專利名稱：具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速cmos相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測、信號處理和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體為一種具有光斑脫靶量 實(shí)施計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)。
背景技術(shù)：
光電跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)包括光電探測、信號處理、控制系統(tǒng)及精密機(jī)械等幾部分 組成的復(fù)雜設(shè)備，在航空、武器控制等各種軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著目標(biāo) 機(jī)動性能的增強(qiáng)和現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對光電跟蹤系統(tǒng)的要求越來越高，尤其要求其響應(yīng) 更快、穩(wěn)定跟蹤精度更高，這些特點(diǎn)對系統(tǒng)中圖像處理單元的實(shí)時(shí)處理能力提出了更高 的要求。在光電跟蹤裝置中，傳統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)采用基于PC機(jī)的高速相機(jī)+圖像采集 卡的結(jié)構(gòu)，這類系統(tǒng)體積較大，圖像處理過程要占用CPU的大量資源，只能夠提供一般 的圖像處理效果且速度較慢，而且系統(tǒng)性能的提升受圖像采集卡的制約比較大。為此， 有人對這種傳統(tǒng)的圖像采集處理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于CCD且具有光斑脫靶量實(shí) 時(shí)計(jì)算功能的高速智能相機(jī)，與原有的設(shè)備相比，這種方案減少了設(shè)備的數(shù)量，減小了 體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是這種方案采用面陣CCD作為探測器，其驅(qū)動電路比較 復(fù)雜，單處理器往往不能滿足系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)和調(diào)試難度也很大，不易實(shí)現(xiàn)。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，CMOS圖像傳感器技術(shù)也獲得了長足 的進(jìn)步，傳感器的噪聲抑制能力和填充率均獲得了大幅的提高，其成像質(zhì)量也基本達(dá)到 了 CCD的水平，這為CMOS圖像傳感器在光電跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能。而且 CMOS圖像傳感器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)。鑒于這種現(xiàn)狀，本發(fā)明研制了基 于CMOS圖像傳感器和Ti達(dá)芬奇系列高性能DSP的智能相機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，以 解決CCD相機(jī)驅(qū)動電路復(fù)雜、設(shè)計(jì)調(diào)試難度大、單處理器不能滿足要求的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在于包括有圖像處 理模塊，所述圖像處理模塊上連接有CMOS圖像傳感模塊，所述CMOS圖像處理模塊采 用CMOS圖像傳感芯片，所述圖像處理模塊采用圖像處理芯片，所述圖像處理模塊外接 外擴(kuò)存儲器、程序存儲器、監(jiān)視器，圖像處理模塊還與外部主控機(jī)通訊連接。所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在于所述 CMOS圖像處理模塊采用型號為MT9M001的CMOS圖像傳感芯片，所述圖像處理模塊采 用型號為TMS320DM6437的圖像處理芯片，所述圖像處理芯片內(nèi)集成有數(shù)字視頻前端、 數(shù)字視頻后端、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I2C接口，所述圖像處理芯片通 過數(shù)字視頻前端、I2C接口與所述CMOS圖像傳感芯片電連接，圖像處理芯片通過數(shù)字視
