基于FPGA的高速工業(yè)相機的設(shè)計與實現(xiàn)*

樊 輝 ，鄭力新

（1.華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021；2.華僑大學 工學院，福建 泉州362021）

在機器視覺系統(tǒng)中，圖像信號的質(zhì)量很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性。上世紀70年代發(fā)展起來的半導體光電成像器件 CCD（Charge Coupled Device）以其高集成度、高靈敏度、大分辨率等優(yōu)勢，廣泛應用于圖像成像系統(tǒng)。CCD分為線陣CCD與面陣CCD，而線陣CCD更適于高精度測量和運動物體成像系統(tǒng)，因此線陣CCD在工業(yè)檢測中大量使用。隨著機器視覺系統(tǒng)及微電子行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)檢測中需要更大分辨率、更高靈敏度的線陣CCD相機，以滿足日益發(fā)展的需要。但現(xiàn)在市場上成品線陣相機價格高昂，國內(nèi)已有學者[1-3]進行了研究探索，本文在吸收前人經(jīng)驗并結(jié)合實際需要的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于Cameralink接口的線陣CCD的高速高精度工業(yè)相機，以期為機器視覺設(shè)計提供可使用的穩(wěn)定圖像。

1 相機方案設(shè)計

相機以Altera的EP3C25Q240C8為主控芯片，完成對各個芯片的時序驅(qū)動信號、圖像預處理及各接口控制實現(xiàn)。CCD、AD在FPGA對應模塊產(chǎn)生的驅(qū)動信號驅(qū)動下工作。線陣CCD圖像傳感器KLI2113采集并輸出模擬圖像信號，經(jīng)AD9945轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA進行預處理后經(jīng)過傳輸接口準備傳送。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速可靠并且大容量的傳輸，相機采用了Cameralink接口對數(shù)據(jù)進行傳送，同時，本系統(tǒng)中設(shè)計了UART接口部分，完成對上位機控制信號的接收，同時該模塊還負責針對接收到的控制指令，產(chǎn)生相應的FPGA內(nèi)部各相應模塊的控制信號，實現(xiàn)對該相機的控制。相機系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 相機設(shè)計系統(tǒng)框圖

2 相機模塊實現(xiàn)

2.1 CCD驅(qū)動設(shè)計

CCD芯片是整個圖像采集系統(tǒng)的核心器件。本相機采用柯達公司的KLI-2113[4]作為系統(tǒng)的圖像傳感器。KLI-2113是一款彩色三基色線陣CCD，其最高頻可達20 MHz，有效像元為 2 098個，總計像元為 2 128個，因此以此為圖像傳感器的系統(tǒng)最高頻率可達9 kHz。CCD的原理決定了其需要嚴格的驅(qū)動時序。KLI-2113正常工 作 必 須 的 幾 個 信 號 ：φ1、φ2、φ2s、φR、TG1、TG2、LOGn，其中φ1、φ2是像元間寄存器的移位時鐘信號，φ2s設(shè)計用來實現(xiàn)輸出方式控制，可將輸出方式調(diào)節(jié)為單像元信號或雙像元信號，φR為像元輸出復位時鐘信號，TG1、TG2為像元電子輸出門，LOGn主要控制曝光時間。本系統(tǒng)為了保證分辨率，采用單像元信號輸出方式，CCD時序圖如圖2所示。

圖2 KLI-2113驅(qū)動時序圖

本系統(tǒng)的CCD驅(qū)動基于EP3C25Q240C8，使用Verilog HDL設(shè)計，仿真波形如圖3所示。

2.2 AD驅(qū)動設(shè)計

在圖像處理系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換是圖像數(shù)字化的關(guān)鍵，影響著整個系統(tǒng)圖像的可靠性和穩(wěn)定性。ADI的AD9945[5]集成了直流偏置、相關(guān)雙采樣、暗元校正、增益可編程等功能，同時由于其增益可編程及相關(guān)參數(shù)可通過SDI（Serial Digital Interface）控制，使其成為模擬增益控制的實現(xiàn)方式。此外，AD9945采用相關(guān)雙采樣的采樣方法可在一定程度上消除電平浮動等引起的噪音，使數(shù)據(jù)更加可靠穩(wěn)定。基于以上原因，本系統(tǒng)采用AD9945作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

AD9945的信號主要分為兩組，配置信號與工作信號。配置信號為三線串行數(shù)字接口(SCK、SDATA、SL)，保證內(nèi)部寄存器被正確賦值，這組時序要求相對較低。工作信號為 SHP、SHD、CLPOB、PBLK、DATACLK。此組信號前兩個為雙采樣的時鐘信號，CLPOB為暗元鉗位信號（采樣暗元，在有效元的時候減去暗元值，取得一個可靠的像元數(shù)據(jù)），PBLK為有效像元段選擇，DATACLK為像元數(shù)字信號輸出時鐘。AD9945的時序如圖4所示。

