多台ccd摄像机同步信号采集驱动装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，驱动装置由AD采样模块、CPLD驱动硬件模块和GIGE传输模块构成，AD采样模块并联连接采集前端，AD采样模块通过GIGE传输模块连接PC上位机；AD采样模块和GIGE传输模块分别与CPLD驱动硬件模块信号连接，CPLD驱动硬件模块与采集前端信号连接。本实用新型使用一块驱动芯片，同时实现多个CCD传感器同步采集、AD采样及GIGE传输，可有效减少视频安防监控系统采集的硬件投入，并可以为全景拼接提供素材；可以减少图像采集的光路，从而减少产品体积和重量，减少产品的成本。
【专利说明】多台CCD摄像机同步彳米集驱动装直
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及信息技术中的信号数据采集系统，特别涉及多台CCD(全称ChargeCoupled Device,电荷稱合元件)摄像机同步信号采集驱动装置。
【背景技术】
[0002]在一些重要场所(例如银行库房、阳极泥车间、保密机构等处)对视频安防监控系统的要求非常严格，需要实现在重点区域360°无死角同步视频采集，所以需要在同一区域设置多台CCD摄像机。为实现多台CCD摄像机同步采集，目前常用的实现方法为，为每台摄像机均配置一套独立采集驱动系统，并将各摄像机采集获取的图像汇聚到视频光端机(摄像机为模拟前端)或交换机(摄像机为数字前端)统一上传至监控中心，系统需要实现同步采集，则需要给该区域配置视频同步盒一台，为各前端摄像机提供同步信号。该实现方法会造成硬件资源的浪费，硬件成本的投入较多。
[0003]目前医学领域CCD DR (全称Digital Rad1graphy,数字化医用X射线摄影)探测器均采用医学专用的单个大分辨率CCD传感器实现图像采集。单个CCD DR探测器需选用超大广角镜头，采集光路较长，从而导致产品体积和重量偏大，不利于安装和运输等工程化操作，同时大分辨率CCD传感器和超大广角镜头价格较为昂贵。
实用新型内容
[0004]针对上述问题，本实用新型所要解决的技术问题是实现多个CCD传感器同步采集，实现同一区域多个CCD摄像机图像无死角同步采集，并可以为全景拼接提供素材；解决单个CCD DR探测器存在的超大广角镜头以及采集光路较长的问题，从而减轻产品体积和重量，降低成本。
[0005]本实用新型采用以下技术方案实现上述目的。多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，包括驱动装置，驱动装置由AD (全称Analog to Digital Converter,模数转换器)采样模块、CPLD驱动硬件模块和GIGE传输模块构成，AD采样模块并联连接采集前端，AD采样模块通过GIGE传输模块连接PC上位机；AD采样模块和GIGE传输模块分别与CPLD驱动硬件模块信号连接，CPLD驱动硬件模块与采集前端信号连接；
[0006]所述PC上位机:作为视频管理工作站使用，用于显示和管理各(XD摄像机的视频图像；
[0007]所述AD采样模块:用于将采集到各CCD传感器的模拟信号转换为数字信号，含AD采样芯片、放大电路和电源供电模块；
[0008]所述CPLD驱动硬件模块:用于给采集前端、AD采样模块和GIGE (千兆网接口)传输模块提供工作必要时序驱动，含时钟输入、复位按钮输入、触发采集按钮输入、CPLD驱动芯片和电源供电等模块；
[0009]所述GIGE传输模块:千兆网传输接口，用于将各(XD的视频数字信号图像传输至PC上位机。
[0010]进一步地，所述采集前端为(XD摄像机组成，用于采集前端视频模拟量图像数据。
[0011]进一步地，所述(XD摄像机为彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机或至少两种摄像机的组合。
[0012]本实用新型使用一块驱动芯片，同时实现多个CCD传感器同步采集、AD采样及GIGE传输；运用于视频安防监控系统中，可有效减少视频安防监控系统采集的硬件投入，同时可实现同一区域、不同角度、无延时、多个CCD摄像机图像同步采集，并可以为全景拼接提供素材；运用于CCD DR探测器中，用多个小分辨率CCD传感器和镜头替代单个大分辨率CCD传感器和超大广角镜头，可以减少图像采集的光路，从而减少产品体积和重量，同时可以减少广品的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型摄像机同步信号采集驱动装置的硬件框图。
