USB3.0CMOS线阵工业相机的制作方法

本实用新型涉及工业相机，特别是具有USB3.0接口的CMOS线阵工业相机。

(二)

背景技术：

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，相比于传统相机，具有高的图像稳定性、高传输带宽和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD或CMOS芯片的相机。早期的工业相机多采用PAL/NTSC/SECAM/S-VIDEO等格式信号输出，需要配备专用图像采集卡才能转化为计算机可处理的数字信息。随着GigE/USB/IEEE/DCOM/Camera Link LVDS等数字接口技术的发展和普及，目前越来越多的工业数字相机取代传统的模拟相机出现在各种机器视觉系统应用中。工业相机按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机。

线阵CCD具有结构简单，成本较低的特点。可以同时储存一行视频信号。由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵CCD广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。

为了方便工业相机安装，提高图像传输率，专利申请号为CN200910243884.2“一种USB数字工业相机”的文献“公开了一种应用于机器视觉领域的黑白/彩色的USB数字工业相机，它将多种功能高度集成化于相机内部，采用USB2.0数据输出接口和总像素140万～500万像素的CCD图像传感器，可以通过外部信号触发或连续采集，具有采集速度快、图像清晰度高等特点。USB数字工业相机采用软硬件结合的设计思想，通过USB接口，实现相机硬件和PC机上运行的演示软件之间的通信，进一步方便了用户进行数据的访问和工业过程的监控。”

近年来随着图像采集速度的飞速提升，以上工业相机具有以下不足：1.采用CCD图像传感器的工业相机，功耗要比CMOS图像传感器的工业相机大，这样在高采集速度下，相机功耗必然相当巨大。2.采用面阵传感器图像质量比同价位线阵图像传感器图像清晰度低，3.GigE接口相机带宽受限制1.25Gb/s，USB2.0接口相机带宽仅仅480Mb/s，都无法满足更高采集速度的要求。CameraLink接口带宽高但是接口体积巨大，同时需要配备价格昂贵的采集卡，应用成本和使用便利性受限。

针对以上不足，本实用新型采用USB3.0接口，线阵CMOS图像传感器，USB3.0接口带宽高达5Gbps，可极大提高相机采集速度和分辨率，降低系统方案成本，减小相机体积和功耗，提高图像质量，同时在硬件实现拼接压缩等算法，减轻主机运算处理压力，尤其在多台相机应用场合更显优势。线阵CMOS图像传感器分辨率从2K～12K，采集频率高达100K，可满足高速高分辨率的苛刻需求。

本实用新型包括相机结构包括如下模块：USB3.0通用总线接口及其控制器、可编程逻辑芯片PLD、同步随机存储器DDR3、现场可编程阵列FPGA、线阵CMOS图像传感器，电源管理模块；

CMOS线阵图像传感器感受图像信号，PLD输出驱动时序至图像传感器，图像传感器出台像素把时钟信号CLK、图像数据信号DATA、同步数据信号LVAL传送给可编程逻辑芯PLD模块，在可编程逻辑芯PLD模块中进行数据重组转换，输出差分数据信号LVDS信号到现场可编程阵列FPGA；现场可编程阵列FPGA通过存储器DDR3缓冲图像数据，同时进行数据拼接，同时通过GPIFII接口输出至USB3.0控制器的数据缓冲区，最后由USB3.0控制器由通用USB3.0接口引擎传输至USB3.0主机HOST端。另外主机可发送控制指令至USB3.0控制器，USB3.0控制器通过SPI接口设置FPGA工作模式以及图像处理参数，也可设置线阵CMOS图像传感器图像采集参数。

其工作流程是：开机后把相机连接主机，相机自动进行USB2.0设备枚举，再进行USB3.0设备枚举，USB3.0设备枚举成功则设置USB设备传输带宽为5Gb/s，否则设置USB设备传输带宽为480Mb/s；随后设置图像参数，设置相机硬件拼接参数，设置工作模式，进行图像数据采集，进行外触发工作模式查询，外触发模式则接受外触发信号，否则查询软件触发工作模式，软件触发则接受软件触发指令，否则进行自动连续工作模式，采集图像线阵信号，再进行12bit至8bit图像压缩，图像硬件拼接，完成采集，工作结束。

(三)

技术实现要素：

本实用新型的目的就是提供一种采用USB3.0接口，CMOS线阵图像传感器的相机，提高采集速度和图像分辨率，减小相机体积，降低成本与功耗。

本实用新型的目的是这样实现的：相机结构包括如下模块：USB3.0通用总线接口及其控制器、可编程逻辑芯片PLD、同步随机存储器DDR3、现场可编程阵列FPGA、线阵CMOS图像传感器，电源管理模块；

