本實(shí)用新型涉及工業(yè)相機(jī)，特別是具有USB3.0接口的CMOS線陣工業(yè)相機(jī)。

(二)

背景技術(shù)：

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，相比于傳統(tǒng)相機(jī)，具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸帶寬和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD或CMOS芯片的相機(jī)。早期的工業(yè)相機(jī)多采用PAL/NTSC/SECAM/S-VIDEO等格式信號(hào)輸出，需要配備專用圖像采集卡才能轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信息。隨著GigE/USB/IEEE/DCOM/Camera Link LVDS等數(shù)字接口技術(shù)的發(fā)展和普及，目前越來(lái)越多的工業(yè)數(shù)字相機(jī)取代傳統(tǒng)的模擬相機(jī)出現(xiàn)在各種機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用中。工業(yè)相機(jī)按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)。

線陣CCD具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低的特點(diǎn)。可以同時(shí)儲(chǔ)存一行視頻信號(hào)。由于其單排感光單元的數(shù)目可以做得很多，在同等測(cè)量精度的前提下，其測(cè)量范圍可以做的較大，并且由于線陣CCD實(shí)時(shí)傳輸光電變換信號(hào)和自掃描速度快、頻率響應(yīng)高，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，并能在低照度下工作，所以線陣CCD廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品尺寸測(cè)量和分類、非接觸尺寸測(cè)量、條形碼等許多領(lǐng)域。

為了方便工業(yè)相機(jī)安裝，提高圖像傳輸率，專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200910243884.2“一種USB數(shù)字工業(yè)相機(jī)”的文獻(xiàn)“公開(kāi)了一種應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的黑白/彩色的USB數(shù)字工業(yè)相機(jī)，它將多種功能高度集成化于相機(jī)內(nèi)部，采用USB2.0數(shù)據(jù)輸出接口和總像素140萬(wàn)～500萬(wàn)像素的CCD圖像傳感器，可以通過(guò)外部信號(hào)觸發(fā)或連續(xù)采集，具有采集速度快、圖像清晰度高等特點(diǎn)。USB數(shù)字工業(yè)相機(jī)采用軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)USB接口，實(shí)現(xiàn)相機(jī)硬件和PC機(jī)上運(yùn)行的演示軟件之間的通信，進(jìn)一步方便了用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和工業(yè)過(guò)程的監(jiān)控?！?/p>

近年來(lái)隨著圖像采集速度的飛速提升，以上工業(yè)相機(jī)具有以下不足：1.采用CCD圖像傳感器的工業(yè)相機(jī)，功耗要比CMOS圖像傳感器的工業(yè)相機(jī)大，這樣在高采集速度下，相機(jī)功耗必然相當(dāng)巨大。2.采用面陣傳感器圖像質(zhì)量比同價(jià)位線陣圖像傳感器圖像清晰度低，3.GigE接口相機(jī)帶寬受限制1.25Gb/s，USB2.0接口相機(jī)帶寬僅僅480Mb/s，都無(wú)法滿足更高采集速度的要求。CameraLink接口帶寬高但是接口體積巨大，同時(shí)需要配備價(jià)格昂貴的采集卡，應(yīng)用成本和使用便利性受限。

針對(duì)以上不足，本實(shí)用新型采用USB3.0接口，線陣CMOS圖像傳感器，USB3.0接口帶寬高達(dá)5Gbps，可極大提高相機(jī)采集速度和分辨率，降低系統(tǒng)方案成本，減小相機(jī)體積和功耗，提高圖像質(zhì)量，同時(shí)在硬件實(shí)現(xiàn)拼接壓縮等算法，減輕主機(jī)運(yùn)算處理壓力，尤其在多臺(tái)相機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合更顯優(yōu)勢(shì)。線陣CMOS圖像傳感器分辨率從2K～12K，采集頻率高達(dá)100K，可滿足高速高分辨率的苛刻需求。

本實(shí)用新型包括相機(jī)結(jié)構(gòu)包括如下模塊：USB3.0通用總線接口及其控制器、可編程邏輯芯片PLD、同步隨機(jī)存儲(chǔ)器DDR3、現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA、線陣CMOS圖像傳感器，電源管理模塊；