3頻后端與監(jiān)視器連接，所述圖像處理芯片通過DDR2接口、EMIF接口分別對應(yīng)外接外擴(kuò) 存儲器、程序存儲器，圖像處理芯片還通過UART接口與外部主控機(jī)連接。所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在于所述圖 像處理芯片的UART接口包括RS232接口和RS485接口，所述圖像處理芯片通過RS232 接口與外部主控機(jī)連接，圖像處理芯片通過RS485送出數(shù)據(jù)。所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的CMOS相機(jī)，其特征在于所述圖像處 理芯片和CMOS圖像傳感芯片無縫連接，其中CMOS圖像傳感芯片的SCLK、SDATA引 腳分別與圖像處理芯片數(shù)字視頻前端中作為I2C接口的SCL、SDA引腳一一對應(yīng)連接， 所述CMOS圖像傳感芯片的DOUTO DOUT9引腳分別與所述圖像處理芯片數(shù)字視頻前 端中的YIO YI7引腳、CIO CIl引腳——對應(yīng)連接，CMOS圖像傳感芯片的PIXCLK 引腳與圖像處理芯片數(shù)字視頻前端中的PCLK引腳連接，CMOS圖像傳感芯片的LINE_ VALID引腳、FRAME_VALID弓丨腳分別與圖像處理芯片數(shù)字視頻前端中的HD、VD引腳 一一對應(yīng)連接。所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在于所述圖 像處理芯片引腳和CMOS圖像傳感芯片引腳之間通過連接器和接插件對應(yīng)連接。所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的CMOS相機(jī)，其特征在于所述CMOS 圖像傳感芯片的VDD引腳、VAA、VAAPIX引腳分別接外部電源，RESET#引腳通過電 阻接外部電源，AGND、DGND引腳分別接地，STANDBY、TRIGGER、OE#引腳分別 通過電阻接地，所述CMOS圖像傳感芯片的SCLK、SDATA引腳還分別通過電阻接外部 電源，CMOS圖像傳感芯片的CLKIN引腳外接晶振電路。所述的具有光斑脫靶量實(shí)施計(jì)算功能的CMOS相機(jī)，其特征在于所述晶振電 路包括有源晶振，所述有源晶振一個(gè)引腳接地，另一個(gè)引腳分別通過電阻接5V電源、通 過上拉電阻接外部電源，有源晶振還有一個(gè)引腳通過電阻與所述CMOS圖像傳感芯片的 CLKIN引腳連接。本發(fā)明中，圖像傳感模塊選用Micron公司的單色圖像傳感器MT9M001作為圖 像傳感元件。該芯片工作電壓為3.3v，內(nèi)部有26個(gè)控制寄存器，通過I2C接口 SCLK、 SDATA引腳合理設(shè)置這些寄存器，可以使芯片工作在不同的幀頻和窗口大小。U4為 48MHz有源晶振，在它的激勵(lì)下，圖像傳感芯片通過引腳FRAME_VALID、LINE_ VALID輸出行場同步信號，通過DOUTO-DOUT9弓丨腳輸出圖像數(shù)據(jù)信號，這些信號通過 接插件U3與圖像采集模塊相連。圖像采集模塊利用了基于達(dá)芬奇技術(shù)的圖像處理芯片TMS320DM6437內(nèi)部的數(shù) 字視頻前端(VPFE)，利用該模塊可以使圖像處理設(shè)備和圖像采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接。根 據(jù)圖像傳感器輸出的時(shí)序和數(shù)據(jù)格式，需要對數(shù)字視頻前端內(nèi)部為數(shù)眾多的寄存器進(jìn)行 合理的設(shè)置。一旦設(shè)置完畢，數(shù)據(jù)采集就按照要求有條不紊的進(jìn)行，結(jié)果也以EDMA的 方式存儲與系統(tǒng)外擴(kuò)的DDR2SDRAM中，整個(gè)采集過程無需CPU干預(yù)。圖像處理模塊主要是在CCStudio v3.3軟件開發(fā)平臺上對DM6437進(jìn)行編程，程 序燒寫在程序存儲器中，用來對圖像進(jìn)行濾波、二值化，最后利用形心算法得出光斑的 位置信息。