基于线阵CCD的周视图像实时采集系统设计

1、收稿日期 :2010-11-16.基金项目 :南京理工大学研究生创新基金资助 项目 .光电技术应用基于线阵 CCD 的周视图像实时采集系统设计张 林 , 桂训林 , 季旭东 , 陈文建(南京理工大学 电子工程与光电技术学院 , 南京 210094摘 要 : 为了获取具有较大视场的图像数据 , 设计了一种基于线阵 CCD 的高分辨率周视图 像实时采集系统 。 完成了系统各硬件电路的模块设计 , 并采用 VH DL 语言编程设计了 T CD1209线阵 CCD 驱动时序及 A/D 转换等控制时序 。 提出了基于 V C 多线程技术的线阵 CCD 图像动态 实时采集的新方法 , 并详细介绍了在 Vi

2、sual C+6. 0环境下 , 实时图像采集应用程序的实现过 程 。 软硬件仿真与调试达到了预期的要求 , 完成了周视图像的实时采集 , 实验结果表明该方案具有 一定的可行性 。关键词 : 线阵 CCD; 周视图像采集 ; 多线程 ; 实时显示中图分类号 :T P274. 2; 文献标识码 :A 文章编号 :1001-5868(2011 03-0421-03Design of Circular -viewing Image Rea-l time Acquisition System Based on Linear C CDZH A NG Lin, GU I Xunlin, JI Xudong

3、, CH EN W enjian(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Technology and Science, Nanjing 210094, C HNAbstract: In order to obtain lar ge -view ing ang le im ag e data, a hig h -resolution circular -view ing image rea-l time acquisition system based on linear CCD w as desi

4、gned. T he design of hardw ar e modules of the system w as completed, and by using the VH DL language, the driving tim ing of linear CCD and the A/D converto r controlling timing w er e designed. A new method of dynamic r ea-l tim e acquisitio n of linear CCD imag e based on VC mult-i thread techniq

5、ues is pro posed. Under the Visual C +6. 0env ir onment, the implem entation pro cess o f rea-l time im age acquisition is presented in detail. The sim ulating and debugg ing on hardw are and softw are achieve the expected requirements, completing the rea-l time acquisition o f cir cular -view ing i

6、m ag e. And the exper im ental results show that the schem e is feasible.Key words: linear CCD; circular -v iew ing imag e acquisitio n; mult-i thread; rea-l time display0 引言电荷耦合器件 (CCD 是一种金属 -氧化物 -半导 体结构的图像传感器件。 CCD 分为线阵 CCD 和面阵 CCD 1。线 阵 CCD 的光 敏单元 紧密 地 排成 一 行 , 它具有速度快、 密集度高与信息检取方便等一系 列优点 , 广泛应用于复

7、印机、 扫描仪、 工业非接触尺 寸的高速测量和大幅面高精度实物图像扫描等工业 现场检测、 分析与分选领域。在图像采集领域 , 面阵CCD 由于 CCD 靶面尺寸的限制 , 从而影响了整个 系统的视场 , 而线阵 CCD 的纵向分辨率一般都较 大 , 横向分辨率则不受限制 , 在大幅面图像采集时 , 线阵 CCD 扫描成像的质量往往优于面阵 CCD 拼接 的图像。为实现周视高分辨率图像的采集 , 本系统 采用线阵 CCD 扫描方案实现 , 选用线阵 CCD 器件 T CD1209D 、 CPLD 器件 EPM7064S 、 高速 A/D 转换 器 T LC5510A 、 U SB2. 0接口芯片

8、 CY7C68013A 等 器件 , 设计高分辨率线 阵 CCD 图像采集的硬件系 统 , 并完成各部分程序设计 , 实现线阵 CCD 周视图 像的采集、 实时显示、 存储等处理。5半导体光电 62011年 6月第 32卷第 3期 张 林 等 : 基于线阵 CCD 的周视图像实时 采集系统设计1 系统硬件设计被摄景物通过光学系统成像在线阵 CCD 感光 面上 , 线阵 CCD 在多路时序的驱动下 , 输出 CCD 模 拟信号 , 经信号调理电路放大、 滤波后 , 送入高速 A/D 转换器转换成 8位数字信号 , 再由高速 FIFO 进 行数据缓存后通过 U SB 接口芯片传送至 PC 端 ,

9、实 现周视图像采集、 实时显示、 存储等处理。整个系统 原理框图如图 1 所示。图 1 线阵 CCD 图像采集系统原理框图1. 1 线阵 CCD 驱动电路模块本系统选用 TOSH IBA 公司的高灵敏度、 低暗 电流线阵 CCD 器件 T CD1209D 作 为图像传感器。 TCD1209D 共有 2075个像敏单元 , 其中有 效像敏 单元为 2048个 , 像敏单元的尺寸大小为 14L m 14L m, 像元中心距为 14L m 。 T CD1209D 工作时需要 5路时序驱动脉冲 :转移脉冲 SH 、 两相交变驱动脉 冲 CR1和 CR2、 复位脉冲 RS 、 箝位脉冲 CP 。各路 驱