CMOS線陣圖像傳感器感受圖像信號(hào)，PLD輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)序至圖像傳感器，圖像傳感器出臺(tái)像素把時(shí)鐘信號(hào)CLK、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)DATA、同步數(shù)據(jù)信號(hào)LVAL傳送給可編程邏輯芯PLD模塊，在可編程邏輯芯PLD模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)重組轉(zhuǎn)換，輸出差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)LVDS信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA；現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA通過(guò)存儲(chǔ)器DDR3緩沖圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，同時(shí)通過(guò)GPIFII接口輸出至USB3.0控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，最后由USB3.0控制器由通用USB3.0接口引擎?zhèn)鬏斨罸SB3.0主機(jī)HOST端。另外主機(jī)可發(fā)送控制指令至USB3.0控制器，USB3.0控制器通過(guò)SPI接口設(shè)置FPGA工作模式以及圖像處理參數(shù)，也可設(shè)置線陣CMOS圖像傳感器圖像采集參數(shù)。

其工作流程是：開(kāi)機(jī)后把相機(jī)連接主機(jī)，相機(jī)自動(dòng)進(jìn)行USB2.0設(shè)備枚舉，再進(jìn)行USB3.0設(shè)備枚舉，USB3.0設(shè)備枚舉成功則設(shè)置USB設(shè)備傳輸帶寬為5Gb/s，否則設(shè)置USB設(shè)備傳輸帶寬為480Mb/s；隨后設(shè)置圖像參數(shù)，設(shè)置相機(jī)硬件拼接參數(shù)，設(shè)置工作模式，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行外觸發(fā)工作模式查詢，外觸發(fā)模式則接受外觸發(fā)信號(hào)，否則查詢軟件觸發(fā)工作模式，軟件觸發(fā)則接受軟件觸發(fā)指令，否則進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)工作模式，采集圖像線陣信號(hào)，再進(jìn)行12bit至8bit圖像壓縮，圖像硬件拼接，完成采集，工作結(jié)束。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是提供一種采用USB3.0接口，CMOS線陣圖像傳感器的相機(jī)，提高采集速度和圖像分辨率，減小相機(jī)體積，降低成本與功耗。

本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：相機(jī)結(jié)構(gòu)包括如下模塊：USB3.0通用總線接口及其控制器、可編程邏輯芯片PLD、同步隨機(jī)存儲(chǔ)器DDR3、現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA、線陣CMOS圖像傳感器，電源管理模塊；

CMOS線陣圖像傳感器感受圖像信號(hào)，PLD輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)序至圖像傳感器，圖像傳感器出臺(tái)像素把時(shí)鐘信號(hào)CLK、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)DATA、同步數(shù)據(jù)信號(hào)LVAL傳送給可編程邏輯芯PLD模塊，在可編程邏輯芯PLD模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)重組轉(zhuǎn)換，輸出差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)LVDS信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA；現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA通過(guò)存儲(chǔ)器DDR3緩沖圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，同時(shí)通過(guò)GPIFII接口輸出至USB3.0控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，最后由USB3.0控制器由通用可編程接口GPIF傳送32bit信號(hào)以及通過(guò)串行外設(shè)接口SPI輸入外設(shè)信號(hào)，USB3.0接口引擎?zhèn)鬏斨罸SB3.0接口；

其工作流程是：開(kāi)機(jī)后把相機(jī)連接主機(jī)，相機(jī)自動(dòng)進(jìn)行USB2.0設(shè)備枚舉，再進(jìn)行USB3.0設(shè)備枚舉，USB3.0設(shè)備枚舉成功則設(shè)置USB設(shè)備傳輸帶寬為5Gb/s，否則設(shè)置USB設(shè)備傳輸帶寬為480Mb/s；隨后設(shè)置圖像參數(shù)，設(shè)置相機(jī)硬件拼接參數(shù)，設(shè)置工作模式，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行外觸發(fā)工作模式查詢，外觸發(fā)模式則接受外觸發(fā)信號(hào)，否則查詢軟件觸發(fā)工作模式，軟件觸發(fā)則接受軟件觸發(fā)指令，否則進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)工作模式，采集圖像線陣信號(hào)，再進(jìn)行12bit至8bit圖像壓縮，圖像硬件拼接，完成采集，工作結(jié)束。

