專利名稱：基于usb2.0的紅外攝像機與計算機間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于USB2. 0的紅外攝像機與計算機間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。適合于武 漢高德公司生產(chǎn)帶數(shù)字接口的各種型號紅外攝像機。
技術(shù)背景當(dāng)前，對于紅外圖像及視頻研究和實驗日益增多，對紅外數(shù)據(jù)需求越來越大，同 時對紅外數(shù)據(jù)的質(zhì)量的要求也越來越高。目前通常獲取紅外數(shù)據(jù)的方法有以下三種。 一是通過互聯(lián)網(wǎng)或其他渠道拷貝所需要的紅外數(shù)據(jù)；二是向相關(guān)公司或部門購買相關(guān) 的紅外數(shù)據(jù)；三是購買紅外攝像機根據(jù)自己需求進行拍攝。上述方法第三種最為靈活 也最為常用，但是目前市場上紅外攝像機數(shù)據(jù)采集的主要方法是通過AV模擬輸出， 使用模擬顯示器、電視卡或者視頻采集器進行紅外數(shù)據(jù)的觀測和錄制，這樣存在一個 很大的問題，首先，獲得的數(shù)據(jù)是對模擬圖像進行采集后的數(shù)據(jù)，而不是紅外攝像機 的原始數(shù)據(jù)，這樣會降低數(shù)據(jù)可信度；其次，采用這種方法得到的數(shù)據(jù)不便保存，即 使保存下來，但由于保存格式的限制不易后期數(shù)據(jù)處理；最后，傳統(tǒng)的圖像采集設(shè)備 大都基于PCI、 ISA等總線，使用起來安裝拆卸不便，受計算機插槽數(shù)量、地址、中 斷資源限制，可擴展性差。針對上述問題，本文設(shè)計了基于FPGA的高速實時圖像數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)，能夠借用USB2.0達到高速并且實時的數(shù)據(jù)傳輸要求；同時該圖像采集 系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)設(shè)備的缺點，具有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容為了能直接得到紅外攝像機內(nèi)部原始數(shù)據(jù)，同時方便與計算機連接，本發(fā)明提出 了一種基于USB2.0的高紅外數(shù)據(jù)采集器。本采集器通過紅外攝像機的數(shù)字接口獲取攝像機內(nèi)部每像素16bit的原始數(shù)據(jù)，通過USB2.0接口將每像素16bit數(shù)據(jù)傳輸給計 算機，同時為了方便后期對數(shù)據(jù)的處理，在計算機上開發(fā)配套軟件可以存儲為不同格 式的連續(xù)幀圖片或者視頻流。本發(fā)明的基本思想是通過已知的紅外攝像機接口管腳規(guī)范(附表l)和數(shù)字接 口數(shù)據(jù)時序(附

圖1)編寫相應(yīng)的FPGA代碼進行數(shù)據(jù)接收，同時根據(jù)不同型號紅外 攝像機和其不同的分辨率，編寫不同的顯示、存儲和操作程序。本發(fā)明的技術(shù)特征在于USB接口芯片采用Cypress CY7C68013A-128AXC系列 處理器，符合USB2.0規(guī)范，480Mbps高速傳輸協(xié)議標準；FPGA采用Cyclone EP1C6Q240C8N，具有豐富FPGA資源，采集處理部分利用FPGA完成，大大提高了 系統(tǒng)處理速度，增強了系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性；同時外擴兩片256KH6bitSRAM，采用 雙SRAM作為數(shù)據(jù)交換區(qū)，F(xiàn)PGA采用乒乓技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，可實時處理紅外攝像機原始 16bit、 50幀/秒、分辨率可高達320*256的圖像數(shù)據(jù)；由于采用FPGA可編程邏輯器件 采集與處理數(shù)據(jù)，對于不同的視頻圖像信號，只要對FPGA邏輯稍作修改，便可輕松 實現(xiàn)信號采集，當(dāng)前可接收不同型號攝像機分辨率為256*256或320*256的圖像數(shù)據(jù)， 同時還可根據(jù)需要可保存為單幀圖像數(shù)據(jù)或者是連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)；FPGA的外圍硬件 電路簡單，不需要外部額外設(shè)備和額外電源，與通過USB接口與計算機相連、通過 50芯電纜與紅外攝像機相連接即可使用。