[0014]图2是本实用新型中CPLD驱动程序组成框图。
[0015]图3是本实用新型各模块间的执行流程图。
[0016]图4a?图4e是本实用新型的整体仿真效果图。
[0017]图中:1.PC上位机，2.驱动装置，21.AD采样模块，22.CPLD驱动硬件模块23.GIGE，3.采集前端，221.转移模块，222.积分模块，223.控制模块，224.CCD驱动输出模块，225.AD配置模块。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，参见图1至图3，多台C⑶摄像机同步信号采集驱动装置，包括驱动装置2，驱动装置2由AD (全称Analog to DigitalConverter，模数转换器)采样模块21、CPLD驱动硬件模块22和GIGE (千兆网接口)传输模块23构成，AD采样模块21并联连接采集前端3，AD采样模块21通过GIGE传输模块23连接PC上位机1 ;AD采样模块21和GIGE传输模块23分别与CPLD驱动硬件模块22信号连接，CPLD驱动硬件模块22与采集前端3信号连接；
[0019]所述PC上位机1:作为视频管理工作站使用，用于显示和管理各C⑶摄像机的视频图像；
[0020]所述AD采样模块21:用于将采集到各CCD传感器的模拟信号转换为数字信号，含AD采样芯片、放大电路和电源供电模块；
[0021]所述CPLD驱动硬件模块22:用于给采集前端3、AD采样模块21和GIGE (千兆网接口)传输模块23提供工作必要时序驱动，含时钟输入、复位按钮输入、触发采集按钮输入、CPLD驱动芯片和电源供电等|旲块；
[0022]所述GIGE传输模块23:千兆网传输接口，用于将各C⑶的视频数字信号图像传输至PC上位机1。
[0023]所述采集前端3为(XD摄像机组成，用于采集前端视频模拟量图像数据。
[0024]所述CCD摄像机为彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机或至少两种摄像机的组合。
[0025]CPLD驱动硬件模块22的驱动程序分别由转移模块221、积分模块222、控制模块223、CCD驱动输出模块224及AD配置模块225组成，其中转移模块221的system_clk信号由CPLD驱动硬件模块22的时钟输入产生、power_on_clear信号由CPLD驱动硬件模块22复位按钮输入产生、transfer_start和acquire_gate信号由积分模块222产生、同步信号连接至GIGE传输模块23、AD驱动信号连接至AD采样模块21、R信号连接至采集前端3 ;积分模块222的image_acquire信号由采集装置的触发采集按钮输入提供、v_xfer_done和eighth_out两个信号由转移模块221产生；控制模块223的Integrate_start信号由积分模块222产生、CCD_gate信号连接至AD采样模块21 ;(XD驱动输出模块224的Vt和Ht信号由转移模块221产生、Vq和Hq信号由积分模块222产生、CCD_1信号由控制模块223产生、V和Η信号连接至采集前端3 ；AD配置模块225的power_on_clear信号由CPLD驱动硬件模块22复位按钮输入产生、eighth_out信号由转移模块221产生、sload、sclock和sdata三个信号连接至AD采样模块21。
[0026]转移模块221:产生(XD摄像机在buffer转移、V转移及Η转移等阶段的VtHt波形；产生整个(XD摄像机采集阶段的R_clk信号；产生整个系统与GIGE (FIFO)同步信号；产生AD工作的驱动信号；为其他模块提供的八分频时钟信号。
[0027]积分模块222:控制产生每个(XD摄像机在积分和传输的时间顺序；产生各(XD摄像机在积分阶段的Vq、Hq波形；提供帧信号产生的门限；提供转移模块221的复位信号。
[0028]控制模块223:提供每个CCD摄像机输出使能信号；提供每个CCD摄像机在不同阶段的输出控制信号(即为GIGE的使能信号)。
[0029](XD驱动输出模块224:根据控制模块223提供的控制信号，组合输出转移模块221和积分模块222的V、Η波形。
[0030]AD配置模块225:给AD9814提供sload、sclock和sdata三组配置信号，使AD在相应的工作模式下工作。
