专利名称：具有光斑脱靶量实时计算功能的高速cmos相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电探测、信号处理和机械设计领域，具体为一种具有光斑脱靶量 实施计算功能的高速CMOS相机。
背景技术：
光电跟踪系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统及精密机械等几部分 组成的复杂设备，在航空、武器控制等各种军用和民用领域有着广泛的应用。随着目标 机动性能的增强和现代技术的发展，对光电跟踪系统的要求越来越高，尤其要求其响应 更快、稳定跟踪精度更高，这些特点对系统中图像处理单元的实时处理能力提出了更高 的要求。在光电跟踪装置中，传统的图像处理系统采用基于PC机的高速相机+图像采集 卡的结构，这类系统体积较大，图像处理过程要占用CPU的大量资源，只能够提供一般 的图像处理效果且速度较慢，而且系统性能的提升受图像采集卡的制约比较大。为此， 有人对这种传统的图像采集处理系统进行了改进，设计了基于CCD且具有光斑脱靶量实 时计算功能的高速智能相机，与原有的设备相比，这种方案减少了设备的数量，减小了 体积，提高了系统的稳定性。但是这种方案采用面阵CCD作为探测器，其驱动电路比较 复杂，单处理器往往不能满足系统需求，设计和调试难度也很大，不易实现。近年来，随着半导体技术的高速发展，CMOS图像传感器技术也获得了长足 的进步，传感器的噪声抑制能力和填充率均获得了大幅的提高，其成像质量也基本达到 了 CCD的水平，这为CMOS图像传感器在光电跟踪系统中的应用提供了可能。而且 CMOS图像传感器驱动电路设计比较简单，易于实现。鉴于这种现状，本发明研制了基 于CMOS图像传感器和Ti达芬奇系列高性能DSP的智能相机。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，以 解决CCD相机驱动电路复杂、设计调试难度大、单处理器不能满足要求的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于包括有图像处 理模块，所述图像处理模块上连接有CMOS图像传感模块，所述CMOS图像处理模块采 用CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采用图像处理芯片，所述图像处理模块外接 外扩存储器、程序存储器、监视器，图像处理模块还与外部主控机通讯连接。所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于所述 CMOS图像处理模块采用型号为MT9M001的CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采 用型号为TMS320DM6437的图像处理芯片，所述图像处理芯片内集成有数字视频前端、 数字视频后端、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I2C接口，所述图像处理芯片通 过数字视频前端、I2C接口与所述CMOS图像传感芯片电连接，图像处理芯片通过数字视
3频后端与监视器连接，所述图像处理芯片通过DDR2接口、EMIF接口分别对应外接外扩 存储器、程序存储器，图像处理芯片还通过UART接口与外部主控机连接。所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于所述图 像处理芯片的UART接口包括RS232接口和RS485接口，所述图像处理芯片通过RS232 接口与外部主控机连接，图像处理芯片通过RS485送出数据。所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的CMOS相机，其特征在于所述图像处 理芯片和CMOS图像传感芯片无缝连接，其中CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引 脚分别与图像处理芯片数字视频前端中作为I2C接口的SCL、SDA引脚一一对应连接， 所述CMOS图像传感芯片的DOUTO DOUT9引脚分别与所述图像处理芯片数字视频前 端中的YIO YI7引脚、CIO CIl引脚——对应连接，CMOS图像传感芯片的PIXCLK 引脚与图像处理芯片数字视频前端中的PCLK引脚连接，CMOS图像传感芯片的LINE_ VALID引脚、FRAME_VALID弓丨脚分别与图像处理芯片数字视频前端中的HD、VD引脚 一一对应连接。