本發(fā)明具有兩個明顯優(yōu)點 一、數(shù)據(jù)精確度高。由于紅外攝像機數(shù)字接口輸出為 原始每像素16bit的溫度信息，這樣所得到的數(shù)據(jù)未經(jīng)過任何處理和變換，可靠性和 精確度高；二、系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性強。本系統(tǒng)采用FPGA作為采集處理部分，對 不同的視頻圖像信號，只要對FPGA進行修改，即可實現(xiàn)信號采集，大大增強系統(tǒng)的 靈活性和適應(yīng)性。三、操作簡單使用方便。本采集器操作軟件可進行紅外數(shù)據(jù)的實時顯示和保存，同時根據(jù)需要可保存為一幀一幀的圖像格式或者連續(xù)的視頻流，圖像和視頻格式可根據(jù)自己需求定制；最后本設(shè)備采用USB2.0接口與計算機連接，采用 USB電源供電，不需要外加電源，只需要一臺普通的計算機即可進行數(shù)據(jù)的接收、 實時顯示和保存，方便使用，同時可視化的交互界面也方便操作。附圖附表說明圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2FPGA內(nèi)部模塊具體實施方式
l.FPGA部分FPGA是整個系統(tǒng)的時序控制中心和數(shù)據(jù)交換橋梁，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的 快速底層處理，如附圖2所示。 FPGA控制模塊經(jīng)過對系統(tǒng)功能的分析和劃分，可以將設(shè)計劃分為若干個子模塊。每個子模塊通 過內(nèi)部握手信號相互關(guān)聯(lián)并完成相對獨立的功能。最后將子模塊組合起來得到系統(tǒng)級 的功能芯片。FPGA內(nèi)部主要模塊有數(shù)字接口模塊、SRAM接口模塊、標識模塊、 雙RAM控制模塊、FIFO模塊等幾個部分，模塊之間通過中間信號進行通訊，從而 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。如附圖3所示。其中，數(shù)據(jù)處理是FPGA中最重要的模塊， 它在主機命令控制下，將前端FIFO接收到得數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部兩個高速SRAM以 乒乓方式對采集的數(shù)據(jù)進行處理后進行傳送。另外，USB接口主要完成USB2.0芯片 內(nèi)部FIFO緩沖器和FPGA內(nèi)部緩沖器間數(shù)據(jù)的移動。數(shù)字接口模塊的主要功能是接收來自紅外攝像機的數(shù)據(jù)信號、狀態(tài)信號以及控制 信號，實現(xiàn)FPGA與紅外攝像機的接口，并根據(jù)這些信號產(chǎn)生相應(yīng)內(nèi)部信號，在時鐘信號的控制下，根據(jù)接收的行同步和場同步信號，完成數(shù)據(jù)在SRAM中的存儲寫入 地址和讀出地址及對兩片SRAM進行乒乓操作的指示信號的生成。SRAM接口模塊的主要功能是完成與SRAM存儲器的接口工作。由于采用了兩 片SRAM，所以FPGA中的SRAM接口模塊也應(yīng)該有兩個，該模塊根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)做 出判斷，從而對SRAM發(fā)出相應(yīng)的控制信號和地址信號，完成數(shù)據(jù)的寫入和讀出工 作。標識模塊的主要功能是為了在上位機顯示所采集到的圖像，除了需要相應(yīng)的像素 信息外，還必須提供行幀同步信號。本系統(tǒng)沒有另外提供專門幀同步信號，而是通過 在恰當(dāng)?shù)臅r刻插入標識數(shù)據(jù)的方法來代替視頻流的幀同步信號。標識模塊將在幀開始時，將自定義的幀開始標識插入到數(shù)據(jù)流中，從而為上位機 實現(xiàn)對圖像信息的再現(xiàn)和處理創(chuàng)造了方便條件。雙RAM控制模塊實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的流向的控制和數(shù)據(jù)處理工作，如附圖7所示。 它接收來自數(shù)字接口的數(shù)據(jù)和實時插入幀開始標識信號，并產(chǎn)生具有幀開始標識的數(shù) 據(jù)流，并控制該數(shù)據(jù)流的流向。當(dāng)LF一wfoll標示為邏輯'T時，數(shù)據(jù)寫入SRAMO， 同時將已經(jīng)存儲到SRAM1的數(shù)據(jù)讀出；當(dāng)LF—wfoll為邏輯<0'時，數(shù)據(jù)寫入SRAM1 中，同時將SRAMO的數(shù)據(jù)讀出。