专利名称：相机帧率同步可调的工业图像采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业图像的照明技术，更具体地说是涉及一种相机帧率同步可调 的工业图像采集装置。
背景技术：
在工业现场图像检测系统中，光照的稳定是保证图像采集稳定的先决条件。目 前，工业现场照明环境，通常使用交流电的高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯为环境照明 光源，这些高强度气体放电灯具有发光效率高、显色性好、寿命长、成本低的特点。人眼在观 察时不会感觉到光照随交流工频的剧烈变化，但在工业图像采集装置应用中，因被测对象 一般处于运动状态，相机的暴光时间很短，这时图像采集设备就会明显反映出灯光的输出 光强与交流电压波形的关系，从实际效果来看，图像亮度的时间曲线几乎为正弦，光照度高 底点反差在图像显示的灰度统计值达5倍以上。并且相机的采集帧率通常是不同的，此时 图像的亮度变化更明显。如果在面积较小的环境范围内尚可使用特殊的技术解决，但在面 积比较大的环境范围比如15米长，3米宽的高温环境下，为保证图像检测的使用效果，一般 需要很大的资金与设备投入。例如可采用检测光环境密闭施工，并使用昂贵特殊的频闪灯， 特别的直流电照明等等，但即便如此，在复杂图像检测系统中，由于相机的预定采集帧率可 变，就更难保证在采用稳定频率的照明条件下采集到符合要求的工业图像。
实用新型内容针对现有技术中存在相机的采集帧率与照明电的工作频率不匹配，采集图像灰度 质量不佳的问题，本实用新型的目的是提供一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置， 可以采集到符合要求的灰度稳定的图像。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置，包括光源供电电源，为交流电源；光源，为高强度气体放电灯，与供电电源相连；同步控制器，包括隔离变压器、信号处理部分以及单片机，隔离变压器的输入端与供电电源连接，接收供电电源并产生低压电源；信号处理部分的输入端与隔离变压器的输出端连接，接收低压电源并对其频率依 次进行整理、低通滤波、过零点相位检测，产生相位信号；单片机的输入端与信号处理部分的输出端连接，根据相机帧率对接收的相位信号 进行分频、延时处理，产生控制相机与供电电源频率进行同步曝光的触发信号；相机，输入端与对应的同步控制器的输出端连接，接收触发信号并进行曝光拍摄。所述信号处理部分包括信号零点调整单元、低通滤波器以及施密特过零检测单 元，其中，信号零点调整单元的输入端与隔离变压器的输出端连接，接收低压电源，并进行
3降压、偏置，产生偏置信号；低通滤波器的输入端与信号零点调整单元的输出端连接，接收偏置信号，并进行 滤波，产生滤波信号；施密特过零检测单元的输入端与低通滤波器的输出端连接，接收滤波信号，并进 行抗干扰处理以及过零点相位检测，产生相位信号。所述同步控制器还包括信号驱动器，信号驱动器的输入端与单片机的输出端连 接，接收触发信号，进行放大并输出至相机。所述同步控制器上设有与外部计算机相连的通讯接口。所述图像采集装置还包括变频器，设于光源供电电源与光源之间，变频器的输入 端与供电电源输出端连接，输出端分别与光源、同步控制器的输入端连接，变频器输出交流 变频电源。所述高强度气体放电灯为高压钠灯、高压汞灯或金属卤化物灯。所述的相机的数量为一个或多个，所述的同步控制器的数量等于或少于相机的数量。在上述技术方案中，本实用新型的一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置， 包括光源供电电源，为交流电源；光源，为高强度气体放电灯，与供电电源相连；同步控制 器，包括隔离变压器、信号处理部分以及单片机，隔离变压器的输入端与供电电源连接，接 收供电电源并产生低压电源；信号处理部分的输入端与隔离变压器的输出端连接，接收低 压电源并对其频率依次进行整理、低通滤波、过零点相位检测，产生相位信号；单片机的输 入端与信号处理部分的输出端连接，根据相机帧率对接收的相位信号进行分频、延时处理， 产生控制相机与供电电源频率进行同步曝光的触发信号；相机，输入端与对应的同步控制 器的输出端连接，接收触发信号并进行曝光拍摄。由于采用了同步控制器，可以检测供电电 源过零点的相位信号，再进行适当的分频与延时，使同步触发信号的频率等于预定的相机 采集帧率，并且同步触发信号控制相机开始曝光采集图像的时刻，使相机曝光与灯光亮度 保持同步，这样还提高了灯光的利用效率。在相机帧率精度要求高的情况下，可以在光源供电电源和光源、控制器之间增加 变频器或交流变频电源，使光源供电频率可调。在相机帧率精度要求不高的情况下，可以取 消。
