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1、第九单片机开发网第九单片机开发网 高速高速CCD数字接口摄像机设计数字接口摄像机设计 第九单片机开发网第九单片机开发网 内容提要内容提要 1 关于线阵CCD摄像机 2 线阵CCD摄像机的工作原理 3 高速CCD数字接口摄像机设计 4 摄像机的调试 5 高速线阵图像采集系统应用 6 结论 1 关于线阵CCD摄像机 2 线阵CCD摄像机的工作原理 3 高速CCD数字接口摄像机设计 4 摄像机的调试 5 高速线阵图像采集系统应用 6 结论 第九单片机开发网第九单片机开发网 1.关于线阵CCD摄像机关于线阵CCD摄像机 主要生产厂商：主要生产厂商： BASLER ATMEL TOSHIBA 降低采集
2、系统的成本降低采集系统的成本 填补国内的空白填补国内的空白 提高系统的性能和生命期提高系统的性能和生命期 第九单片机开发网第九单片机开发网 2.线阵CCD摄像机的工作原理线阵CCD摄像机的工作原理 2.1 系统结构框图系统结构框图 2.2 线阵CCD的工作原理线阵CCD的工作原理 2.3 CCD图像信号的采样量化CCD图像信号的采样量化 2.4 Camera Link数字接口Camera Link数字接口 第九单片机开发网第九单片机开发网 2.1 系统结构框图系统结构框图 光学镜头光学镜头 图 像 传 感 器 图 像 传 感 器 驱动驱动 A/D 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 数据传输接口数据
3、传输接口 微控制器微控制器 电源电源 控制接口控制接口 光学成像光学成像 线阵 线阵 CCD 对CCD 信号 量化 处理 对CCD 信号 量化 处理 输出多种 直流电源 输出多种 直流电源 产生ccd驱动 时钟及输出 接口的驱动 产生ccd驱动 时钟及输出 接口的驱动 电平转换电平转换 工作状态及 参数设置 工作状态及 参数设置 串行通 讯接口 串行通 讯接口 图像 数据 输出 接口 图像 数据 输出 接口 第九单片机开发网第九单片机开发网 2.2 线阵CCD的工作原理线阵CCD的工作原理 典型线阵典型线阵CCD原理结构图原理结构图 缓冲控制缓冲控制 复位脉冲复位脉冲 信号输出信号输出 驱动脉
4、冲驱动脉冲驱动脉冲驱动脉冲 转移脉冲转移脉冲 第九单片机开发网第九单片机开发网 2.3 CCD图像信号的采样量化CCD图像信号的采样量化 复位 电平 复位 电平 信号 电平 信号 电平 视频信号视频信号 采样方式：采样方式：相关双采样（相关双采样（CDS） SHP SHD CLK SHP:CDS参考电平采样时钟参考电平采样时钟 SHD:CDS数据电平采样时钟数据电平采样时钟 CLK:输出数据锁存时钟输出数据锁存时钟 第九单片机开发网第九单片机开发网 2.4 Camera Link数字接口Camera Link数字接口 数字图像采集卡数字图像采集卡 Camera Link Video Pixel
5、 Clock 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.高速CCD数字接口摄像机设计高速CCD数字接口摄像机设计 3.1 CCD图像传感器KLI2113 3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路 3.3 CCD图像信号的模数转换电路 3.4 摄像机的控制电路 3.5 Camera Link接口电路 3.6 摄像机的整体结构设计 3.1 CCD图像传感器KLI2113 3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路 3.3 CCD图像信号的模数转换电路 3.4 摄像机的控制电路 3.5 Camera Link接口电路 3.6 摄像机的整体结构设计 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.1 CCD图像传感器KLI2
6、1133.1 CCD图像传感器KLI2113 虚设单元虚设单元 哑元哑元 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路 使用可编程逻辑器件实现时序生成使用可编程逻辑器件实现时序生成 使用使用ALTERA公司器件公司器件 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路3.2 CCD驱动时序生成和驱动电路 输入时钟输入容抗 寄存器时钟H1500pF 寄存器时钟H2500pF 重置时钟reset400pF 第
7、九单片机开发网第九单片机开发网 3.3 CCD图像信号的模数转换电路3.3 CCD图像信号的模数转换电路 20MSPS相关双采样处理相关双采样处理 可变可变CDS增益控制增益控制 10位可变增益放大器位可变增益放大器VGA 低噪声箝位低噪声箝位 10位位20MSPS模数转换模数转换 3线串行线串行SPI数字接口数字接口 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.4 摄像机的控制电路3.4 摄像机的控制电路 控制（控制（R、G、B）三路）三路A/D转换器的工作状态和上电初 始化设置，调整各路的增益； 转换器的工作状态和上电初 始化设置，调整各路的增益； 控制可编程逻辑器件（控制可编程逻辑器件（CPL
8、D）的工作模式，实现对摄像 机的工作速度和摄像机数字接口的传输模式的控制； ）的工作模式，实现对摄像 机的工作速度和摄像机数字接口的传输模式的控制； 提供提供RS-232接口，用以和上位机通讯，方便摄像机参数 的设置； 接口，用以和上位机通讯，方便摄像机参数 的设置； 存储摄像机的设置参数，提供掉电保护功能；存储摄像机的设置参数，提供掉电保护功能； 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.4 摄像机的控制电路3.4 摄像机的控制电路 PC串口PC串口26针接口26针接口MAX232MAX232 主主CPU MSP430F148 AT24C256 ADCADCADC 指示灯指示灯 JTAG RS2
