紫外成像儀研制系統(tǒng)中視頻接口設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

侯思祖　賀佳瑋

摘? 要： 針對高靈敏紫外成像儀國產(chǎn)化研發(fā)中視頻接口數(shù)據(jù)采集與相機(jī)控制問題，設(shè)計可見光和紫外光接口轉(zhuǎn)換板。首先，在整個系統(tǒng)中分別用可見光Sony相機(jī)和紫外相機(jī)采集視頻信號，分別經(jīng)LVDS接口和紫外接口接入到根據(jù)有效視頻捕捉協(xié)議BT.1120，BT.656所選擇芯片ADV7513搭建的視頻轉(zhuǎn)換板，并將轉(zhuǎn)換板設(shè)計為HDMI接口形式接入海思平臺，實(shí)現(xiàn)紫外成像儀的視頻接入顯示和相機(jī)控制功能在Linux系統(tǒng)上Qt圖形界面的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計實(shí)現(xiàn)了紫外成像儀研制中有效視頻的捕捉顯示和雙鏡頭控制的功能。

關(guān)鍵詞： 紫外成像儀; 視頻接口設(shè)計; 視頻信號采集; 視頻轉(zhuǎn)換板; 視頻接入顯示; 相機(jī)控制

中圖分類號： TN722.1+2?34; TP274.2? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0001?04

Design and implementation of video port of ultraviolet imager system

HOU Sizu， HE Jiawei

（School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract： In allusion to the problems of data collection and camera control of video port in the localization research and development of high sensitive ultraviolet imager， the visible light and ultraviolet port conversion board is designed. The video signal is collected by visible light Sony camera and ultraviolet camera in the system， and then the collected video signal is putted into the video conversion board through the LVDS port and ultraviolet port respectively， which is built with the chip ADV7513 selected by means of the effective video capture protocols BT.1120 and BT.656. The conversion board is designed as HDMI port form and is placed in the Hisilicon platform， so that the video access display and camera control functions of the ultraviolet imager are realized on Linux system Qt graphical interface. The experimental results show that the design of the effective video capture and display functions and dual?lens control function in the development of ultraviolet imager is realized.

Keywords： ultraviolet imager; video port design; video signal collection; video conversion board; video access display; camera control

0? 引? 言

紫外成像技術(shù)能有效、直觀地觀測到高壓設(shè)備放電的情況[1?2]，為帶電檢測提供了新的強(qiáng)大的診斷手段。紫外成像儀對于電力與鐵路行業(yè)中的故障檢測越來越受到重視，且發(fā)展到了可在白天進(jìn)行檢測的水平，這從根本上拓展了紫外成像儀長期應(yīng)用受限的短板。而在紫外成像儀的研制過程中如何將相機(jī)所采集到的視頻數(shù)據(jù)顯示且傳送到后方處理系統(tǒng)等問題也是日益受到重視且被研究。不同設(shè)備間連接的最關(guān)鍵的地方在于接口和協(xié)議的規(guī)定，只有合適的接口才能使兩者可靠有效連接并對設(shè)備進(jìn)行有效的控制[3]。本文研究的內(nèi)容是設(shè)計以ADV7513芯片為主的接口轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)視頻捕捉功能再以HDMI接口形式輸入至海思平臺，并通過對Sony Visca協(xié)議和紫外相機(jī)協(xié)議的解析實(shí)現(xiàn)雙鏡頭的控制。對未來實(shí)現(xiàn)高靈敏紫外成像儀的國產(chǎn)化研發(fā)具有長遠(yuǎn)意義。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)紫外成像儀視頻數(shù)據(jù)的有效捕捉和雙鏡頭的有效控制，本設(shè)計將研制系統(tǒng)分為可見光相機(jī)、紫外相機(jī)、可見光接口和紫外接口轉(zhuǎn)換板以及海思平臺，總體設(shè)計方案如圖1所示?？梢姽夂妥贤饨涌诎宓脑O(shè)計包括設(shè)計專用傳輸線纜將前端鏡頭的對接，通過選取STM32F103C8T6作為整板的CPU，I2C總線實(shí)現(xiàn)對ADV7513芯片的控制。其中，對于可見光視頻接口LVDS[4]需要利用THC63LVD104C完成了LVDS轉(zhuǎn)TTL電平的功能。THC63LVD104C的電路原理圖如圖2所示。再經(jīng)ADV7513芯片成功將傳輸進(jìn)來的混合數(shù)據(jù)根據(jù)可見光視頻BT.1120協(xié)議和紫外視頻BT.656[5]的協(xié)議進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的提取，最后以HDMI接口的形式傳輸至海思平臺。在海思平臺中對可見光相機(jī)Sony Visca協(xié)議和紫外相機(jī)協(xié)議的解析，以Qt圖形界面形式實(shí)現(xiàn)雙鏡頭的控制功能。