為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，該模塊必須具有很快的運(yùn)算速度，所以選用Ti公 司高性能DSP芯片TMS320DM6437作為處理器。這個(gè)芯片除了具有豐富的外部接口外，也具有較高的運(yùn)算速度。它是美國德州儀器公司(Tl)推出的一款基于TI第三代高性能 的VLIW的面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的DSP，內(nèi)核為C64x+。在600MHz的時(shí)鐘頻率下，芯 片的峰值處理能力高達(dá)4800MIPS，調(diào)試結(jié)果表明，該芯片能夠滿足需求。同圖像采集模塊一樣，圖像顯示模塊也是利用了 DM6437芯片內(nèi)部集成的接
口------數(shù)字視頻后端(VPBE)。在外擴(kuò)存儲器DDR2SDRAM中開辟一塊顯示緩存，
圖像處理后放入顯存中，根據(jù)顯示需求合理設(shè)置數(shù)字視頻后端控制寄存器，VPBE便能夠 將顯示緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)送入監(jiān)視器進(jìn)行顯示。相機(jī)的通信模塊包括3部分第一，RS232通信模塊。計(jì)算機(jī)通過該模塊和相 機(jī)進(jìn)行通信，以控制相機(jī)的工作模式，設(shè)置相機(jī)工作狀態(tài)所需的參數(shù)通過RS232 口發(fā)送 給DM6437，由DM 6437完成對圖像傳感器的配置。第二，I2C控制模塊。DM6437通 過I2C總線與圖像傳感芯片相連，DM6437收到RS232發(fā)送的參數(shù)后，通過I2C總線發(fā)送 到圖像傳感器相應(yīng)的控制寄存器。它可以設(shè)置相機(jī)的輸出圖像大小、幀頻、增益、曝光 時(shí)間等參數(shù)；第三，RS485數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。圖像經(jīng)過圖像處理模塊處理后，得出光斑的 位置信息，進(jìn)而得到脫靶量，該數(shù)據(jù)通過RS485 口送出。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了圖像高速采集與處理的一體化，簡化了電路系統(tǒng)，減小了從采集 圖像到獲得光斑位置信息所需設(shè)備的體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。圖2為CMOS圖像傳感芯片電路圖。圖3為圖像處理芯片與CMOS圖像傳感芯片連接示意圖。圖4為圖像處理芯片與CMOS圖像傳感芯片無縫連接接口示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示。具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的CMOS相機(jī)，包括有圖 像處理模塊，圖像處理模塊上電連接有CMOS圖像傳感模塊，CMOS圖像處理模塊采用 CMOS圖像傳感芯片U1，圖像處理模塊采用圖像處理芯片DM6437，圖像處理模塊外接 外擴(kuò)存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、監(jiān)視器，圖像處理模塊還與外部主控機(jī)通訊 連接。CMOS圖像處理模塊采用型號為MT9M001的CMOS圖像傳感芯片Ul，圖像處 理模塊采用型號為TMS320DM6437的圖像處理芯片DM6437，圖像處理芯片DM6437內(nèi) 集成有數(shù)字視頻前端VPFE、數(shù)字視頻后端VPBE、DDR2接口、EMIF接口、UART接口 和I2C接口，圖像處理芯片DM6437通過數(shù)字視頻前端VPFE、I2C接口與CMOS圖像傳 感芯片Ul電連接，圖像處理芯片DM6437通過數(shù)字視頻后端VPBE與監(jiān)視器連接，圖像 處理芯片DM6437通過DDR2接口、EMIF接口分別對應(yīng)外接外擴(kuò)存儲器、程序存儲器， 圖像處理芯片DM6437還通過UART接口與外部主控機(jī)連接。圖像處理芯片DM6437的UART接口包括RS232接口和RS485接口，圖像處理 芯片通過RS232接口與外部主控機(jī)連接，圖像處理芯片通過RS485送出數(shù)據(jù)。如圖3、圖4所示。