图1是本实用新型的一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置的结构示意图；图2是图1中同步控制器的工作原理框图；图3是图1中同步控制器的电路原理图；图4是图1中的变频器同多台同步控制器与相机连接的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本实用新型的技术方案。请参阅图1所示的一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置10包括光源供电 电源，为交流电源；光源6，为高强度气体放电灯，与供电电源相连；同步控制器3，输入端与供电电源连接，检测供电电源过零点的相位信号，并对相位信号进行分频与延时，产生用于 控制相机曝光时刻的同步触发信号；分频的计算公式为 Pxi 其中n为分频值，Fu为变频电源的输出频率，Fc为相机的采集帧率。在此需要说 明的是变频电源的输出频率Fu是连续可调，分频值得去取值范围为n = 1 ⑴，其取值范 围很广故对于任意的相机采集帧率Fc，都可以设定合适的Fu和n。相机5，输入端与对应 的同步控制器3的输出端连接，接收同步触发信号，并对拍摄物7进行曝光拍摄。图像采集 装置10还包括提供变频电源的变频器2，其输入端与供电电源连接，输出端分别与光源6、 同步控制器3的输入端连接。同步控制器3上设有与外部计算机4相连的通讯接口。光源 6为高压钠灯、高压汞灯或金属卤化物灯。同步控制器3包括隔离变压器37、信号零点调整 单元34、施密特过零检测单元32以及MPU单片机35，隔离变压器37的输入端与供电电源 连接，信号零点调整单元34的输入端与隔离变压器37的输出端连接，施密特过零检测单元 32的输入端与信号零点调整单元34的输出端连接，MPU单片机35的输入端与施密特过零 检测单元32的输出端连接。由于图像采集装置10利用低成本的照明光源6，如HID灯，取代昂贵的频闪灯，使 相机5以不同帧率获得灰度稳定的图像；变频器2产生频率连续可调的变频电源为相机5 的光源6提供能源；同步控制器3检测到变频电源的过零点，并经过预定的分频，再经适当 的延时后触发相机5。这样相机5采集图像的帧率刚好是预定的帧率，相机5图像曝光时刻 与灯光的工作电压的相位保持同步，使图像灰度保持稳定。请参见图2所示，同步控制器3包括隔离变压器37、稳压电源36、信号零点调整 单元34、低通滤波器33、施密特过零检测单元32、MPU单片机35、Flash存储器39、地址设 定单元41、信号驱动器42、通讯接口 38以及按键31。供电电源或变频电源首先进入隔离变压器37，变成较低的电压，一路作为电源进 入稳压电源电路36为整个电路供电，另外一路作为检测信号进入信号零点调整电路34，该 电路输出信号进入低通滤波器33，消除例如为变频器2的毛刺等各种干扰，只保留变频电 源的有用分量，低通滤波器33输出的信号进入施密特零相位检测单元32检测变频电源的 过零点，并同时将信号通知MPU单片机35，MPU单片机35接到信号后经过预定的分频和延 时，产生控制信号，经过信号驱动器42的增强，得到同步触发信号，去控制相机5采集图像。同步控制器3需要从外部得到必要的控制参数。它可以通过按键31，设置预定的 参数，通常是过零点的延时设定，也可以通过通讯接口 38，由用户远程设定参数，通讯设定 的参数有多个，包括分频倍数，过零后的延时。各种参数存储在Flash存储器39中，在需 要时取出。地址设定41可以设定不同同步控制器3的地址，使多个同步控制器3可以共用 同一条通讯总线，依靠地址不同进行区分(见图4)。在此需要说明的是，所述的同步控制器 3的数量等于或少于相机5的数量，一个同步控制器3可以控制连接一个以上相机5。再请参阅图3所示，其中隔离变压器37有两个作用1)通过它提供低压电源；2)作为敏感元件，提供变频 电源的信号，作为相位检测的对象。稳压电源36为内部电路提供电源，包括二极管D2、自复位保险丝F1、电容CI、C2，
5TVS瞬变抑制二极管D1，三端稳压器U1组成。二极管D2起整流作用，自复位保险丝F1限 制系统工作电流，TVS管D1可以吸收外部的脉冲高电压，保护内部系统，电容C1和C2起滤 波作用。三端稳压器U1可以提供一个稳定的电压。信号零点调整单元34将被检测的变频电源信号的电压范围调整到内部电路可以 处理的范围内。如内部电源电压为5V时，可以调整到1.5V 3. 5V。它由电阻R1、R3、R4 和电容C3组成。电阻R1、R3和R4构成了一个分压网络，将缩小的变频电源的交流信号进 行偏置，使之进入到后续的内部电路的工作范围内。电容C3可以初步滤除高频毛刺干扰信号。低通滤波器33将被检测信号上的干扰，特别是变频器2载波毛刺干扰过滤掉，只 保留最基本的变频电源信息。它由运算放大器TOA、TOB，电阻R10、R11、R12、R13和电容C8、 C9、C10、C11组成。这些元件构成了一个高阶低通滤波器，可以实现非常好的滤波效果。施密特过零检测单元32实现变频电源过零时刻的检测，施密特特性有利于减少 干扰的影响。它由比较器U3A和电阻R2、R5、R6、R7、R8和电容C4组成。电阻R2、R5和R6 构成了与信号零点调整电路完全对称的分压电路，提供比较基准。电容C4滤除可能的毛 刺。由于两个电路几乎完全对称，所以无须专门调整，就可以准确低检测到变频电源的零点 时刻。上拉电阻R7提供高电平驱动，反馈电阻R8提供正反馈，实现施密特磁滞特性。MPU单片机35实现同步控制器3的信号控制、通讯及参数管理。由单片机芯片 U4、电阻R9、电容C5、C6、C7，和晶体XI组成。C7和R9构成了复位电路，C5、C6和XI构成 了系统的时钟。U4为核心处理器。通过串行口 Rxd和Txd信号线与用户的远程设备交换 数据；通过SCL和SDA信号线，与Flash存储器交换数据；通过SetUp和SetDown信号读 取用户的按键设定；通过VoltState信号线读取施密特过零检测电路输出的灯光电源的信 息，检测到上跳变(或者下跳变)，就根据用户的设定，进行相应的分频、延时处理，最后通 过TrigerSig信号向相机5发出图像采集的同步触发信号。