所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于所述图 像处理芯片引脚和CMOS图像传感芯片引脚之间通过连接器和接插件对应连接。所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的CMOS相机，其特征在于所述CMOS 图像传感芯片的VDD引脚、VAA、VAAPIX引脚分别接外部电源，RESET#引脚通过电 阻接外部电源，AGND、DGND引脚分别接地，STANDBY、TRIGGER、OE#引脚分别 通过电阻接地，所述CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引脚还分别通过电阻接外部 电源，CMOS图像传感芯片的CLKIN引脚外接晶振电路。所述的具有光斑脱靶量实施计算功能的CMOS相机，其特征在于所述晶振电 路包括有源晶振，所述有源晶振一个引脚接地，另一个引脚分别通过电阻接5V电源、通 过上拉电阻接外部电源，有源晶振还有一个引脚通过电阻与所述CMOS图像传感芯片的 CLKIN引脚连接。本发明中，图像传感模块选用Micron公司的单色图像传感器MT9M001作为图 像传感元件。该芯片工作电压为3.3v，内部有26个控制寄存器，通过I2C接口 SCLK、 SDATA引脚合理设置这些寄存器，可以使芯片工作在不同的帧频和窗口大小。U4为 48MHz有源晶振，在它的激励下，图像传感芯片通过引脚FRAME_VALID、LINE_ VALID输出行场同步信号，通过DOUTO-DOUT9弓丨脚输出图像数据信号，这些信号通过 接插件U3与图像采集模块相连。图像采集模块利用了基于达芬奇技术的图像处理芯片TMS320DM6437内部的数 字视频前端(VPFE)，利用该模块可以使图像处理设备和图像采集设备实现无缝连接。根 据图像传感器输出的时序和数据格式，需要对数字视频前端内部为数众多的寄存器进行 合理的设置。一旦设置完毕，数据采集就按照要求有条不紊的进行，结果也以EDMA的 方式存储与系统外扩的DDR2SDRAM中，整个采集过程无需CPU干预。图像处理模块主要是在CCStudio v3.3软件开发平台上对DM6437进行编程，程 序烧写在程序存储器中，用来对图像进行滤波、二值化，最后利用形心算法得出光斑的 位置信息。为满足系统实时性的要求，该模块必须具有很快的运算速度，所以选用Ti公 司高性能DSP芯片TMS320DM6437作为处理器。这个芯片除了具有丰富的外部接口外，也具有较高的运算速度。它是美国德州仪器公司(Tl)推出的一款基于TI第三代高性能 的VLIW的面向数字多媒体应用的DSP，内核为C64x+。在600MHz的时钟频率下，芯 片的峰值处理能力高达4800MIPS，调试结果表明，该芯片能够满足需求。同图像采集模块一样，图像显示模块也是利用了 DM6437芯片内部集成的接
口------数字视频后端(VPBE)。在外扩存储器DDR2SDRAM中开辟一块显示缓存，
图像处理后放入显存中，根据显示需求合理设置数字视频后端控制寄存器，VPBE便能够 将显示缓存内的数据送入监视器进行显示。相机的通信模块包括3部分第一，RS232通信模块。计算机通过该模块和相 机进行通信，以控制相机的工作模式，设置相机工作状态所需的参数通过RS232 口发送 给DM6437，由DM 6437完成对图像传感器的配置。第二，I2C控制模块。DM6437通 过I2C总线与图像传感芯片相连，DM6437收到RS232发送的参数后，通过I2C总线发送 到图像传感器相应的控制寄存器。它可以设置相机的输出图像大小、帧频、增益、曝光 时间等参数；第三，RS485数据收发模块。图像经过图像处理模块处理后，得出光斑的 位置信息，进而得到脱靶量，该数据通过RS485 口送出。本发明实现了图像高速采集与处理的一体化，简化了电路系统，减小了从采集 图像到获得光斑位置信息所需设备的体积，提高了系统的稳定性。
图1为本发明结构框图。图2为CMOS图像传感芯片电路图。图3为图像处理芯片与CMOS图像传感芯片连接示意图。图4为图像处理芯片与CMOS图像传感芯片无缝连接接口示意图。