(四)附圖說(shuō)明

本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)工作流程由以下的實(shí)施例及其附圖1、附圖2給出。附圖1是USB3.0CMOS線陣工業(yè)相機(jī)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖。附圖2是USB3.0CMOS線陣工業(yè)相機(jī)工作流程圖。附圖3是USB3.0CMOS線陣工業(yè)相機(jī)機(jī)械尺寸圖。附圖4是USB3.0CMOS線陣工業(yè)相機(jī)4K分辨率相機(jī)的基本性能參數(shù)表格圖。

(五)具體實(shí)施例

本實(shí)用新型的運(yùn)行過(guò)程如下：

(1)附圖1給出了本實(shí)用新型的硬件結(jié)構(gòu)，按照?qǐng)D示對(duì)硬件進(jìn)行焊接組裝，并通過(guò)usb接口把驅(qū)動(dòng)程序植入到ddr3中。本發(fā)明包括：USB3.0通用總線接口及其控制器、可編程邏輯芯片PLD、同步隨機(jī)存儲(chǔ)器DDR3、現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FBGA、線陣CMOS圖像傳感器，電源管理模塊。

本實(shí)用新型的工作原理是：相機(jī)由usb總線與主機(jī)連接并提供相機(jī)所需電源。此電源由電源管理模塊對(duì)相機(jī)內(nèi)部各模塊提供所需電源。CMOS線陣圖像傳感器感受圖像信號(hào)，把時(shí)鐘信號(hào)CLK、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)DATA、長(zhǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)LVAL傳送給可編程邏輯芯PLD模塊，在可編程邏輯芯PLD模塊，輸出長(zhǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)LVDS信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA；現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA，同時(shí)由USB3.0控制器由通用可編程接口GPIF傳送32bit信號(hào)以及通過(guò)串行外設(shè)接口SPI輸入外設(shè)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA由同步數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)器DDR3中程序控制，現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA處理后數(shù)據(jù)信號(hào)傳入DDR3儲(chǔ)存，現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列FPGA處理后的圖像信號(hào)最后經(jīng)由通用可編程接口GPIF進(jìn)入U(xiǎn)SB3.0控制器通過(guò)USB3.0總線與主機(jī)通信。

(2)本實(shí)用新型工作流程如附圖2所示。其運(yùn)行過(guò)程如下：

開(kāi)機(jī)后把相機(jī)連接主機(jī)進(jìn)行USB2.0設(shè)備枚舉，再進(jìn)行USB3.0設(shè)備枚舉，USB3.0設(shè)備枚舉成功則設(shè)置USB設(shè)備傳輸帶寬為5Gb/s，否則設(shè)置USB設(shè)備傳輸帶寬為480Mb/s；隨后設(shè)置圖像參數(shù)，設(shè)置相機(jī)硬件拼接參數(shù)，設(shè)置工作模式，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行外觸發(fā)工作模式查詢，外觸發(fā)模式則接受外觸發(fā)信號(hào)，否則查詢軟件觸發(fā)工作模式，軟件觸發(fā)則接受軟件觸發(fā)指令，否則進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)工作模式，采集圖像線陣信號(hào)，再進(jìn)行12bit至8bit圖像壓縮，圖像硬件拼接，完成采集，工作結(jié)束。

(3)本實(shí)用新型機(jī)械外觀如附圖3所示。機(jī)尺寸29mm*30mm*44mm；前端有32UNC鏡頭標(biāo)準(zhǔn)接口；后端有USB3.0接口及外觸發(fā)接口。

(4)本實(shí)用新型各規(guī)格參數(shù)如附圖4所示。具體參數(shù)如下：

1、圖像傳感器：CMOS；

2、分辨率：4096×1

3、像元尺寸：3.5μm×3.5μm

4、快門(mén)：全局曝光

5、行頻：80kHz

6、黑白/彩色：黑白

7、接口：USB3.0

8、圖像輸出格式：Raw8/Mono8

9、像素位深：8/12bits

10、同步控制：自由模式/軟觸發(fā)模式/外觸發(fā)模式/固定頻率模式

11、曝光控制：手動(dòng)/自動(dòng)

12、外殼溫度：0～50℃

13、鏡頭接口：C-mount

14、GPIO：1路輸入/1路輸出

15、工作溫度：0～50℃

16、電源要求：USB3.05V@900mA

17、外殼尺寸：29mm×44mm×30mm(H×W×L)

以上實(shí)施例只是為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用，并不是為了限制本發(fā)明。本發(fā)明的技術(shù)特征由權(quán)利要求書(shū)所確定。