FIFO模塊由于傳輸速率不匹配，必須在不同的數(shù)據(jù)接口之間加入緩沖數(shù)據(jù)單 元。這個緩沖器一般由異步FIFO實現(xiàn)。異步FIFO在每個寫時鐘時寫入數(shù)據(jù)，而用 每一個讀時鐘時讀出數(shù)據(jù)，這兩個時鐘是異步的。2.電路部分電源電路本設(shè)計采用USB總線供電，通過1084-3. 3輸出3. 3V電壓供所有芯片 (附圖10)，通過一片可調(diào)的1084芯片，產(chǎn)生1.5V電壓供FPGA核心電源(附圖11)。USB芯片選用CY7C68013A-128AXC芯片(128pin):帶增強型8051核，主頻48Mhz, 帶8K內(nèi)部RAM。FPGA相關(guān)電路FPGA采用Cyclone EP1C6Q240C8，具有580個邏輯單元，92160 個比特的嵌入RAM，兩個鎖相環(huán)(PLL)， 185個用戶I/0管腳，可使用Altera的Nios 軟核和豐富的IP庫，快速實現(xiàn)完整的可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC)。RAM相關(guān)電路FPGA外擴兩片256KX16bit SRAM (附圖14 )，型號為 IS61LV25616-IOT，數(shù)據(jù)，地址，控制線完全獨立，適合用作乒乓緩存，實現(xiàn)大容量 數(shù)據(jù)采集。時鐘相關(guān)電路為FPGA提供標準的48M時鐘。FPGA串行配置電路、JTAG 口電路以及AS配置電路用于FPGA仿真和程序的燒寫。
權(quán)利要求
1.一種基于USB2.0的紅外攝像機與計算機間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于包括USB接口芯片和FPGA；由紅外攝像機輸入的信號經(jīng)FPGA進行數(shù)據(jù)接收后，經(jīng)過USB接口芯片輸出至計算機；所述的FPGA包括數(shù)字接口模塊、SRAM接口模塊、標識模塊、雙RAM控制模塊和FIFO模塊；模塊之間通過中間信號進行通訊，數(shù)據(jù)處理在主機命令控制下，將前端FIFO接收到得數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部兩個高速SRAM以乒乓方式對采集的數(shù)據(jù)進行處理后進行傳送；所述的USB接口芯片完成USB2.0芯片內(nèi)部FIFO緩沖器和FPGA內(nèi)部緩沖器間數(shù)據(jù)的移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于USB2. 0的紅外攝像機與計算機間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特 征在于所述的USB接口芯片采用Cypress CY7C68013A-128AXC系列處理器， 符合USB2.0規(guī)范，480Mbps高速傳輸協(xié)議標準。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于USB2. 0的紅外攝像機與計算機間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特 征在于所述的FPGA采用Cyclone EP1C6Q240C8N。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于USB2.0的紅外攝像機與計算機間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其基本思想是為了直接獲得紅外攝像機內(nèi)部原始數(shù)據(jù)，同時方便與計算機連接，利用計算機USB2.0接口以及高德公司具有數(shù)字接口攝像機，直接獲取攝像機內(nèi)部每像素16位的原始數(shù)據(jù)；采用FPGA可編程邏輯器件采集與處理數(shù)據(jù)，對不同的視頻圖像信號，只要對FPGA進行簡單修改，即可實現(xiàn)信號采集；同時為了方便后期對數(shù)據(jù)的處理，開發(fā)配套軟件可以進行實時觀測和根據(jù)需要存儲為不同格式。本發(fā)明具有體積小、采集數(shù)據(jù)精確度高、使用方便、操作靈活、便于二次開發(fā)等優(yōu)點，是一種實用的紅外數(shù)據(jù)采集器，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G06F13/38GK101567979SQ20091002271
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者博 余, 趙天云, 雷 郭, 錢曉亮 申請人:西北工業(yè)大學(xué)