2? 硬件設(shè)計

2.1? 可見光LVDS接口電平轉(zhuǎn)換設(shè)計

可見光接口轉(zhuǎn)換板設(shè)計的主要內(nèi)容是將可見光相機(jī)Sony CV7520工業(yè)相機(jī)所采集到的視頻數(shù)據(jù)根據(jù)USL00?30L?C的30線排線經(jīng)LVDS接口進(jìn)入接口轉(zhuǎn)換板。在此接口轉(zhuǎn)換板中必須先經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片THC63LVD104C芯片將LVDS電平轉(zhuǎn)換為TTL電平后，才能通過ADV7513芯片對視頻數(shù)據(jù)拆分，提取出有效視頻，再將視頻數(shù)據(jù)通過HDMI接口輸入至海思3531D平臺處理后顯示成功。其中，可見光鏡頭LVDS接口輸出的信號是低擺幅差分對信號，包括一個通道的時鐘信號和幾個通道的串行數(shù)據(jù)信號。值得注意的是在管腳的設(shè)計中，時鐘管腳TXCLK的頻率設(shè)置取決于所輸出的視頻分辨率和幀數(shù)，當(dāng)輸出模式為1 080P/60 f/s時，TXCLK為148.5 MHz;輸出模式為1 080P/300 f/s時，TXCLK為74.25 MHz; 輸出模式為1 080i/60 f/s時，TXCLK為74.25 MHz;輸出模式為720P/60 f/s時，TXCLK為74.25 MHz。

2.2? HDMI接口設(shè)計

將可見光LVDS接口和紫外接口分別通過轉(zhuǎn)接板以HDMI接口形式輸出至顯示屏或海思平臺進(jìn)行再處理是本設(shè)計的重要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。故采用ADV7513芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。ADV7513芯片中共有24個數(shù)據(jù)輸入管腳，實(shí)際數(shù)據(jù)輸入管腳的接入選擇是有遵循模式的，本設(shè)計輸入YCbCr 4∶2∶2數(shù)據(jù)模式（24 bit，20 bit， 16 bit），根據(jù)內(nèi)同步與外同步的設(shè)置模式選擇接入方式。本文采用內(nèi)嵌同步模式，ADV7513硬件連接圖如圖4所示，管腳0～11接入Y流數(shù)據(jù)，管腳11～23接入Cr、Cb流數(shù)據(jù);采用YCbCr422/20 bit輸入時，管腳0～3空閑，管腳4～13接入Y流數(shù)據(jù)，管腳14～23接入Cr，Cb流數(shù)據(jù);采用YCbCr422/16 bit輸入時，管腳0～7空閑，管腳8～15接入Y流數(shù)據(jù)，管腳16～23接入Cr，Cb流數(shù)據(jù)。

2.3? STM32控制設(shè)計

本文設(shè)計轉(zhuǎn)換板的微控制器采用STM32F103C8T6微處理器，它是ST公司推出基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的32位閃存微控制器[6]。該處理器可以很好地滿足在視頻接口轉(zhuǎn)換板中控制系統(tǒng)處理中斷的功能，實(shí)現(xiàn)可見光視頻和紫外視頻采集及相機(jī)等功能的控制。其外圍電路圖如圖5所示，。管腳15，16，42，43分別為兩對I2C總線SCL1，SDA1和SCL2，SDA2;管腳12，13，21，22分別為兩對串口接收信號RXD和發(fā)送信號TXD;管腳41HPD1，25HPD2為熱插拔信號。為完成有效視頻捕捉，在STM32F101的I/O口模擬中，采用I2C總線控制ADV7513芯片;另外，利用STM32進(jìn)行串口的控制，通過對串口的設(shè)置實(shí)現(xiàn)對雙鏡頭的控制功能。

3? 軟件邏輯及關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1? 可見光和紫外視頻采集接口邏輯設(shè)計

可見光Sony FCBEV7520相機(jī)和紫外專用相機(jī)采集到的視頻數(shù)據(jù)以分別以BT.1120和BT.656標(biāo)準(zhǔn)格式輸入至轉(zhuǎn)換板，當(dāng)ADV7513接收數(shù)據(jù)信息時，通過STM32對I2C總線進(jìn)行配置，分別根據(jù)各自圖像格式對ADV7513內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。主要配置寄存器地址包括：0x16（設(shè)置輸出制式，色彩深度，輸入管腳設(shè)置），0x17（設(shè)置輸入寬高比使能內(nèi)部DE信號發(fā)生器），0x30～0x3A，0xD7～0xDB（對于嵌入式同步的設(shè)置DE，Hsync和Vsync發(fā)生器），0x15（設(shè)置輸入IIS采樣時鐘（音頻）和視頻制式為16 bit YCbCr422）。按要求配置好芯片之后，經(jīng)SMT32F103C8T6對ADV7513芯片的讀寫成功完成對可見光和紫外視頻有效數(shù)據(jù)的捕捉，再以HDMI接口格式輸出至后臺。最后，完成了在紫外成像儀中根據(jù)可見光BT.1120協(xié)議和紫外視頻BT.656協(xié)議提取有效視頻數(shù)據(jù)的功能。