FLASH存储器39存储用户设定的各种参数，为Flash存储器U6,系统无论有意或 者无意掉电时，关键数据虽然丢失，但重新上电复位时，系统会重新读设定数据，可以防止 控制器掉电前后不一致。地址设定单元41可以为同步控制器3设定不同的地址，使一个系统内允许多个同 步控制器3同时工作，由拨动开关S1构成。信号驱动器42把来自MPU的触发信号TrigerSig的电流驱动能力加大。由非门 U7、电阻R14、R15、R16、R17、R18和R19组成。U5实现驱动能力的增强，并构成正、反相形式， 满足不同的相机5触发模式的需要，而且构成差分模式，有利于远程传输。电阻R14、R15、 R16、R17、R18和R19对电路进行电流保护防止损坏。通讯接口 38实现控制器与主机之间的通信转换。它由驱动芯片U2组成。它处于 半双工模式。平时处在接受状态，ComOutEn信号为低电平，当接受到发送数据指令时，芯片 处在发送状态，ComOutEn为高电平。该电路为RS485接口，如果特殊需要也可以改为RS232接口。按键31实现用户的手动输入。由设定按钮K1和K2组成。K1产生SetUp信号，让 设定的延时增加，K2产生SetDown信号，让设定的延时减少。输出连接件43通讯信号和同步触发信号通过该部件与外部连接。由J2组成。[0049] 本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的 目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变 化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
权利要求一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置，其特征在于，包括光源供电电源，为交流电源；光源，为高强度气体放电灯，与供电电源相连；同步控制器，包括隔离变压器、信号处理部分以及单片机，隔离变压器的输入端与供电电源连接，接收供电电源并产生低压电源；信号处理部分的输入端与隔离变压器的输出端连接，接收低压电源并对其频率依次进行整理、低通滤波、过零点相位检测，产生相位信号；单片机的输入端与信号处理部分的输出端连接，根据相机帧率对接收的相位信号进行分频、延时处理，产生控制相机与供电电源频率进行同步曝光的触发信号；相机，输入端与对应的同步控制器的输出端连接，接收触发信号并进行曝光拍摄。
2.如权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于所述信号处理部分包括信号零点调整单元、低通滤波器以及施密特过零检测单元，其中，信号零点调整单元的输入端与隔离变压器的输出端连接，接收低压电源，并进行降压、 偏置，产生偏置信号；低通滤波器的输入端与信号零点调整单元的输出端连接，接收偏置信号，并进行滤波， 产生滤波信号；施密特过零检测单元的输入端与低通滤波器的输出端连接，接收滤波信号，并进行抗 干扰处理以及过零点相位检测，产生相位信号。
3.如权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于所述同步控制器还包括信号驱动器，信号驱动器的输入端与单片机的输出端连接，接 收触发信号，进行放大并输出至相机。
4.如权利要求1 3中任一项所述的图像采集装置，其特征在于 所述同步控制器上设有与外部计算机相连的通讯接口。
5.如权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于所述图像采集装置还包括变频器，设于光源供电电源与光源之间，变频器的输入端与 供电电源输出端连接，输出端分别与光源、同步控制器的输入端连接，变频器输出交流变频 电源。
6.如权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于所述高强度气体放电灯为高压钠灯、高压萊灯或金属卤化物灯。
7.如权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述的相机的数量为一个或多个，所述的同步控制器的数量等于或少于相机的数量。
专利摘要本实用新型公开了一种相机帧率同步可调的工业图像采集装置，包括光源供电电源，为交流电源；光源，为高强度气体放电灯，与供电电源相连；同步控制器，输入端与供电电源连接，检测供电电源过零点的相位信号，并对相位信号进行分频与延时，产生用于控制相机曝光时刻的同步触发信号；相机，输入端与对应的同步控制器的输出端连接，接收同步触发信号，并进行曝光拍摄。由于采用了同步控制器，可以检测供电电源过零点的相位信号，再进行适当的分频与延时，使同步触发信号的频率等于预定的相机采集帧率，并且同步触发信号控制相机开始曝光采集图像的时刻，使相机曝光与灯光亮度保持同步，这样还提高了灯光的利用效率。
文档编号H04N5/232GK201608788SQ20102003306
公开日2010年10月13日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者夏勇, 方志宏 申请人:宝山钢铁股份有限公司