具体实施例方式如图1、图2所示。具有光斑脱靶量实时计算功能的CMOS相机，包括有图 像处理模块，图像处理模块上电连接有CMOS图像传感模块，CMOS图像处理模块采用 CMOS图像传感芯片U1，图像处理模块采用图像处理芯片DM6437，图像处理模块外接 外扩存储器SDRAM、程序存储器FLASH、监视器，图像处理模块还与外部主控机通讯 连接。CMOS图像处理模块采用型号为MT9M001的CMOS图像传感芯片Ul，图像处 理模块采用型号为TMS320DM6437的图像处理芯片DM6437，图像处理芯片DM6437内 集成有数字视频前端VPFE、数字视频后端VPBE、DDR2接口、EMIF接口、UART接口 和I2C接口，图像处理芯片DM6437通过数字视频前端VPFE、I2C接口与CMOS图像传 感芯片Ul电连接，图像处理芯片DM6437通过数字视频后端VPBE与监视器连接，图像 处理芯片DM6437通过DDR2接口、EMIF接口分别对应外接外扩存储器、程序存储器， 图像处理芯片DM6437还通过UART接口与外部主控机连接。图像处理芯片DM6437的UART接口包括RS232接口和RS485接口，图像处理 芯片通过RS232接口与外部主控机连接，图像处理芯片通过RS485送出数据。如图3、图4所示。图像处理芯片DM6437和CMOS图像传感芯片Ul无缝连接，其中CMOS图像传感芯片Ul的SCLK、SDATA引脚分别与图像处理芯片DM6437 数字视频前端VPFE中作为I2C接口的SCL、SDA引脚一一对应连接，CMOS图像传感 芯片Ul的DOUTO D0UT9引脚分别与图像处理芯片DM6437数字视频前端VPFE中 的YIO YI7引脚、CIO CIl引脚——对应连接，CMOS图像传感芯片Ul的PIXCLK 引脚与图像处理芯片DM6437数字视频前端VPFE中的PCLK引脚连接，CMOS图像传 感芯片Ul的LINE_VALID引脚、FRAME_VALID引脚分别与图像处理芯片DM6437数 字视频前端VPFE中的HD、VD引脚一一对应连接。图像处理芯片DM6437引脚和CMOS图像传感芯片Ul引脚之间通过连接器U3 和接插件RPl对应连接。CMOS图像传感芯片Ul的VDD引脚、VAA、VAAPIX引脚分别接外部电源 VCC, RESET#引脚通过电阻R5接外部电源VCC，AGND> DGND引脚分别接地， STANDBY、TRIGGER、0E#引脚分别通过电阻R3、R4、R6接地，CMOS图像传感芯 片Ul的SCLK、SDATA引脚还分别通过电阻Rl、R2接外部电源VCC，CMOS图像传 感芯片Ul的CLKIN引脚外接晶振电路。晶振电路包括有源晶振U4，有源晶振U4—个引脚接地，另一个引脚分别通过 电阻Rll接5V电源、通过上拉电阻RlO接外部电源VCC，有源晶振U4还有一个引脚通 过电阻R12与CMOS图像传感芯片Ul的CLKIN引脚连接。在进行硬件设计时，本发明将整个系统分为两个部分分别设计图像传感部分 和图像采集处理部分。图像传感的电路如图2所示；图像采集处理部分除了 DM6437外， 还外扩了 128M的DDR2SDRAM和4Mx8bit的NOR FLASH, SDRAM用于存储采集的图 像和处理的结果，FLASH用于系统程序的上电自启动。两部分按照图3所示的方式进行 硬件连接，系统通过RS232 口与主控计算机相连。系统软件是在CCS3.3开发平台上用C语言编程实现的。软件使用了用户可裁剪 的嵌入式实时操作系统DSP/BIOS内核，用户可以根据需要通过tcf文件配置BIOS。在 设计的过程中，我们配置了一个最小化的DSP/BIOS内核，采用了单任务的工作模式。 即系统首先调用main函数对整个系统进行初始化，它包括对CMOS图像传感器和DSP 的初始化、对各种外部存储器接口的设置、软件内部变量的初始化设置等，然后一直调 用图像处理函数进行光斑脱靶量的计算并将结果实时输出。整个工作过程可描述如下系统上电后，程序从外接FLASH自动加载到DSP中开始运行，DSP首先通过 RS232接收来自于主控机的控制参数，然后通过I2C总线对图像传感芯片的参数进行设 置。设置完毕后，在同步信号line_valid(行同步)和frame_valid(帧同步)的控制下， DM6437的CCDC模块开始采集图像数据，并以EDMA的方式自动存入外将DDR2存 储器(SDRAM)中。一帧图像采集完成后，对当前图像进行处理，包括图像滤波、二值 化、用形心跟踪算法提取光斑位置信息，得到光斑的位置信息通过RS485 口送给运动控 制单元。调试结果表明，该相机能够在窗口大小为600x550的情况下实现130Hz的实时处理。