9、32 TTL电平电平 工作状工作状 态指示 态指示 编程编程 接口 接口 IIC总线总线 SPI接口接口 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.5 Camera Link接口电路3.5 Camera Link接口电路 采用采用National Semiconductor的芯片组的芯片组 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.5 Camera Link接口电路3.5 Camera Link接口电路 读入A/D转换器的输出数据读入A/D转换器的输出数据 生成测试图像数据生成测试图像数据 按照工作状态要求将待发送数据按 一定要求组合 按照工作状态要求将待发送数据按 一定要求组合 按照Camera L
10、ink接口要求的时序 将数据输出 按照Camera Link接口要求的时序 将数据输出 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.5 Camera Link接口电路3.5 Camera Link接口电路 三路三路 A/D转换器转换器 Camera Link 芯片组芯片组 时序生成 模块 时序生成 模块 3路10位 数据 3路10位 数据 连接单片机连接单片机 行有效信号行有效信号 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.5 Camera Link接口电路3.5 Camera Link接口电路 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.6 摄像机的整体结构设计3.6 摄像机的整体结构设计 传感器板传感器板
11、主控制和主控制和A/D转换板转换板 时钟生成和传输驱动板时钟生成和传输驱动板 线阵摄像机电源板线阵摄像机电源板 CCD 驱动电路驱动电路 信号输出电路信号输出电路 输入：输入：12V 输出：输出：12V、3.3V、5V 主主CPU A/D电路电路 232电平转换电平转换 EEPROM CCD时序生成和输时序生成和输 出驱动电路出驱动电路 Camera Link接口接口 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.6 摄像机的整体结构设计3.6 摄像机的整体结构设计 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.6 摄像机的整体结构设计3.6 摄像机的整体结构设计 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.6 摄
12、像机的整体结构设计3.6 摄像机的整体结构设计 第九单片机开发网第九单片机开发网 3.6 摄像机的整体结构设计3.6 摄像机的整体结构设计 第九单片机开发网第九单片机开发网 4.摄像机的调试摄像机的调试 摄像机硬件调试摄像机硬件调试 CCD驱动时序调试驱动时序调试 A/D采样时序调试采样时序调试 传输接口调试传输接口调试 第九单片机开发网第九单片机开发网 4.摄像机的调试摄像机的调试 摄像机控制软件调试摄像机控制软件调试 串行接口协议串行接口协议 与与CPLD的通讯的通讯 对对A/D控制器设置控制器设置 EEPROM的读写的读写 基于基于MSP430单片机单片机 采用采用C语言编程语言编程 相
13、关状态控制相关状态控制 CDS、VGA增益控制增益控制 摄像机厂商参数存储摄像机厂商参数存储 实现设置的掉电保护实现设置的掉电保护 设置设置CPLD工作模式工作模式 控制摄像机状态控制摄像机状态 第九单片机开发网第九单片机开发网 采集图片实例采集图片实例 第九单片机开发网第九单片机开发网 采集图片实例采集图片实例 第九单片机开发网第九单片机开发网 采集图片实例采集图片实例 第九单片机开发网第九单片机开发网 采集图片实例采集图片实例 第九单片机开发网第九单片机开发网 5.高速线阵图像采集系统应用高速线阵图像采集系统应用 颗粒状轻质物品筛选系统颗粒状轻质物品筛选系统 一种在线实时检测与剔除 技术
14、一种在线实时检测与剔除 技术 高速筛选高速筛选 高识别精度高识别精度 可以进行杂质的分类筛选可以进行杂质的分类筛选 第九单片机开发网第九单片机开发网 5.高速线阵图像采集系统应用高速线阵图像采集系统应用 CCD采集线CCD采集线 钢管运动方向 背景色 （黑） 背景色 （黑） 补偿光源补偿光源 0t U 左边缘右边缘左边缘右边缘 宽度宽度 第九单片机开发网第九单片机开发网 6.结论6.结论 设计中使用的相关双采样，保证了图像信号的稳定， 去除了暗电流的干扰和低频干扰； 设计中使用的相关双采样，保证了图像信号的稳定， 去除了暗电流的干扰和低频干扰； EEPROM（AT24C256）的使用使得摄像机
15、不会因为 掉电关机而丢失当前的状态信息； ）的使用使得摄像机不会因为 掉电关机而丢失当前的状态信息； 使用使用CPLD来实现的来实现的CCD驱动时序准确、可靠、修改 灵活，简化了系统结构，缩小了整机的体积； 驱动时序准确、可靠、修改 灵活，简化了系统结构，缩小了整机的体积； 电平转换电路的采用，使时钟的驱动能力大大加强， 摄像机可以稳定的工作于 电平转换电路的采用，使时钟的驱动能力大大加强， 摄像机可以稳定的工作于20MHZ的频率下。的频率下。 第九单片机开发网第九单片机开发网 今后的任务今后的任务 更高的采样频率和传输速度更高的采样频率和传输速度 更高的集成度和更小的体积更高的集成度和更小的体积 如何实现图像的空间校正如何实现图像的空间校正 采用新器件进一步降低系统的功耗采用新器件进一步降低系统的功耗 改进设计以适应多种线阵改进设计以适应多种线阵CCD、面阵 、面阵 CCD，实现产品的系列化，实现产品的系列化 第九单片机开发网第九单片机开发网 电荷转移