[0031]本实用新型的具体步骤为:
[0032]1)系统开始上电，先使能AD配置模块225，通过模块产生的sload、sclock及sdata三个信号，对AD采样模块21内相应的寄存器进行配置操作；
[0033]2)各模块均开始工作，所有采集前端3的(XD摄像机进行FLUSH操作，通过控制模块223，将每个(XD摄像机的V、Η均输出为转移模块221的Vt、Ht ；
[0034]3)当有触发采集信号，通过控制模块223，停止所有(XD驱动输出模块224输出Vt、Ht波形，转而全部输出为积分模块222的Vq、Hq波形，程序中设定采集前端3的1#(XD摄像机积分时间为1S ；
[0035]4)当采集前端3的1#(XD摄像机积分结束后,先利用transfer_start信号，将转移模块221复位，然后利用控制模块223控制CCD驱动输出模块224，将除采集前端3的1#(XD摄像机的V、Η信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余采集前端3的各(XD摄像机的输出均为Vq、Hq波形输出；
[0036]5)当转移模块221完一巾贞图像后，产生一个名为v_xfer_done的脉冲信号,表不米集前端3的1#CCD摄像机传输结束,此时积分模块222对v_xfer_done脉冲信号计数,判断计数的值是否为N，是则表示系统所有的N个CCD图像采集完成，此时跳出图像采集阶段，重新进入FLUSH阶段，等待触发采集信号；否则表示系统采集工作还未结束，此时将除下一个需要采集(XD的V、H信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余(XD图像的输出均为积分模块222的Vq、Hq波形输出，重复该过程，直至v_xfer_done脉冲信号的计数值为N时，采集才结束。
[0037]实施例:
[0038]1.驱动装置的硬件组成
[0039]图1所示为本实用新型驱动装置的硬件组成框图。原理为，CPLD(复杂可编程逻辑器件)装置按照相关的逻辑关系产生多个CCD传感器的相关驱动程序，同时控制AD将采集到每个CCD传感器的视频模拟量图像数据转换为数字图像数据。再利用CPLD控制GIGE将采集到每个(XD摄像机的视频数字图像数据上传至上位机上逐一显示。
[0040]2.CPLD驱动程序设计方法
[0041]本装置以12台(XD摄像机同步信号采集为例，详细说明CPLD驱动程序的设计方法(采集前端3增加或减少(XD摄像机,不影响CPLD驱动程序的整体架构，仅v_xfer_done脉冲信号计数值不同，详见图3执行流程图)。本装置选用了 Altera公司生产的MAX3000系列中型号名为EPM3512AFC256_10的CPLD作为驱动芯片，分别给12个kodak公司的KA10340 (XD和1个AD公司的14位模数转换芯片为AD9814提供驱动时序。
[0042]12台(XD摄像机同步信号采集驱装置仅使用了一片AD9814芯片同时采样上述12个CCD的图像，每个CCD采集的过程基本上是相同的，只是在积分采集的时间点有所区别，因此驱动程序有大量的复用性。为实现12个CCD传感器驱动程序的复用，驱动程序将复用部分生成单独的模块，利用一些控制信号连接将其组合输出。
[0043]本实用新型将CCD传感器的垂直转移、水平转移阶段、AD采样部分和同步信号集成为转移模块221 ;将每个CCD的积分阶段集成为积分模块222 ;将CCD驱动整合输出提供控制信号的部分集成为控制模块223 ;将AD配置部分集成为AD配置模块224 ;将积分模块222和转移模块221整合驱动输出集成为CCD驱动输出模块225。通过实验证明，利用该方案设计的系统可以大幅度减少CPLD的宏资源和布线资源。
[0044]2.1 CPLD驱动组成框图及模块分类
[0045]图2所示为CPLD驱动程序组成框图，驱动程序分别由转移模块221、积分模块
222、控制模块223、(XD驱动输出模块224及AD配置模块225等5个模块组成。通过模块间的产生连接信号，以实现整个系统驱动的输出。图中各输出信号的含义及作用如下:
[0046](1) system_clk为激励输入信号，CPLD的主频输入时钟信号；
[0047](2) power_on_clear为激励输入信号，系统上电复位信号，当遇到上升沿时触发，产生硬件全局复位，所有硬件设备停止工作，并回到采集的最初状态；