权利要求
1.具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在于包括有图像处理 模块，所述图像处理模块上面连接有CMOS图像传感模块，所述CMOS图像处理模块采 用CMOS图像传感芯片，所述图像处理模块采用图像处理芯片，所述图像处理模块外接 外扩存储器、程序存储器、监视器，图像处理模块还与外部主控机通讯连接。
2.根据权利要求1所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在 于所述CMOS图像处理模块采用型号为MT9M001的CMOS图像传感芯片，所述图像 处理模块采用型号为TMS320DM6437的图像处理芯片，所述图像处理芯片内集成有数字 视频前端、数字视频后端、DDR2接口、EMIF接口、UART接口和I2C接口，所述图像 处理芯片通过数字视频前端、I2C接口与所述CMOS图像传感芯片电连接，图像处理芯片 通过数字视频后端与监视器连接，所述图像处理芯片通过DDR2接口、EMIF接口分别对 应外接外扩存储器、程序存储器，图像处理芯片还通过UART接口与外部主控机连接。
3.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征 在于所述图像处理芯片的UART接口包括RS232接口和RS485接口，所述图像处理芯 片通过RS232接口与外部主控机连接，图像处理芯片通过送出数据。
4.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征 在于所述图像处理芯片和CMOS图像传感芯片无缝连接，其中CMOS图像传感芯片的 SCLK、SDATA引脚分别与图像处理芯片数字视频前端中作为I2C接口的SCL、SDA引脚 一一对应连接，所述CMOS图像传感芯片的DOUTO DOUT9引脚分别与所述图像处理 芯片数字视频前端中的YIO YI7引脚、CIO CIl引脚一一对应连接，CMOS图像传感 芯片的PIXCLK引脚与图像处理芯片数字视频前端中的PCLK引脚连接，CMOS图像传 感芯片的LINE_VALID引脚、FRAME_VALID弓丨脚分别与图像处理芯片数字视频前端中 的HD、VD引脚一一对应连接。
5.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征 在于所述图像处理芯片引脚和CMOS图像传感芯片引脚之间通过连接器和接插件对应 连接。
6.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特 征在于所述CMOS图像传感芯片的VDD引脚、VAA、VAAPIX引脚分别接外部电 源，RESET#引脚通过电阻接外部电源，AGND、DGND引脚分别接地，STANDBY、 TRIGGER、OE#引脚分别通过电阻接地，所述CMOS图像传感芯片的SCLK、SDATA引脚还分别通过电阻接外部电源，CMOS图像传感芯片的CLKIN引脚外接晶振电路。
7.根据权利要求2所述的具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，其特征在 于所述晶振电路包括有源晶振，所述有源晶振一个引脚接地，另一个引脚分别通过电 阻接5V电源、通过上拉电阻接外部电源，有源晶振还有一个引脚通过电阻与所述CMOS 图像传感芯片的CLKIN引脚连接。
全文摘要
本发明公开了一种具有光斑脱靶量实时计算功能的高速CMOS相机，包括有图像处理模块，图像处理模块电连有CMOS图像传感模块。本发明实现了图像高速采集与处理的一体化，简化了电路系统，减小了从采集图像到获得光斑位置信息所需设备的体积，提高了系统的稳定性。
文档编号H04N7/18GK102014245SQ20101050850
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者何枫, 侯再红, 吴毅, 姚佰栋, 张守川, 秦来安, 谭逢富, 靖旭 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所