基于USB20高分辨率线阵摄像头设计Word格式.docx
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基于USB20高分辨率线阵摄像头设计Word格式.docx
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二级学院电子信息与自动化学院
专业电子信息工程
班级1070702XX
学生姓名陈X学号1070702XXXX
指导教师职称教授
时间2011年6月1日
摘要
随着数字多媒体技术的飞速发展,视频采集的高分辨率技术已经在诸多领域成为一项非常重要的核心技术,当前工业用途的摄像头对图像分辨率有着严格的要求,对于图像采集速度没有太多的限定,本课题正是针对这两点介绍了一款基于USB2.0接口的线阵高分辨率摄像头。
该系统主要由线阵CCD图像传感器、CPLD(可编程逻辑)时序逻辑控制器、高速FIFO缓存、高速A/D转换模块、USB2.0与计算机的通信模块构成。
本系统选用CY7C68013作为USB接口芯片,主机端向CY7C68013芯片发送图像采集的请求信号,片上8051根据该信号启动CPLD驱动模块,继而CPLD发出CCD驱动时序与逻辑控制的信号,采集到的图像首先经过XRD4460视频信号处理芯片的相关双采样,然后再通过高速A/D转换器把电信号转换为数字信号,最后借助USB接口将采集到的视频数据实时的输入主机端(PC机)进行最终的数据处理。
此外,为了解决采集端和接收端相互的数据传输速度问题,本课题采用了CY7C4255芯片作为FIFO存储器来缓存A/D转换后的图像数据。
本设计采用USB接口节省了采集卡,且即插即用,从而达到了低成本的效果。
通过主机端的控制可以完成采集控制、时序控制、去噪、传输、读取等功能,从而实现高分辨率的线阵摄像头系统设计,有效地提高了摄像头的分辨率。
关键词:
USB2.0、摄像头、高分辨率、线阵CCD
Abstract
Withthedevelopmentofmultimediatechnology,high-resolutionvideocapturetechnologyhasbecomeanimportantcoretechnologyinmanyfields,currentindustrialuseofthecameraimageresolutionhasstrictrequirements,thereisnotmuchspeedlimitfortheimageacquisition,thissubjectpreciselythesetwopointsalineararraybasedonUSB2.0interfacehigh-resolutioncamera.
ThesystemconsistsoflinearCCDimagesensor,CPLD(ProgrammableLogic)temporallogiccontrollers,high-speedFIFObuffer,high-speedA/Dconvertermodule,USB2.0andcomputercommunicationsmodule.ThesystemselectedCY7C68013astheUSBinterfacechip,thehostendtheCY7C68013chipsendimageacquisitionsignalon-chip8051accordingtothesignalstartCPLDdrivemodule,andthenCPLDgeneratedCCDdrivetimingandlogiccontrol,collectedtheimagesaftervideosignalprocessingchipXRD4460relateddoublesamplingandhigh-speedA/Dconverterintoadigitalsignal,real-timeinputvideodatafinallycollectedviatheUSBinterfacetothehostside(PC)fordataprocessing.Inaddition,todealwithcollectingandreceivingendsofdatatransferbetweenthespeed,designusesaFIFOmemorytocacheCY7C4255chipA/Dconvertedimagedata.ThedesignusesaUSBinterfacesavescapturecardandplugandplay,soastoachievealow-costresults.
Controlledbythehostsidecancompleteacquisitionandcontrol,timingcontrol,noise,transmission,readingandotherfunctions,inordertoachievehigh-resolutionlineararraycamerasystemdesign,fundamentallyeffectivelyimprovetheresolutionofthecamera,andinexpensive,powerconsumptionissmall,hasgoodspacefordevelopmentandmarketprospects.
