USB3.0CMOS線陣工業相機的制作方法

文檔序號：11085610閱讀：1567來源：國知局

本實用新型涉及工業相機，特別是具有USB3.0接口的CMOS線陣工業相機。

(二)

背景技術：

工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，相比于傳統相機，具有高的圖像穩定性、高傳輸帶寬和高抗干擾能力等，目前市面上工業相機大多是基于CCD或CMOS芯片的相機。早期的工業相機多采用PAL/NTSC/SECAM/S-VIDEO等格式信號輸出，需要配備專用圖像采集卡才能轉化為計算機可處理的數字信息。隨著GigE/USB/IEEE/DCOM/Camera Link LVDS等數字接口技術的發展和普及，目前越來越多的工業數字相機取代傳統的模擬相機出現在各種機器視覺系統應用中。工業相機按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機。

線陣CCD具有結構簡單，成本較低的特點。可以同時儲存一行視頻信號。由于其單排感光單元的數目可以做得很多，在同等測量精度的前提下，其測量范圍可以做的較大，并且由于線陣CCD實時傳輸光電變換信號和自掃描速度快、頻率響應高，能夠實現動態測量，并能在低照度下工作，所以線陣CCD廣泛地應用在產品尺寸測量和分類、非接觸尺寸測量、條形碼等許多領域。

為了方便工業相機安裝，提高圖像傳輸率，專利申請號為CN200910243884.2“一種USB數字工業相機”的文獻“公開了一種應用于機器視覺領域的黑白/彩色的USB數字工業相機，它將多種功能高度集成化于相機內部，采用USB2.0數據輸出接口和總像素140萬～500萬像素的CCD圖像傳感器，可以通過外部信號觸發或連續采集，具有采集速度快、圖像清晰度高等特點。USB數字工業相機采用軟硬件結合的設計思想，通過USB接口，實現相機硬件和PC機上運行的演示軟件之間的通信，進一步方便了用戶進行數據的訪問和工業過程的監控。”

近年來隨著圖像采集速度的飛速提升，以上工業相機具有以下不足：1.采用CCD圖像傳感器的工業相機，功耗要比CMOS圖像傳感器的工業相機大，這樣在高采集速度下，相機功耗必然相當巨大。2.采用面陣傳感器圖像質量比同價位線陣圖像傳感器圖像清晰度低，3.GigE接口相機帶寬受限制1.25Gb/s，USB2.0接口相機帶寬僅僅480Mb/s，都無法滿足更高采集速度的要求。CameraLink接口帶寬高但是接口體積巨大，同時需要配備價格昂貴的采集卡，應用成本和使用便利性受限。

針對以上不足，本實用新型采用USB3.0接口，線陣CMOS圖像傳感器，USB3.0接口帶寬高達5Gbps，可極大提高相機采集速度和分辨率，降低系統方案成本，減小相機體積和功耗，提高圖像質量，同時在硬件實現拼接壓縮等算法，減輕主機運算處理壓力，尤其在多臺相機應用場合更顯優勢。線陣CMOS圖像傳感器分辨率從2K～12K，采集頻率高達100K，可滿足高速高分辨率的苛刻需求。

本實用新型包括相機結構包括如下模塊：USB3.0通用總線接口及其控制器、可編程邏輯芯片PLD、同步隨機存儲器DDR3、現場可編程陣列FPGA、線陣CMOS圖像傳感器，電源管理模塊；

CMOS線陣圖像傳感器感受圖像信號，PLD輸出驅動時序至圖像傳感器，圖像傳感器出臺像素把時鐘信號CLK、圖像數據信號DATA、同步數據信號LVAL傳送給可編程邏輯芯PLD模塊，在可編程邏輯芯PLD模塊中進行數據重組轉換，輸出差分數據信號LVDS信號到現場可編程陣列FPGA；現場可編程陣列FPGA通過存儲器DDR3緩沖圖像數據，同時進行數據拼接，同時通過GPIFII接口輸出至USB3.0控制器的數據緩沖區，最后由USB3.0控制器由通用USB3.0接口引擎傳輸至USB3.0主機HOST端。另外主機可發送控制指令至USB3.0控制器，USB3.0控制器通過SPI接口設置FPGA工作模式以及圖像處理參數，也可設置線陣CMOS圖像傳感器圖像采集參數。

其工作流程是：開機后把相機連接主機，相機自動進行USB2.0設備枚舉，再進行USB3.0設備枚舉，USB3.0設備枚舉成功則設置USB設備傳輸帶寬為5Gb/s，否則設置USB設備傳輸帶寬為480Mb/s；隨后設置圖像參數，設置相機硬件拼接參數，設置工作模式，進行圖像數據采集，進行外觸發工作模式查詢，外觸發模式則接受外觸發信號，否則查詢軟件觸發工作模式，軟件觸發則接受軟件觸發指令，否則進行自動連續工作模式，采集圖像線陣信號，再進行12bit至8bit圖像壓縮，圖像硬件拼接，完成采集，工作結束。

