专利名称：模块化cmos工业相机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于工业产品检测、智能交通系统和视频监控领域的检测 设备，具体涉及模块化CMOS工业相机。
背景技术：
工业智能相机广泛应用于智能交通、电子警察、安防监控、工业生产及检测、医学 显微等领域，是机器视觉系统的核心组件。CMOS由于其与CCD制造工艺不同，与CCD相比较 所具有的优势为集成度高，功耗低，体积小，制造成本低，抗辐射能力强，适合特殊场合应 用，灵敏度高，传输速度快，使用电源单一。因此，CMOS图像传感器在工业相机中得到的应用 会更加广泛。但是目前国内已有的CMOS相机存在如下不足在功能上不够完善，不适用于 检测高速运动物体；采用PC处理技术，对产品的更新和升级比较困难，不能进行二次开发， 并且体积结构庞大，功耗较大。
发明内容针对上述问题，本实用新型提供了模块化CMOS工业相机，适用于检测高速运动目 标；易于产品更新和升级，能够进行二次开发，并且体积小，功耗低。本实用新型的技术方案如下模块化CMOS工业相机，该相机硬件部分包括工业镜 头、成像传感器模块、逻辑管理模块、数据处理模块和相机外壳；软件部分包括相机服务器 软件和PC机网络通信客户端软件；在模块功能设计上，成像传感器模块主要安装了传感器 和相应的电源电路，数据和控制线通过40针的扁平线与逻辑管理模块相连；逻辑管理模块 对成像传感器模块的寄存器进行配置，控制图像采集的工作流程，并将数据转换成数据处 理模块的Video Port接口可以导入的时序格式；数据处理模块接收逻辑管理模块的图像 数据，并对其进行实时处理，处理结果通过以太网口输出至PC机或者执行机构；其特征在 于，所述成像传感器模块为CMOS成像传感器模块，其采用具有全局曝光能力的CMOS传感器 芯片，所述逻辑管理模块为FPGA逻辑管理模块，其采用FPGA芯片，所述数据处理模块为DSP 数据处理模块，其采用TMS320DM642DSP芯片；CMOS成像传感器模块通过40针扁平线连接 到FPGA逻辑管理模块，FPGA逻辑管理模块将得到的数据转换成DSP数据处理模块的Video Port接口可以导入的时序格式，最终传入DSP数据处理模块的存储器，DSP数据处理模块对 得到的图像数据进行处理，处理后的图像结果通过以太网口传输到客户端，与客户端软件 进行网络通信，客户端软件传输初始化设置参数和实时显示处理后的图像。其进一步的特征在于所述CMOS成像传感器模块、FPGA逻辑管理模块、DSP数据 处理模块这三个模块采用独立的电路板设计，各模块通过接插件连接；FPGA逻辑管理模块处理之后的图像数据是以分离的三通道YUV数据或Bayer RAW 格式的图像数据由VP 口传入DSP数据处理模块；所述的DSP数据处理模块(可再扩展)，采用的是TMS320DM642数字信号处理器， 外扩了两片4M*32bit的SDRAM，一片4M的Flash，能稳定工作在600MHz的时钟频率，集成了 10/100M以太网接口，可配置的图像视频端口，通用I/O接口，主要用于摄像机采集视频 流的图像处理和进行网络通信；所述的图像处理可以对图像数据进行Gamma校正、直方图均衡化、手动/自动白平 衡处理，并自带了部分图像处理算法，和嵌入了 TI Image Library，满足特殊用户定制，也 方便后继开发；所述的网络通信是指客户端软件通过以太网与作为服务器端的DSP数据处理模 块通信，传输设置CMOS成像传感器模块的相应参数和接收处理后的图像数据；所述设置CMOS成像传感器模块的相应参数的具体参数包括曝光时间、图像大小、 采集模式、图像格式、单斜率/多斜率积分模式设置；所述的图像采集模式包括连续触发、外触发、软件触发。本实用新型中，CMOS成像传感器模块中CMOS传感器芯片具有全局曝光能力，因此 可以采集高速运动物体的图像，同时CMOS传感器芯片自身具有图像分辨率高、低功耗，性 能稳定的优点；在相机内部体系结构设计上采用了模块化的设计思想，有利于系统资源调度，使 整个相机系统的硬件具有可裁减、可升级更新等优点；由于内置了嵌入式的TMS320DM642 DSP处理器，客户可以根据具体应用对相机进 行二次开发；由于采用了嵌入式处理器，通过以太网口与客户端软件的通信，取代了原有的PC 机系统，只需单电源供电，功耗低，并且系统结构紧凑。