3.2? 海思平臺接入設(shè)計

當(dāng)完成轉(zhuǎn)接板的硬件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對可見光相機(jī)和紫外相機(jī)視頻的接收后將這兩路視頻以HDMI接口的形式輸入至本設(shè)計所采用海思3531D平臺[7?8]可對視頻數(shù)據(jù)再做后續(xù)處理，如視頻融合、配準(zhǔn)等操作。本設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)兩路視頻與海思平臺的連接成功，在海思平臺上實(shí)現(xiàn)視頻的VI/VO顯示切屏功能，能更好地分析前端設(shè)備對于視頻數(shù)據(jù)的提取效果及視頻數(shù)據(jù)的捕獲功能效果。VO切屏顯示的流程如圖6所示。設(shè)計過程中關(guān)鍵部分：啟動VI或VPSS;調(diào)用HI_MPI_VI_GetFrame或HI_MPI_VPSS_GetFrame;手動映射;通過pSrc訪問數(shù)據(jù)。

3.3? Qt圖形界面設(shè)計

本文中對于Qt圖形界面[9?10]中的設(shè)計主要在于實(shí)現(xiàn)整體圖形界面中關(guān)于控制功能的可應(yīng)用性?？梢姽庀鄼C(jī)采用Sony Visca協(xié)議實(shí)現(xiàn)對相機(jī)的對焦、去噪等控制功能，紫外相機(jī)采用自定義的協(xié)議進(jìn)行變倍、增益調(diào)控等操作。

由于需要實(shí)現(xiàn)的控制功能都是通過串口實(shí)現(xiàn)，所以首先要設(shè)計Qt下的串口通信。串口通信是借助一個QSerialPort的對象來實(shí)現(xiàn)的，在設(shè)置QSerialPort對象對串口的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等參數(shù)后，方能對串口進(jìn)行讀寫。用SerialPort類實(shí)現(xiàn)串口功能，設(shè)置和打開串口。在mainwindow.cpp文件中設(shè)置以上關(guān)于串口通信開始、關(guān)閉的函數(shù)以及信號和槽的連接，按鍵使能函數(shù)等。調(diào)用在CCameraserialmanager.cpp文件控制功能接口，在CCameraserialmanager.cpp實(shí)現(xiàn)對紫外和可見光進(jìn)行控制協(xié)議的解析。關(guān)鍵代碼如下：

{connect（timer， SIGNAL（timeout（））， SLOT（timerSlot（）））;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //連接信號和槽

void MainWindow：：on_pushButton_2_clicked（）{

//圖像變倍

std：：string strKey;

CCameraSerialManager：：Instance（）?>RunCameraCommand（SONY_CAM_ZOOM_DIRECT，0x3540，strKey）;

}

bool

}

協(xié)議解析部分：

CCameraSerialManager：：GetSendCommandBuf（const CAMERA_COMMAND_INFO & varCamCmdInfo， uint8_t *data， size_t &size）

{? bool bRet = true;

int nIndex = 0;

switch （varCamCmdInfo.varCameraCommand）

{? case SONY_CAM_ZOOM_DIRECT：

//8x 01 04 47 0p 0q 0r 0s FF pqrs

data[nIndex++] = 0x81;

data[nIndex++] = 0x01;

data[nIndex++] = 0x04;

data[nIndex++] = 0x47;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0xF000）>>12;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0x0F00）>>8;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0x00F0）>>4;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0x000F）;

data[nIndex++] = 0xFF;

size = nIndex;

break;

} }

實(shí)驗(yàn)所設(shè)計的可見光和紫外轉(zhuǎn)換板實(shí)物圖如圖7所示。搭建海思平臺對所采集到的視頻圖像進(jìn)行采集，并在Qt圖形界面實(shí)現(xiàn)可見光鏡頭對焦模式、曝光模式、圖像反轉(zhuǎn)、曝光時間、變倍等功能，紫外鏡頭獲取紫外計數(shù)值、去噪、累計、調(diào)節(jié)增益等功能。Qt圖形控制界面如圖8所示。

4? 結(jié)? 語

本文介紹一種高靈敏紫外成像儀中視頻接口設(shè)計方案，通過設(shè)計可見光接口和紫外接口轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了視頻信號以HDMI接口形式顯示或輸入至海思平臺進(jìn)行二次處理。通過對控制協(xié)議的解析和海思平臺Qt圖形界面的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了可見光鏡頭和紫外鏡頭的控制功能，保證了能及時有效觀察到紫外放電情況。此研究在未來紫外成像儀的研制設(shè)計中具有廣泛價值。

注：本文通訊作者為賀佳瑋。

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