Keywords:
USB2.0,camera,highresolution,lineararray
1绪论
本章内容介绍了课题的背景及研究意义,同时对国内外技术发展和研究状况做了较为详细的阐述,后续部分对全文的结构层次安排做出了明确的计划安排纲要,最后针对课题的内容讲述了主要的设计任务和设计工作。
1.1本课题背景及研究意义
随着各种各样信息技术的飞速发展,人类已经步入一个前所未有的信息时代,传统的文字信息已经无法满足人类的沟通需求,继而人们希望能够获得更加直接、更加真实的图像信息。
收集图像信息的主要手段图像采集技术,获得了国内外各类相关行业的高度重视,因此目前图像采集的最主要方案是基于CCD传感器的图像采集系统,自面世以来CCD传感器就得到了广泛的应用和发展,不断涌现出一批高精度、高速度、高灵敏度的图像采集系统,在军事、工业检测、航空航天、高精度测量、医疗器械等领域都发挥着不可或缺的重要作用。
伴随着计算机技术、网络技术以及信息通信技术的迅猛发展,数字化、高清化、低廉化的USB摄像头必然会成为视频采集端的主要发展趋势。
由于体积小、功耗小、成本低等方面的优势,基于USB2.0接口的CCD线阵摄像头,逐步得到了社会的广泛关注和认可。
当前工业领域使用的摄像头对分辨率有着很高的要求,许多工作场合如岩心摄影、地质勘探、遥感成像等都需要极清晰的视频图像,市场上使用的工业摄像头都有极高的造价和巨大的能耗,商业摄像头又无法满足工业的需求,而且很多行业中都使用ISA、RS485、RS232、PCI等作为总线和接口标准,因此有的设备传输速率低或者稳定性能差,这些都在通信上存在着很大的瓶颈,而有的设备安装麻烦、扩展能力也很差,且都无法像USB接口一样支持即插即用,从而导致兼容性差。
如果不替换其它总线和接口标准,这些问题都将很大的制约仪器仪表等行业的前进和发展,本课题很好的解决了上述问题,设计出了一款基于USB2.0的高分辨率、低成本CCD线阵摄像头。
该设计可以有效地提高摄像头采集图像的分辨率,且价格低廉,能耗小,同时又具有良好的发展空间和市场前景,有着良好的专业研究设计意义。
1.2国内外研究情况
国外发展历程:
20世纪50年代,美国科学家提出了机器视觉这一理论,机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转换成数字化信号[4];
20世纪70年代真正开始得到有效的发展,20世纪80年代机器视觉技术逐步得到了正规的发展,20世纪90年代机器视觉技术基本趋于成熟,20世纪90年代后期取得了高速的发展,在逐步的发展过程中,有三个重要阶段,最先机器视觉技术是应用在“机器人”的研究制作中,也就是在机器人的研制过程中得到了发展;
紧接着一个重要阶段是70年代CCD图像传感器的诞生,机器视觉发展的转折点是硅靶摄像被CCD摄像机所替代;
最后80年代图像处理硬件技术DSP、CPU等飞速进步,作为基础条件为机器视觉迅猛发展打下了良好的基石。
国内发展历程:
20世纪80年代机器视觉技术在国内开始起步,20世纪90年代进入了发展阶段,最近几年取得了快速的发展,我国的机器视觉技术发展是世界上最为活跃的区域之一,中国这个大市场成为全球的加工中心是其中的重要因素,越来越多的跨国企业携带者生产研发技术已经或正在向中国迁移,伴随着这些生产及研发技术的迁入,具有国际尖端水平的许多机器视觉系统也一同进入中国。
机器视觉技术最具推动力的发展因素是CCD图像传感器的出现,在CCD传感器面世之前,通常人们使用硅靶管摄像,CCD图像传感器出现之后,硅靶摄像逐渐被CCD图像传感器所取代,这使得小型化、廉价化、耗低化的图像采集成为现实,同时越来越多的图像处理算法问世,使得机器视觉的快速进步都受到了不同程度的推动。
作为推动作用,图像传感器等核心技术仍然是未来机器视觉发展的关键因素。
近年来,由于不断的深入研究,使得CMOS图像传感器得到了飞速的发展,与CCD图像传感在性能方面日益接近,同时又在价格上更加具有优势,当前COM图像传感器在机器视觉发展道路上起到了有力的推进作用,虽然如此,但是目前的主流选择仍然是CCD图像传感器。
到目前为止已经出现了三个版本的USB,即USB1.0、USB2.0和USB3.0,目前USB2.0是应用最多的,它具有480Mbps的最高通信带宽,同时大多数工程应用需求中都基本支持热插拔,与IEEE1394相比,由于USB采用了主控机制这就使得软硬件都能简单实现,而且USB的专利没有使用费用,所以越来越多的生产厂家把USB作为第一选择。
1.3本课题研究的主要任务
本系统设计主要研究图像采集、系统控制、时序控制与逻辑控制、A/D转换、高速FIFO缓存、USB2.0接口控制等模块功能。
本课题的主要任务表现在如下几个方面:
(1)掌握CY7C68013USB2.0控制芯片的相关知识,设计出可行的USB2.0控制电路,以及USB2.0软件驱动。
(2)设计出CPLD驱动时序和系统的逻辑控制电路,主要包括两部分功能,第一部分功能是向高速A/D转换提供工作时序;
第二部分功能是向FIFO提供写时钟WCLK。
(3)设计高速FIFO缓存器电路,将A/D转换后的数据通过FIFO来缓冲,
本文首先介绍了系统的研究背景和国内外发展情况,之后给出了整个系统设计的原理与实施方案,接着详细介绍了CCD传感器的工作原理和理论基础知识,在接下来的两章中分别从系统硬件设计和系统软件设计两方面进行了深入的探讨和研究,最后给出了系统的研究结果和总结,提出了系统设计的不足之处以及今后需要解决和改进方法。
具体章节内容为:
第一章绪论部分介绍了系统应用背景;
第二张阐述了系统的设计结构以及实现方案;
第三章详细介绍了CCD工作原理以及元器件的选择,并对CCD的工作时序做出介
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