图1为本实用新型的工业一体化CMOS相机总体结构图；图2为本实用新型的内部模块化电路结构图；图3为本实用新型FPGA逻辑管理模块方框图；图4为本实用新型DSP数据处理模块方框图；图5为本实用新型供电模块示意图；图6为本实用新型图像处理流程图；图7为本实用新型网络通信流程图；图8为本实用新型程序总体流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方案，并参照附图，对本实用新型的细节和原理进一步详细说 明。如图1、图2、图3和图4所示，该模块化智能CMOS相机硬件部分包括工业镜头1、 CMOS成像传感器模块2、FPGA逻辑管理模块3、DSP数据处理模块4和相机外壳(图中没有 表达)，DSP数据处理模块4包括PHY物理层芯片5，网络隔离变压器6，RJ45接口 7，EEPROM 芯片8，总容量32M的SDRAM数据存储器10，4M的FLASH程序存储器11，数字10 口 12，DSP 芯片13，9为电源模块。在模块功能设计上，CMOS成像传感器模块2主要安装了 CMOS传感 器和相应的电源电路，CMOS成像传感器模块2采用具有全局曝光能力的CMOS传感器芯片，FPGA逻辑管理模块3采用FPGA芯片，DSP数据处理模块采用TMS320DM642 DSP芯片，CMOS 成像传感器模块通过40针的扁平线与FPGA逻辑管理模块相连；FPGA逻辑管理模块3对 CMOS成像传感器模块的寄存器进行配置，控制图像采集的工作流程，并将数据转换成DSP 数据处理模块的Video Port接口可以导入的时序格式；最终传入DSP数据处理模块的存储 器，DSP数据处理模块接收FPGA逻辑管理模块的图像数据，并对其进行实时处理，处理后的 图像结果通过以太网口传输到客户端，与客户端软件进行网络通信，客户端软件传输初始 化设置参数和实时显示处理后的图像。本实用新型的CMOS成像传感器模块、FPGA逻辑管理模块和DSP数据处理模块在 硬件电路的具体实现上采用模块化设计，分成三个电路板，各模块通过接插件连接，具体如 图2所示。本实用新型的FPGA逻辑管理模块的具体硬件电路实现如图3所示，通过CMOS接 口(40针扁平线)设置CMOS传感器中寄存器的参数并接收CMOS模块采集到的图像数据。 外接5V的直流电源通过电源模块可以得到3. 3V电压作为FPGA逻辑管理模块的10及整个 系统数字电源，得到的1. 2V电压作为FPGA逻辑管理模块的内核电源。FPGA逻辑管理模块 将时序转换的图像数据通过VPl 口传入DSP数据处理模块。FPGA逻辑管理模块通过IIC总 线接收DSP数据处理模块传送的配置参数，Reset_L是电压监控芯片产生的复位电平，控制 FPGA逻辑管理模块复位。本实用新型的DSP数据处理模块具体如图4所示，DSP芯片用的是TI公司的 TMS320DM642数字信号处理器，通过IIC总线给FPGA逻辑管理模块配置参数。DM642有16 路通用1/0 口(GPIO)，与外设相连能够产生CPU中断和EDMA中断，通过与FPGA逻辑管理 模块的1/0 口连接，实现DSP数据处理模块与FPGA逻辑管理模块之间的数据交换。DSP数 据处理模块通过VPl 口接收FPGA逻辑管理模块时序转换的图像数据。PCI/HPI端口复用 管脚，通过HPI，主机设备可以访问DSP数据处理模块的整个内存空间，以太网媒体接入控 制器(EMAC)提供DM642核心处理器与网络之间的高效界面。DM642通过EMIF接口实现与 两片SDRAM(4M*32bit)无缝连接，得到SDRAM的存储空间为32M，同时通过EMIF连接一个 FLASH存储器(4M)。P0WER&RESET通过外接5V直流电源得到3. 3V电压作为DM642的1/0 及整个系统的数字电源，得到1.4V电压作为DM642的内核电压，然后利用其中的电源监控 芯片监控得到的1.4V、3. 3V电压，如果电压下降到限值以下，强制产生复位信号。如图5所示，本实用新型的供电模块是外接5V直流电源通过电源模块产生1. 2V、 1. 4V和3. 3V电压，并将得到的这些电压通过电压监控芯片监控。图6为本实用新型的图像处理流程图，由CMOS成像传感器模块2采集到Bayer RAW图像后通过双线性插值得到三通道的RGB图像，然后从RGB图像空间转换到YCbCr图像 空间，在YCbCr空间对Y分量进行Gamma校正，并做直方图均衡化处理，将处理后的图像转 换到RGB格式空间，再进行白平衡处理，最后在客户端显示。图7为本实用新型的网络通信流程。DSP数据处理模块作为服务器(server)与PC 机作为客户端(client)建立网络通信。服务器端建立socket，绑定端口，开始监听网络， 等待客户端请求。