圖像處理芯片DM6437和CMOS圖像傳感芯片Ul無縫連接，其中CMOS圖像傳感芯片Ul的SCLK、SDATA引腳分別與圖像處理芯片DM6437 數(shù)字視頻前端VPFE中作為I2C接口的SCL、SDA引腳一一對應(yīng)連接，CMOS圖像傳感 芯片Ul的DOUTO D0UT9引腳分別與圖像處理芯片DM6437數(shù)字視頻前端VPFE中 的YIO YI7引腳、CIO CIl引腳——對應(yīng)連接，CMOS圖像傳感芯片Ul的PIXCLK 引腳與圖像處理芯片DM6437數(shù)字視頻前端VPFE中的PCLK引腳連接，CMOS圖像傳 感芯片Ul的LINE_VALID引腳、FRAME_VALID引腳分別與圖像處理芯片DM6437數(shù) 字視頻前端VPFE中的HD、VD引腳一一對應(yīng)連接。圖像處理芯片DM6437引腳和CMOS圖像傳感芯片Ul引腳之間通過連接器U3 和接插件RPl對應(yīng)連接。CMOS圖像傳感芯片Ul的VDD引腳、VAA、VAAPIX引腳分別接外部電源 VCC, RESET#引腳通過電阻R5接外部電源VCC，AGND> DGND引腳分別接地， STANDBY、TRIGGER、0E#引腳分別通過電阻R3、R4、R6接地，CMOS圖像傳感芯 片Ul的SCLK、SDATA引腳還分別通過電阻Rl、R2接外部電源VCC，CMOS圖像傳 感芯片Ul的CLKIN引腳外接晶振電路。晶振電路包括有源晶振U4，有源晶振U4—個(gè)引腳接地，另一個(gè)引腳分別通過 電阻Rll接5V電源、通過上拉電阻RlO接外部電源VCC，有源晶振U4還有一個(gè)引腳通 過電阻R12與CMOS圖像傳感芯片Ul的CLKIN引腳連接。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，本發(fā)明將整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分分別設(shè)計(jì)圖像傳感部分 和圖像采集處理部分。圖像傳感的電路如圖2所示；圖像采集處理部分除了 DM6437外， 還外擴(kuò)了 128M的DDR2SDRAM和4Mx8bit的NOR FLASH, SDRAM用于存儲采集的圖 像和處理的結(jié)果，F(xiàn)LASH用于系統(tǒng)程序的上電自啟動。兩部分按照圖3所示的方式進(jìn)行 硬件連接，系統(tǒng)通過RS232 口與主控計(jì)算機(jī)相連。系統(tǒng)軟件是在CCS3.3開發(fā)平臺上用C語言編程實(shí)現(xiàn)的。軟件使用了用戶可裁剪 的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS內(nèi)核，用戶可以根據(jù)需要通過tcf文件配置BIOS。在 設(shè)計(jì)的過程中，我們配置了一個(gè)最小化的DSP/BIOS內(nèi)核，采用了單任務(wù)的工作模式。 即系統(tǒng)首先調(diào)用main函數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，它包括對CMOS圖像傳感器和DSP 的初始化、對各種外部存儲器接口的設(shè)置、軟件內(nèi)部變量的初始化設(shè)置等，然后一直調(diào) 用圖像處理函數(shù)進(jìn)行光斑脫靶量的計(jì)算并將結(jié)果實(shí)時(shí)輸出。整個(gè)工作過程可描述如下系統(tǒng)上電后，程序從外接FLASH自動加載到DSP中開始運(yùn)行，DSP首先通過 RS232接收來自于主控機(jī)的控制參數(shù)，然后通過I2C總線對圖像傳感芯片的參數(shù)進(jìn)行設(shè) 置。設(shè)置完畢后，在同步信號line_valid(行同步)和frame_valid(幀同步)的控制下， DM6437的CCDC模塊開始采集圖像數(shù)據(jù)，并以EDMA的方式自動存入外將DDR2存 儲器(SDRAM)中。一幀圖像采集完成后，對當(dāng)前圖像進(jìn)行處理，包括圖像濾波、二值 化、用形心跟蹤算法提取光斑位置信息，得到光斑的位置信息通過RS485 口送給運(yùn)動控 制單元。調(diào)試結(jié)果表明，該相機(jī)能夠在窗口大小為600x550的情況下實(shí)現(xiàn)130Hz的實(shí)時(shí)處理。
權(quán)利要求
