(EMAC)提供DM642核心處理器與網絡之間的高效界面。DM642通過EMIF接口實現與 兩片SDRAM(4M*32bit)無縫連接，得到SDRAM的存儲空間為32M，同時通過EMIF連接一個 FLASH存儲器(4M)。P0WER&RESET通過外接5V直流電源得到3. 3V電壓作為DM642的1/0 及整個系統的數字電源，得到1.4V電壓作為DM642的內核電壓，然后利用其中的電源監控 芯片監控得到的1.4V、3. 3V電壓，如果電壓下降到限值以下，強制產生復位信號。如圖5所示，本實用新型的供電模塊是外接5V直流電源通過電源模塊產生1. 2V、 1. 4V和3. 3V電壓，并將得到的這些電壓通過電壓監控芯片監控。圖6為本實用新型的圖像處理流程圖，由CMOS成像傳感器模塊2采集到Bayer RAW圖像后通過雙線性插值得到三通道的RGB圖像，然后從RGB圖像空間轉換到YCbCr圖像 空間，在YCbCr空間對Y分量進行Gamma校正，并做直方圖均衡化處理，將處理后的圖像轉 換到RGB格式空間，再進行白平衡處理，最后在客戶端顯示。圖7為本實用新型的網絡通信流程。DSP數據處理模塊作為服務器(server)與PC 機作為客戶端(client)建立網絡通信。服務器端建立socket，綁定端口，開始監聽網絡， 等待客戶端請求。客戶端建立socket，綁定服務器端口，開始請求連接，DSP數據處理模塊 與PC機建立連接，客戶端發送請求，服務器接到請求并處理，然后發送相應的結果，客戶端 接收結果并再次發送請求如此循環。[0032] 如圖8所示，為本實用新型的軟件運行流程圖。程序上電運行，硬件、變量的初始 化，開始創建多任務，DSP數據處理模塊圖像處理任務負責接收網絡通信發送的圖像初始化 參數設置，包括曝光時間、圖像大小、采集模式、圖像格式、單斜率/多斜率積分模式設置， 接收成功后這些參數由FPGA邏輯管理模塊3配置給CMOS傳感器的寄存器，然后根據設置 的參數采集圖像，接下來DSP數據處理模塊對采集到的圖像進行處理，處理完的結果通過 網絡傳給客戶端顯示。網絡連接任務作為服務器的DSP數據處理模塊端負責與PC機客戶 端進行通信。
權利要求模塊化CMOS工業相機，該相機硬件部分包括工業鏡頭、成像傳感器模塊、邏輯管理模塊、數據處理模塊和相機外殼；軟件部分包括相機服務器軟件和PC機網絡通信客戶端軟件；在模塊功能設計上，成像傳感器模塊主要安裝了傳感器和相應的電源電路，數據和控制線通過40針的扁平線與邏輯管理模塊相連；邏輯管理模塊對成像傳感器模塊的寄存器進行配置，控制圖像采集的工作流程，并將數據轉換成數據處理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式；數據處理模塊接收邏輯管理模塊的圖像數據，并對其進行實時處理，處理結果通過以太網口輸出至PC機或者執行機構；其特征在于，所述成像傳感器模塊為CMOS成像傳感器模塊，其采用具有全局曝光能力的CMOS傳感器芯片，所述邏輯管理模塊為FPGA邏輯管理模塊，其采用FPGA芯片，所述數據處理模塊為DSP數據處理模塊，其采用TMS320DM642 DSP芯片；CMOS成像傳感器模塊通過40針扁平線連接到FPGA邏輯管理模塊，FPGA邏輯管理模塊將得到的數據轉換成DSP數據處理模塊的Video Port接口可以導入的時序格式，最終傳入DSP數據處理模塊的存儲器，DSP數據處理模塊對得到的圖像數據進行處理，處理后的圖像結果通過以太網口傳輸到客戶端，與客戶端軟件進行網絡通信，客戶端軟件傳輸初始化設置參數和實時顯示處理后的圖像。
2.根據權利要求1所述的模塊化CMOS工業相機，其特征在于所述CMOS成像傳感器 模塊、FPGA邏輯管理模塊、DSP數據處理模塊這三個模塊采用獨立的電路板設計，各模塊通 過接插件連接。
3.根據權利要求2所述的模塊化CMOS工業相機，其特征在于所述FPGA邏輯管理模 塊處理的圖像數據是以分離的三通道YUV數據或Bayer RAW格式的圖像數據由VP 口傳入 DSP數據處理模塊。
4.根據權利要求3所述的模塊化CMOS工業相機，其特征在于所述的DSP數據處理 模塊，采用的是TMS320DM642數字信號處理器，外擴了兩片4M*32bit的SDRAM，一片4M的 Flash，能穩定工作在600MHz的時鐘頻率，集成了 10/100M以太網接口、可配置的圖像視頻 端口、通用1/0接口，主要用于攝像機采集視頻流的圖像處理和進行網絡通信。
5.根據權利要求4所述的模塊化CMOS工業相機，其特征在于所述的網絡通信是指客 戶端軟件通過以太網與作為服務器端的DSP數據處理模塊通信，傳輸設置CMOS成像傳感器 模塊的相應參數和接收處理后的圖像數據。
6.根據權利要求5所述的模塊化CMOS工業相機，其特征在于所述設置CMOS成像傳感 器模塊的相應參數的具體參數包括曝光時間、圖像大小、采集模式、圖像格式、單斜率/多 斜率積分模式設置。
7.根據權利要求6所述的模塊化CMOS工業相機，其特征在于所述的圖像采集模式包 括連續觸發、外觸發、軟件觸發。
專利摘要本實用新型提供了模塊化CMOS工業相機。其適用于檢測高速運動目標、易于升級、體積小、功耗低。其硬件部分包括工業鏡頭、成像傳感器模塊、邏輯管理模塊、數據處理模塊；軟件部分包括相機服務器軟件和PC機網絡通信客戶端軟件；邏輯管理模塊通過對成像傳感器模塊的控制，完成圖像采集，并將數據轉換成數據處理模塊的VP口可以導入的時序格式；數據處理模塊接收圖像數據并對其進行實時處理，處理結果通過以太網口輸出至PC機或者執行機構；其特征在于，所述成像傳感器模塊采用具有全局曝光能力的CMOS傳感器芯片，所述邏輯管理模塊采用FPGA芯片，所述數據處理模塊采用TMS320DM642 DSP芯片。
文檔編號H04N5/225GK201754599SQ20102010296
公開日2011年3月2日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者吳莉婷, 李功燕, 王林興, 田原, 高陽 申請人:無錫藍天電子有限公司