10、动脉冲必须严格满足相位和时序要求 , 才能使线 阵 CCD 正常工作 2-3。复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 CPLD (Complex Pro gramm able Log ic Dev ice 具有集成度高、 编程灵 活、 开发周期短等特点 , 可实现较大规模的 电路设计。利用 CPLD 来产生线阵 CCD 驱动时序可使电 路结构大大简化 , 提高系统的稳定性。本系统选用 ALT ERA 公司 M AX7000S 系 列的 EPM 7064S 芯 片 , 该器件具有 64个逻辑宏单元和 1250个可用逻 辑门 , 主要负责产生线阵 CCD 驱动时序、 A/D 转换 及 FIFO 缓 存

11、等控制信 号。时序 设计采用 VH DL 语言实现 , 在 Quartus Ò7. 2环境下 完成编译、 调 试 , 然后通过 JTAG 下载至 CPLD 器件。线阵 CCD 驱动时序的仿真波形如图 2所示。图 2 T CD1209D 驱动时序仿真图1. 2 A/D 转换电路模块A/D 转换模块主要将经过信号调理后的 CCD 模拟信号转换成对应的数字信号。本系统选用 T I 公司的 8位高阻抗并行 A/D 转换芯片 T LC5510, 其最小采样率为 20M SPS, 数据输出延时 2. 5个时 钟周期4。在一帧的 CCD 输出信号中 , 包括行首的32个哑元信号和行尾的 8个哑元信

12、号 , 只有中间的2048个像元信号是有效的 CCD 输出信号。通过线 阵 CCD 驱动时序 SH 、 RS 对前后 40个哑元信号输 出和 2048个 有效 像元 输出 进行 计算 , 产生 线阵 CCD 有效像元同步信号 Fc, 作为 A/D 转换器的使 能信号 ADOE, 同时将 RS 作为 A/D 转换的时钟信 号 ADCLK, 使 A/D 转换与线阵 CCD 的有效像元 输出同步。 TLC5510的连接电路如图 3 所示。图 3 A /D 转换及 FI FO 缓冲电路1. 3 高速 FIF O 缓存电路模块为了实现高速连续数据传输 , 在 A/D 转换电路 和 USB 接口电路间加入

13、一 FIFO 存储器作 为高速缓存。本系统选用 IDT 公司的 IDT 7203芯片 , 它具 有双口输入输出、 速度快、 先进先出 , 20489bit 的 存储结构和 12ns 的高速存取时间等特点 5。设计#SEMIC ONDUC TOR OPTOELECTRONIC S Vol. 32No. 3June 2011中将 IDT 7203的最高位悬空 , 这样刚好能够缓存一 帧 8位 CCD 信号 , 由 A/D 输出使能及转换时钟产 生 FIFO 写入时钟信号 FIFOWR 。 FIFO 缓存电路 连接如图 3所示。1. 4USB2. 0接口电路模块本系统选用兼容 U SB2. 0协议的

14、 CY7C68013A 接口芯片 , 负责完成硬件系统和 PC 间的数据传输。 CY7C68013A 是 Cypress 公 司 推 出 的 EZ -U SB FX2LP 系列集成微处理芯片 , 片上集成了一个串行 接口引擎 (SIE 、 一个 U SB 收发器、 增强型 8051单 片机及一个 8. 5KB 片上 RAM 、 一个 4KB FIFO 存 储器及一个通用可编程接口 (GPIF 6。在 本系统 中 , CY7C68013工作 于 8位 GPIF 模式 , 完成从 高 速 FIFO 缓存 IDT7203中读取数据发送到 PC 端。 1. 5步进机构线阵 CCD 图像采集系统是逐列

15、(行 扫描进行 的 , 步进电机带动图像采集系统在旋转云台上扫描 而得到图像 , 云台的转动速度必须与线阵 CCD 扫描 速率基本保持一致 , 才能得到准确的图像。本系统 中 , T CD1209的像元尺寸大小为 14L m 14L m, 镜 头焦距为 50m m, 所以单列 (行 图像对应的张角为H = 15m m 2PU 1c (1在线阵 CCD 典型 工作 频率 1M H z 下 , 采 集单 列 (行 所需的时间为20901M H zU 0. 002s (2 则线阵 CCD 扫描速率即云台的转速为 :M =0. 002sU 8b /s (3 所以环视一周理想扫描所需的时间约为 45s,