(三)

技術實現要素：

本實用新型的目的就是提供一種采用USB3.0接口，CMOS線陣圖像傳感器的相機，提高采集速度和圖像分辨率，減小相機體積，降低成本與功耗。

本實用新型的目的是這樣實現的：相機結構包括如下模塊：USB3.0通用總線接口及其控制器、可編程邏輯芯片PLD、同步隨機存儲器DDR3、現場可編程陣列FPGA、線陣CMOS圖像傳感器，電源管理模塊；

CMOS線陣圖像傳感器感受圖像信號，PLD輸出驅動時序至圖像傳感器，圖像傳感器出臺像素把時鐘信號CLK、圖像數據信號DATA、同步數據信號LVAL傳送給可編程邏輯芯PLD模塊，在可編程邏輯芯PLD模塊中進行數據重組轉換，輸出差分數據信號LVDS信號到現場可編程陣列FPGA；現場可編程陣列FPGA通過存儲器DDR3緩沖圖像數據，同時進行數據拼接，同時通過GPIFII接口輸出至USB3.0控制器的數據緩沖區，最后由USB3.0控制器由通用可編程接口GPIF傳送32bit信號以及通過串行外設接口SPI輸入外設信號，USB3.0接口引擎傳輸至USB3.0接口；

(四)附圖說明

本實用新型的具體結構工作流程由以下的實施例及其附圖1、附圖2給出。附圖1是USB3.0CMOS線陣工業相機硬件結構原理框圖。附圖2是USB3.0CMOS線陣工業相機工作流程圖。附圖3是USB3.0CMOS線陣工業相機機械尺寸圖。附圖4是USB3.0CMOS線陣工業相機4K分辨率相機的基本性能參數表格圖。

(五)具體實施例

本實用新型的運行過程如下：

(1)附圖1給出了本實用新型的硬件結構，按照圖示對硬件進行焊接組裝，并通過usb接口把驅動程序植入到ddr3中。本發明包括：USB3.0通用總線接口及其控制器、可編程邏輯芯片PLD、同步隨機存儲器DDR3、現場可編程陣列FBGA、線陣CMOS圖像傳感器，電源管理模塊。

本實用新型的工作原理是：相機由usb總線與主機連接并提供相機所需電源。此電源由電源管理模塊對相機內部各模塊提供所需電源。CMOS線陣圖像傳感器感受圖像信號，把時鐘信號CLK、標準數據信號DATA、長數據信號LVAL傳送給可編程邏輯芯PLD模塊，在可編程邏輯芯PLD模塊，輸出長數據信號LVDS信號到現場可編程陣列FPGA；現場可編程陣列FPGA，同時由USB3.0控制器由通用可編程接口GPIF傳送32bit信號以及通過串行外設接口SPI輸入外設信號，現場可編程陣列FPGA由同步數據隨機存儲器DDR3中程序控制，現場可編程陣列FPGA處理后數據信號傳入DDR3儲存，現場可編程陣列FPGA處理后的圖像信號最后經由通用可編程接口GPIF進入USB3.0控制器通過USB3.0總線與主機通信。

(2)本實用新型工作流程如附圖2所示。其運行過程如下：

開機后把相機連接主機進行USB2.0設備枚舉，再進行USB3.0設備枚舉，USB3.0設備枚舉成功則設置USB設備傳輸帶寬為5Gb/s，否則設置USB設備傳輸帶寬為480Mb/s；隨后設置圖像參數，設置相機硬件拼接參數，設置工作模式，進行圖像數據采集，進行外觸發工作模式查詢，外觸發模式則接受外觸發信號，否則查詢軟件觸發工作模式，軟件觸發則接受軟件觸發指令，否則進行自動連續工作模式，采集圖像線陣信號，再進行12bit至8bit圖像壓縮，圖像硬件拼接，完成采集，工作結束。

(3)本實用新型機械外觀如附圖3所示。機尺寸29mm*30mm*44mm；前端有32UNC鏡頭標準接口；后端有USB3.0接口及外觸發接口。

(4)本實用新型各規格參數如附圖4所示。具體參數如下：

1、圖像傳感器：CMOS；

2、分辨率：4096×1

3、像元尺寸：3.5μm×3.5μm

4、快門：全局曝光

5、行頻：80kHz

6、黑白/彩色：黑白

7、接口：USB3.0

8、圖像輸出格式：Raw8/Mono8

9、像素位深：8/12bits

10、同步控制：自由模式/軟觸發模式/外觸發模式/固定頻率模式