客户端建立socket，绑定服务器端口，开始请求连接，DSP数据处理模块 与PC机建立连接，客户端发送请求，服务器接到请求并处理，然后发送相应的结果，客户端 接收结果并再次发送请求如此循环。[0032] 如图8所示，为本实用新型的软件运行流程图。程序上电运行，硬件、变量的初始 化，开始创建多任务，DSP数据处理模块图像处理任务负责接收网络通信发送的图像初始化 参数设置，包括曝光时间、图像大小、采集模式、图像格式、单斜率/多斜率积分模式设置， 接收成功后这些参数由FPGA逻辑管理模块3配置给CMOS传感器的寄存器，然后根据设置 的参数采集图像，接下来DSP数据处理模块对采集到的图像进行处理，处理完的结果通过 网络传给客户端显示。网络连接任务作为服务器的DSP数据处理模块端负责与PC机客户 端进行通信。
权利要求模块化CMOS工业相机，该相机硬件部分包括工业镜头、成像传感器模块、逻辑管理模块、数据处理模块和相机外壳；软件部分包括相机服务器软件和PC机网络通信客户端软件；在模块功能设计上，成像传感器模块主要安装了传感器和相应的电源电路，数据和控制线通过40针的扁平线与逻辑管理模块相连；逻辑管理模块对成像传感器模块的寄存器进行配置，控制图像采集的工作流程，并将数据转换成数据处理模块的Video Port接口可以导入的时序格式；数据处理模块接收逻辑管理模块的图像数据，并对其进行实时处理，处理结果通过以太网口输出至PC机或者执行机构；其特征在于，所述成像传感器模块为CMOS成像传感器模块，其采用具有全局曝光能力的CMOS传感器芯片，所述逻辑管理模块为FPGA逻辑管理模块，其采用FPGA芯片，所述数据处理模块为DSP数据处理模块，其采用TMS320DM642 DSP芯片；CMOS成像传感器模块通过40针扁平线连接到FPGA逻辑管理模块，FPGA逻辑管理模块将得到的数据转换成DSP数据处理模块的Video Port接口可以导入的时序格式，最终传入DSP数据处理模块的存储器，DSP数据处理模块对得到的图像数据进行处理，处理后的图像结果通过以太网口传输到客户端，与客户端软件进行网络通信，客户端软件传输初始化设置参数和实时显示处理后的图像。
2.根据权利要求1所述的模块化CMOS工业相机，其特征在于所述CMOS成像传感器 模块、FPGA逻辑管理模块、DSP数据处理模块这三个模块采用独立的电路板设计，各模块通 过接插件连接。
3.根据权利要求2所述的模块化CMOS工业相机，其特征在于所述FPGA逻辑管理模 块处理的图像数据是以分离的三通道YUV数据或Bayer RAW格式的图像数据由VP 口传入 DSP数据处理模块。
4.根据权利要求3所述的模块化CMOS工业相机，其特征在于所述的DSP数据处理 模块，采用的是TMS320DM642数字信号处理器，外扩了两片4M*32bit的SDRAM，一片4M的 Flash，能稳定工作在600MHz的时钟频率，集成了 10/100M以太网接口、可配置的图像视频 端口、通用1/0接口，主要用于摄像机采集视频流的图像处理和进行网络通信。
5.根据权利要求4所述的模块化CMOS工业相机，其特征在于所述的网络通信是指客 户端软件通过以太网与作为服务器端的DSP数据处理模块通信，传输设置CMOS成像传感器 模块的相应参数和接收处理后的图像数据。
6.根据权利要求5所述的模块化CMOS工业相机，其特征在于所述设置CMOS成像传感 器模块的相应参数的具体参数包括曝光时间、图像大小、采集模式、图像格式、单斜率/多 斜率积分模式设置。
7.根据权利要求6所述的模块化CMOS工业相机，其特征在于所述的图像采集模式包 括连续触发、外触发、软件触发。
专利摘要本实用新型提供了模块化CMOS工业相机。其适用于检测高速运动目标、易于升级、体积小、功耗低。其硬件部分包括工业镜头、成像传感器模块、逻辑管理模块、数据处理模块；软件部分包括相机服务器软件和PC机网络通信客户端软件；逻辑管理模块通过对成像传感器模块的控制，完成图像采集，并将数据转换成数据处理模块的VP口可以导入的时序格式；数据处理模块接收图像数据并对其进行实时处理，处理结果通过以太网口输出至PC机或者执行机构；其特征在于，所述成像传感器模块采用具有全局曝光能力的CMOS传感器芯片，所述逻辑管理模块采用FPGA芯片，所述数据处理模块采用TMS320DM642 DSP芯片。
文档编号H04N5/225GK201754599SQ20102010296
公开日2011年3月2日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者吴莉婷, 李功燕, 王林兴, 田原, 高阳 申请人:无锡蓝天电子有限公司