CMOS线阵图像传感器感受图像信号，PLD输出驱动时序至图像传感器，图像传感器出台像素把时钟信号CLK、图像数据信号DATA、同步数据信号LVAL传送给可编程逻辑芯PLD模块，在可编程逻辑芯PLD模块中进行数据重组转换，输出差分数据信号LVDS信号到现场可编程阵列FPGA；现场可编程阵列FPGA通过存储器DDR3缓冲图像数据，同时进行数据拼接，同时通过GPIFII接口输出至USB3.0控制器的数据缓冲区，最后由USB3.0控制器由通用可编程接口GPIF传送32bit信号以及通过串行外设接口SPI输入外设信号，USB3.0接口引擎传输至USB3.0接口；

其工作流程是：开机后把相机连接主机，相机自动进行USB2.0设备枚举，再进行USB3.0设备枚举，USB3.0设备枚举成功则设置USB设备传输带宽为5Gb/s，否则设置USB设备传输带宽为480Mb/s；随后设置图像参数，设置相机硬件拼接参数，设置工作模式，进行图像数据采集，进行外触发工作模式查询，外触发模式则接受外触发信号，否则查询软件触发工作模式，软件触发则接受软件触发指令，否则进行自动连续工作模式，采集图像线阵信号，再进行12bit至8bit图像压缩，图像硬件拼接，完成采集，工作结束。

(四)附图说明

本实用新型的具体结构工作流程由以下的实施例及其附图1、附图2给出。附图1是USB3.0CMOS线阵工业相机硬件结构原理框图。附图2是USB3.0CMOS线阵工业相机工作流程图。附图3是USB3.0CMOS线阵工业相机机械尺寸图。附图4是USB3.0CMOS线阵工业相机4K分辨率相机的基本性能参数表格图。

(五)具体实施例

本实用新型的运行过程如下：

(1)附图1给出了本实用新型的硬件结构，按照图示对硬件进行焊接组装，并通过usb接口把驱动程序植入到ddr3中。本发明包括：USB3.0通用总线接口及其控制器、可编程逻辑芯片PLD、同步随机存储器DDR3、现场可编程阵列FBGA、线阵CMOS图像传感器，电源管理模块。

本实用新型的工作原理是：相机由usb总线与主机连接并提供相机所需电源。此电源由电源管理模块对相机内部各模块提供所需电源。CMOS线阵图像传感器感受图像信号，把时钟信号CLK、标准数据信号DATA、长数据信号LVAL传送给可编程逻辑芯PLD模块，在可编程逻辑芯PLD模块，输出长数据信号LVDS信号到现场可编程阵列FPGA；现场可编程阵列FPGA，同时由USB3.0控制器由通用可编程接口GPIF传送32bit信号以及通过串行外设接口SPI输入外设信号，现场可编程阵列FPGA由同步数据随机存储器DDR3中程序控制，现场可编程阵列FPGA处理后数据信号传入DDR3储存，现场可编程阵列FPGA处理后的图像信号最后经由通用可编程接口GPIF进入USB3.0控制器通过USB3.0总线与主机通信。

(2)本实用新型工作流程如附图2所示。其运行过程如下：

开机后把相机连接主机进行USB2.0设备枚举，再进行USB3.0设备枚举，USB3.0设备枚举成功则设置USB设备传输带宽为5Gb/s，否则设置USB设备传输带宽为480Mb/s；随后设置图像参数，设置相机硬件拼接参数，设置工作模式，进行图像数据采集，进行外触发工作模式查询，外触发模式则接受外触发信号，否则查询软件触发工作模式，软件触发则接受软件触发指令，否则进行自动连续工作模式，采集图像线阵信号，再进行12bit至8bit图像压缩，图像硬件拼接，完成采集，工作结束。

(3)本实用新型机械外观如附图3所示。机尺寸29mm*30mm*44mm；前端有32UNC镜头标准接口；后端有USB3.0接口及外触发接口。

(4)本实用新型各规格参数如附图4所示。具体参数如下：

1、图像传感器：CMOS；

2、分辨率：4096×1

3、像元尺寸：3.5μm×3.5μm

4、快门：全局曝光

5、行频：80kHz

6、黑白/彩色：黑白

7、接口：USB3.0

8、图像输出格式：Raw8/Mono8

9、像素位深：8/12bits

10、同步控制：自由模式/软触发模式/外触发模式/固定频率模式

11、曝光控制：手动/自动

12、外壳温度：0～50℃

13、镜头接口：C-mount

14、GPIO：1路输入/1路输出

15、工作温度：0～50℃

16、电源要求：USB3.05V@900mA

17、外壳尺寸：29mm×44mm×30mm(H×W×L)

以上实施例只是为了更好的说明本发明的实际应用，并不是为了限制本发明。本发明的技术特征由权利要求书所确定。