1.具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在于包括有圖像處理 模塊，所述圖像處理模塊上面連接有CMOS圖像傳感模塊，所述CMOS圖像處理模塊采 用CMOS圖像傳感芯片，所述圖像處理模塊采用圖像處理芯片，所述圖像處理模塊外接 外擴(kuò)存儲器、程序存儲器、監(jiān)視器，圖像處理模塊還與外部主控機(jī)通訊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在 于所述CMOS圖像處理模塊采用型號為MT9M001的CMOS圖像傳感芯片，所述圖像 處理模塊采用型號為TMS320DM6437的圖像處理芯片，所述圖像處理芯片內(nèi)集成有數(shù)字 視頻前端、數(shù)字視頻后端、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I2C接口，所述圖像 處理芯片通過數(shù)字視頻前端、I2C接口與所述CMOS圖像傳感芯片電連接，圖像處理芯片 通過數(shù)字視頻后端與監(jiān)視器連接，所述圖像處理芯片通過DDR2接口、EMIF接口分別對 應(yīng)外接外擴(kuò)存儲器、程序存儲器，圖像處理芯片還通過UART接口與外部主控機(jī)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征 在于所述圖像處理芯片的UART接口包括RS232接口和RS485接口，所述圖像處理芯 片通過RS232接口與外部主控機(jī)連接，圖像處理芯片通過送出數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征 在于所述圖像處理芯片和CMOS圖像傳感芯片無縫連接，其中CMOS圖像傳感芯片的 SCLK、SDATA引腳分別與圖像處理芯片數(shù)字視頻前端中作為I2C接口的SCL、SDA引腳 一一對應(yīng)連接，所述CMOS圖像傳感芯片的DOUTO DOUT9引腳分別與所述圖像處理 芯片數(shù)字視頻前端中的YIO YI7引腳、CIO CIl引腳一一對應(yīng)連接，CMOS圖像傳感 芯片的PIXCLK引腳與圖像處理芯片數(shù)字視頻前端中的PCLK引腳連接，CMOS圖像傳 感芯片的LINE_VALID引腳、FRAME_VALID弓丨腳分別與圖像處理芯片數(shù)字視頻前端中 的HD、VD引腳一一對應(yīng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征 在于所述圖像處理芯片引腳和CMOS圖像傳感芯片引腳之間通過連接器和接插件對應(yīng) 連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特 征在于所述CMOS圖像傳感芯片的VDD引腳、VAA、VAAPIX引腳分別接外部電 源，RESET#引腳通過電阻接外部電源，AGND、DGND引腳分別接地，STANDBY、 TRIGGER、OE#引腳分別通過電阻接地，所述CMOS圖像傳感芯片的SCLK、SDATA引腳還分別通過電阻接外部電源，CMOS圖像傳感芯片的CLKIN引腳外接晶振電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，其特征在 于所述晶振電路包括有源晶振，所述有源晶振一個(gè)引腳接地，另一個(gè)引腳分別通過電 阻接5V電源、通過上拉電阻接外部電源，有源晶振還有一個(gè)引腳通過電阻與所述CMOS 圖像傳感芯片的CLKIN引腳連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有光斑脫靶量實(shí)時(shí)計(jì)算功能的高速CMOS相機(jī)，包括有圖像處理模塊，圖像處理模塊電連有CMOS圖像傳感模塊。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了圖像高速采集與處理的一體化，簡化了電路系統(tǒng)，減小了從采集圖像到獲得光斑位置信息所需設(shè)備的體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H04N7/18GK102014245SQ20101050850
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者何楓, 侯再紅, 吳毅, 姚佰棟, 張守川, 秦來安, 譚逢富, 靖旭 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所