[0048](3)eighth_out为system_clk输入时钟信号的8分频输出信号，用于产生积分模块和AD配置模块时钟输入信号；
[0049](4) v_xfer_done为计数信号，记录(XD传感器完成采集的个数；
[0050](5) Vt和Ht为各(XD垂直转移和水平转移阶段的驱动输出信号；
[0051](6) R信号为复位门限时序，在输出单个电荷信号前，清除水平寄存器中的残留电荷，将输出放大器的电荷探测端复位到参考电平；
[0052](7) AD驱动信号，为AD9814工作提供必要的驱动信号；
[0053](8)同步信号，为各(XD传感器采集提供GIGE通讯的同步信号；
[0054](9) transfer_start信号，来自积分模块，当积分模块遇到触发采集信号后，第一个CCD积分结束后产生该信号，使转移模块复位，强制回到初始状态；
[0055](10) image_acquire为触发采集控制信号，用于触发系统各CCD采集图像；
[0056](ll)acquire_gate为转移模块同步信号提供门限的信号；
[0057](12) Integrate_start为控制信号，用于控制各CO)的积分时间和传输时间；
[0058]( 13) Vq和Hq为各(XD积分阶段的驱动输出信号；
[0059](14)CCD_gate为(XD输出门限驱动，用于控制各(XD的模拟信号输出，避免各(XD模拟信号的输出相互干扰；
[0060](15) CCD_10为控制信号，用于控制整合各(XD的积分阶段和转移阶段驱动输出；
[0061](16) V和Η信号为各(XD传感器采集最终驱动输出信号；
[0062](17) sload、sclock和sdata三个信号用于配置AD9814的内部寄存器。
[0063]2.2各模块功能介绍
[0064]组成系统的5个模块功能分别如下:
[0065]转移模块221:(1)产生CCD摄像机在buffer转移、V转移及Η转移等阶段的VtHt波形；(2)产生整个C⑶摄像机采集阶段的R信号；(3)产生整个系统与GIGE同步信号；
(4)产生AD工作的驱动信号；(5)为其他模块提供的8分频时钟信号。
[0066]积分模块222: (1)控制产生每个(XD摄像机在积分和传输的时间顺序；(2)产生各CCD摄像机在积分阶段的Vq、Hq波形；(3)提供帧信号产生的门限；(4)提供转移模块的复位信号；
[0067]控制模块223: (1)提供每个(XD摄像机输出使能信号；(2)提供每个(XD摄像机在不同阶段的输出控制信号(即为GIGE的使能信号)。
[0068](XD摄像机驱动输出模块224:根据控制模块223提供的控制信号，组合输出转移模块和积分模块的V、Η波形。
[0069]AD配置模块225:给AD9814提供sload、sclock和sdata三组配置信号，使AD在相应的工作模式下工作。
[0070]2.3 CPLD驱动各模块间的工作流程
[0071]图3所示为各模块调用的具体流程。
[0072]其具体步骤为:
[0073]Stepl:系统开始上电,先使能AD配置模块225,通过模块产生的sload、sclock及sdata三个信号，对AD采样模块21内相应的寄存器进行配置操作。
[0074]Step2:各模块均开始工作，所有采集前端3的(XD摄像机进行FLUSH操作，通过控制模块223，将每个(XD摄像机的V、Η均输出为转移模块221的Vt、Ht。
[0075]St印3:当有触发采集信号，通过控制模块223，停止所有(XD驱动输出模块224输出Vt、Ht波形，转而全部输出为积分模块222的Vq、Hq波形，程序中设定采集前端3的1#CCD摄像机积分时间为is。
[0076]Step4:当采集前端3的1#CCD摄像机积分结束后,先利用transfer_start信号，将转移模块221复位，然后利用控制模块223控制CCD驱动输出模块224，将除采集前端3的1#(XD摄像机的V、Η信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余采集前端3的各(XD摄像机的输出均为Vq、Hq波形输出。
[0077]St印5:当转移模块221完一帧图像后，产生一个名Sv_Xfer_d0ne的脉冲信号，表示采集前端3的1#(XD摄像机传输结束，此时积分模块222对V_Xfer_d0ne脉冲信号计数，判断计数的值是否为12，是则表示系统所有的12个CCD图像采集完成，此时跳出图像采集阶段，重新进入FLUSH阶段，等待触发采集信号；否则表示系统采集工作还未结束，此时将除下一个需要采集(XD的V、H信号输出为转移模块221的Vt、Ht外，其余(XD图像的输出均为积分模块222的Vq、Hq波形输出，重复该过程,直至v_xfer_done脉冲信号的计数值为12时，采集才结束。