圖3 CCD-AD驅(qū)動仿真波形

由于AD9945采用雙采樣方式采集轉(zhuǎn)化CCD輸出的模擬信號，所以對兩個芯片驅(qū)動信號的同步要求十分嚴格。為了很好地實現(xiàn)此要求，AD與CCD驅(qū)動采用相同的基準時鐘，同時通過全局時鐘資源布局布線的時鐘源設(shè)計，以此滿足時序約束的需要。設(shè)計仿真波形如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于鏡頭、CCD本身對光響應不均勻等原因，圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像一般需要經(jīng)過平場校正。本設(shè)計中，主要針對CCD的非均勻性響應進行校正,校正中，采用兩點法[6]進行適當改進，以適應實際應用需要；由于不同環(huán)境下光線不同，三基色響應會有差別，此時需要進行圖像的白平衡。本系統(tǒng)中，圖像進行了平場校正及手動白平衡處理，同時，在系統(tǒng)中實現(xiàn)了模擬增益調(diào)節(jié)和數(shù)字增益調(diào)節(jié)。

圖4 AD9945基本驅(qū)動時序

2.3.1 平場校正

CCD是積分型器件，輸出電流與器件光敏面上的照度和曝光時間有關(guān)，以I代表輸出信號，E代表光敏面上的照度，t代表曝光時間，正常工作時[7]有：

式中，K為比例常數(shù)。Q=Et，Q定義為曝光量。

圖5為KLI2113手冊提供的在不同條件下的響應曲線，考慮圖中3條實際響應曲線，設(shè)計中采用式(2)對實際曲線近似建模，并以此為基礎(chǔ)進行校正。

其中，K為比例常數(shù)，I0為暗曝光時的信號響應。同時，Qmax為照度最大值(實際校正時定義Qmax為調(diào)節(jié)光源使60%像元信號輸出值達到240)，則得到最大信號輸出值Imax。由式(2)推導可得：

如圖5所示，理想響應曲線為：

并滿足照度為Qmax時，I′=255，由式(3)和式(4)可推導出：

圖5 KLI-2113曝光響應曲線

基于以上的設(shè)計思想，同時因在設(shè)計中使用16位定點表示小數(shù)方法（8位整數(shù)和8位小數(shù)），結(jié)合實際系統(tǒng)，采用多次采集相關(guān)值進行累加求均值的方法，故整理可得到方便實現(xiàn)的像元校正因子求導公式：

其中，Iimax、Ii0分別為第i次采集到的最大值及暗電平值。

在預處理模塊完成以上過程后，各像元對應的平場校正因子求取完成，存儲在FPGA內(nèi)部生成的寄存器中，對以后采集的對應位置像元乘以校正因子，達到平場校正的效果。

2.3.2 白平衡

簡單來說，圖像白平衡即是通過調(diào)節(jié)三基色的值，使圖像在白背景下顯示為白色，不存在色差，此時三基色值的比為 1：1：1。但由于環(huán)境光線的不同，白色背景下的圖像會存在色差，此時需要對圖像進行白平衡校正。本相機設(shè)計實現(xiàn)中采用了手動白平衡校正的方法。在該模塊中，同樣采用16位定點運算方法，設(shè)計中有3個16位×16位乘法器，分別對應于RGB三通道。校正過程中，通過上位機傳送校正通道及校正因子，在UART接口接收、解碼后，生成相應的使能信號，刷新原通道校正因子。16位數(shù)字圖像數(shù)據(jù)（8位的圖像數(shù)據(jù)乘以256）通過設(shè)計的對應通道的乘法器與對應的校正因子相乘，得到校正后的數(shù)據(jù)，取8位有效數(shù)據(jù)作為校正后的輸出值。

2.3.3 數(shù)字增益與模擬增益控制

在暗環(huán)境中，圖像需要增加放大增益來獲得可用圖像，故在本相機中，加入了模擬增益控制與數(shù)字增益控制兩種增益控制方式。

與白平衡調(diào)節(jié)相同，數(shù)字增益控制方式通過16位乘法器方式實現(xiàn)，增益倍數(shù)通過串口由上位機向相機系統(tǒng)發(fā)送。采用此方法，數(shù)字增益可實現(xiàn)1～256的增益放大倍數(shù)，而最小放大倍數(shù)達1/256。模擬增益則采用AD9945的可變增益性能，通過上位機發(fā)送控制指令改寫AD的增益倍數(shù)而實現(xiàn)模擬增益的變化?；贏D9945的性能，模擬增益范圍在6 dB～40 dB。