16、 所采 集图像的横向分辨率约为 21600像素。2实时图像采集的应用软件设计 由于线阵 CCD 像元在结构上呈单行排列的特 点 , 其采集一帧数据为单列 (行 数据 , 必须采集多帧 数据后才能构成图像。本文提出一种基于多线程技 术的图像动态实时显示方法 , 实时地监视采集到的 线阵 CCD 图像。线程 (Thread 指一个独立的过程 , 是系统分配 处理器时间的基本单元 , 是进程内部的可独立执行 的单元。实时系统对多任务的要求比较普遍 , 往往 在后台采集数据 , 进行数据显示的同时 , 还要在前台 界面对用户的操作做出响应。本文主要针对 8位灰 度 BM P 图像 , 在 Visual

17、 C+6. 0环境下利用多线 程技术进行应用程序设计。应用程序主线程响应用 户界面操作 , 保持中枢地位 , 辅助线程用于周视图像 采集和动态实时显示、 存储等操作。在图像实时采集时 , 首先在内存中建立一幅空 白图像 , 本系统中所用线阵 CCD 为 2048像元 , 设 定缓存图像数据块的大小为 cxDIB cy DIB(4000 2048 。使用 Win32API 函数 CreateThread( , 创建用于图像采集和实时显示的工作线程 , 并把类 的当前指针 this 传递到线程函数 T hr eadProCap( 中 :H ANDLE m _hThread =Cr eateT hr

18、ead (0, 0, T hr eadProCap, this, 0, 0 ; 线 程 函 数 T hr eadProCap 进行图像数据采集 , 将数据写入预先 指定的缓存图像数据块中 , 并进行动态实时显示 , 直 到用户发出停止采集命令。本设计中将图像缩放为 原来的 1/4显示 , 以适应屏幕大小的要求 , 则每采集 4帧线阵 CCD 数据便动态刷新显示 , 采集的图像数 据逐列、 循环地从左至右写入到缓存图像数据块中 , 如图 4(a 所示。在 (a 中数据块 a 1滞后于 a 2数据 块 , 动态显示时将数据块 a 2绘制到 b 1处 , 将 a 1绘 制到 b 2处 , 在扫描过程

19、中 , 由于 i 是不断变化地 , 如 此循环 , 便实现了动态实时地显示线阵 CCD 图像。图 4线阵 CCD 实时图像显示过程3实验测试及结果实验测试在 T CD1209D 的 1MH z 典型工作频 率下 , 利用水平旋转云台周视扫描 , 进行图像采集和 动态监视 , 采集的周视图像如图 5所示 , 其原始图像 的分辨率为 140002048像素 , 可以看出所采集的 图像具有较宽的视场。 (下转第 428页 5半导体光电 62011年 6月第 32卷第 3期 张 林 等 :基于线阵 CCD 的周视图像实时 采集系统设计制系统的稳定性进行分析。结合数学仿真曲线可以 证实模糊参数整 定 P

20、ID 控制器在卫星姿态 大角度 机动控制中的动态性能、 稳定性及适应能力 , 从而得 到这种控制器的可行性。参考文献 :1Buijtenen W M , Schram G , Babuska R , et al. A daptiv e Fuzzy contr ol o f satellite at titude by r einfo rcement learning J . IEEE T r ans. F uzzy Systems, 1998, 6(2 :185-194.2T hong chet S, K untanapr eeda S. A fuzzy -neural bang -bang

21、contro ller for satellite at titude co nt ro lJ. Pr oc. of SP IE, 2001, 4390:97.3王蜀泉 . 基于模糊控制的卫星大角度 姿态机动控 制方 法研究 J.中 国科 学院 研究 生院 学报 , 2006, 23(1 : 111-117. 4Chiang R Y, Jang J -S. Fuzzy log ic attitude contro l fo r cassini spacecraft J.F uzzy Systems, 1994, 3:1532-1537.5Wertz J R. Spacecraft Att it

22、ude Deter minatio n and Co ntr olM . K luw er A cademic P ub. , 1991.6Kaplan M. M odern Spacecr aft Dynamics and Co ntr ol M . John Wiley and So ns Inc. , 1976.7韩晓泉 . 模糊控 制 在 光电 跟 踪伺 服 系 统的 应 用 研 究 D. 北京 :中国科学院研究生院 , 2004.8解旭辉 . 基于模 糊 滑 模控 制 器的 伺 服 跟踪 控 制 研 究 J.控制理论与应用 , 2003, 20(6 :913-918.作者简介 :梁 爽 (1974- , 男 , 仪器科学与技术专业博士 生 , 主要研究方向为精密控制技术 。E -mail:liangsh-ciom photm ail. com(上接第 423页 图 5线阵 CCD 周视扫描图像4结论本文介绍了基于线阵 CCD 的高分辨率图像采 集系统的基本结构和工作原理 , 设计了系统各功能 模块的硬件电路 , 并利用 VC 多线程技术实现了线 阵 CCD 周视图像采集、 实时显示、 存储。最后的软 硬件系统调试结果达到预期效果 , 表明该方案具有 一定的可行性。参考文献 :