[0078]3.CPLD驱动仿真及说明
[0079]采用verilog HDL编程语言在quartus II开发平台进行仿真。为了更好观察仿真结果的正确性，程序将CCD转移行数和列数进行压缩，将CCD的积分时间缩短。
[0080]仿真结果如图4a?图4e所示。从图中可以看出仿真波形结果按照设计思路产生，且没有毛刺。由仿真结果可知，当系统上电，产生AD芯片寄存器的配置波形，AD采样模块开始工作，所有采集前端3的CCD摄像机均输出转移阶段的波形，去除CCD内积累的电荷。当激励输入触发采集信号，所有采集前端3的CCD摄像机均输出积分阶段的波形，所有采集前端3的CCD摄像机开始采集。当第一个CCD摄像机设定的积分时间结束,第一个CCD摄像机转为输出转移阶段的波形，其他所有CCD摄像机仍输出为积分阶段的波形，当第一个CCD转移阶段结束，触发第二个CCD摄像机转为输出转移阶段的波形，其他所有CCD摄像机仍输出为积分阶段的波形，重复该过程，直至最后一个C⑶转移结束，12台C⑶摄像机采集结束。在该过程中相应产生AD驱动信号(图中名为CLAMP、sample和AD_clk等三个信号)和GIGE同步信号(巾贞同步Frame、行同步Line和像素同步Pix)。采集前端3可由彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机等不同类型的摄像机组成。
[0081]本实用新型可运用于视频安防监控需要布置较为密集的重要场所(例如银行库房、阳极泥车间、保密机构等)，这些重要场所需要实现同一区域360°无死角同步视频采集，因此需要在同一处各个角度设置多台摄像机，目前该种视频监控系统实现常用的方法为:为每台摄像机均配置一套独立采集驱动系统，并将各摄像机采集获取的图像汇聚到视频光端机(摄像机为模拟前端)或交换机(摄像机为数字前端)统一上传至监控中心，系统需要实现同步采集，则需要给该区域配置视频同步盒一台，为各前端摄像机提供同步信号。
[0082]本实用新型也可以运用于医学领域CCD DR探测器中，目前(XD DR探测器大部分均采用医学专用的单个大分辨率CCD传感器实现采集。单个CCD DR探测器需选用超大广角镜头，采集光路较长，从而导致产品体积和重量偏大，不利于安装和运输等工程化操作，同时大分辨率CCD传感器和超大广角镜头价格较为昂贵。利用多个小分辨率CCD传感器和镜头，可以减少图像采集的光路，从而减少产品体积和重量，同时可以减少产品的成本。
【权利要求】
1.多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，包括驱动装置，其特征在于，驱动装置由AD采样模块、CPLD驱动硬件模块和GIGE传输模块构成，AD采样模块并联连接采集前端，AD采样模块通过GIGE传输模块连接PC上位机；AD采样模块和GIGE传输模块分别与CPLD驱动硬件模块信号连接，CPLD驱动硬件模块与采集前端信号连接； 所述PC上位机:作为视频管理工作站使用，用于显示和管理各CCD摄像机的视频图像； 所述AD采样模块:用于将采集到各CCD传感器的模拟信号转换为数字信号，含AD采样芯片、放大电路和电源供电模块； 所述CPLD驱动硬件模块:用于给采集前端、AD采样模块和GIGE传输模块提供工作必要时序驱动，含时钟输入、复位按钮输入、触发采集按钮输入、CPLD驱动芯片和电源供电等模块； 所述GIGE传输模块:千兆网传输接口，用于将各CXD的视频数字信号图像传输至PC上位机。
2.根据权利要求1所述的多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，其特征在于，所述采集前端为CCD摄像机组成，用于采集前端视频模拟量图像数据。
3.根据权利要求1所述的多台CCD摄像机同步信号采集驱动装置，其特征在于，所述CCD摄像机为彩色智能球形摄像机、彩色枪式摄像机或彩色半球摄像机或至少两种摄像机的组合。
【文档编号】H04N5/353GK204119353SQ201420632366
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】余亮, 邹丽芳, 张卫国 申请人:江西瑞林电气自动化有限公司