2.4 UART接口

本相機實現(xiàn)中，對上位機指令的接收通過UART接口實現(xiàn)。為了完成上位機對本系統(tǒng)控制指令的實現(xiàn)，UART接口分兩部分實現(xiàn)，一是RS232-RS485轉(zhuǎn)接口，一是FPGA內(nèi)設(shè)計的UART收發(fā)接口模塊。為了保證系統(tǒng)可實現(xiàn)遠距離控制和控制指令的準確性，設(shè)計中采用了RS485協(xié)議應用差分電平傳輸數(shù)據(jù)。故在系統(tǒng)中加入了RS232-RS485轉(zhuǎn)接口。UART收發(fā)接口模塊功能上實現(xiàn)對控制指令的接收及解碼，并對其他模塊傳輸相應操作指令及對應數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，約定的控制數(shù)據(jù)幀如圖6所示，‘N’和‘F’分別作為數(shù)據(jù)幀的頭和尾，在接收模塊中判斷數(shù)據(jù)是否傳輸準確，第二位為控制指令類型，對應于各個模塊的控制，解碼后產(chǎn)生對應模塊控制字刷新使能信號，將第三位和第四位作為控制字寫入對應模塊。各模塊根據(jù)收到的使能信號及控制字完成相應操作，實現(xiàn)上位機對本系統(tǒng)的控制?？刂浦噶铑愋腿绫?所示。

圖6 串口通信數(shù)據(jù)格式

2.5 Cameralink接口

為了實現(xiàn)數(shù)字圖像的可靠、快速、大容量傳輸，本系統(tǒng)采用了Cameralink接口的base模式作為圖像傳輸接口。此接口包含基于DS90CR285的硬件轉(zhuǎn)接口和基于FPGA的頻率轉(zhuǎn)化及相應時鐘信號、使能信號的接口控制模塊兩個部分。由于CCD最大頻率為20 MHz，而Cameralink可工作在75 MHz，故在接口控制模塊中設(shè)計一個雙端RAM，以此作為圖像數(shù)據(jù)在不同頻率下的轉(zhuǎn)化單元。同時，接口控制模塊還對應地產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號、行有效信號、幀有效信號3個圖像同步信號及傳輸時鐘。然后，硬件轉(zhuǎn)接口將24位圖像數(shù)據(jù)及相應的4位圖像同步使能信號(3位圖像同步信號與1位自定義控制位，自定義控制位在本設(shè)計中未使用)通過DS90CR285轉(zhuǎn)化為4路LVDS傳輸，同時將傳輸時鐘也對應轉(zhuǎn)化為1路LVDS傳輸。

表1 控制指令類型表

3 實驗效果

相機測試平臺基于DALSA的X64-CL iPro圖像采集卡實現(xiàn)。相機的CCD工作在10 MHz工作頻率，Cameralink傳輸速度在40 MHz下，測試對象為華大作業(yè)紙，傳至上位機顯示得到的圖像如圖7所示。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在較高速度下能夠穩(wěn)定工作并得到可用的采樣圖像。

本系統(tǒng)利用FPGA和線陣CCD進行圖像采集，主要介紹了各器件驅(qū)動及接口模塊，實現(xiàn)了圖像的高速采集和穩(wěn)定傳輸，為后續(xù)處理單元提供可靠數(shù)字圖像。本系統(tǒng)在平場校正及 AWB(自動白平衡)、AE(自動曝光)等方面還可進行深入研究和探索，使相機工作性能更加優(yōu)異。

圖7 實驗效果圖

[1]李明偉，黃鴿，劉靜茹.一種高速線陣CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀器儀表學報，2005，26(8)：716-717.

[2]李紅梅，陳敏聰，陳子瑜，等.線陣CCD數(shù)據(jù)獲取方法研究與設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008，31(6)：521-523.

[3]張志成，畢明德，孫志剛，等.基于CPLD的線陣 CCD圖像采集系統(tǒng)[J].電氣自動化，2012，34(1)：28-30.

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[5]Analog Devices Inc.Complere 12-bit 40 MHz CCD signal processor AD9945 REV A[Z].2003.

[6]徐樹興，王寶光，鄭義忠.線陣CCD平場校正及 FPGA實現(xiàn)的研究[J].宇航計測技術(shù)，2007，27(6)：34-37.

[7]王慶有.CCD應用技術(shù)[M].天津：天津大學出版社，2000.