一种超高速工业相机系统技术方案

本发明专利技术提供了一种超高速工业相机系统，包括进行图像数据采集、缓存和传输的超高速工业相机的主系统和在高功耗下的保证温度可靠性的高速工业相机的次系统；主系统包括：进行图像数据采集的前端传感器，对前端传感器采集到的数据进行处理的传感器驱动模块，与传感器驱动模块进行数据交互的数据缓存模块，数据缓存模块中缓存的数据再通过传感器驱动模块和数据传输模块发送给终端设备；次系统包括：用于给超高速工业相机系统的主系统供电的电源模块，用于监控超高速工业相机系统整体温度的温度传感器，和根据温度传感器监控温度控制电源模块开关的控制电路。该系统可以完成帧率4000帧以上分辨率为1M像素的超高速相机的设计任务，为超高速相机设计提供了一种行之有效的技术手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超高速成像领域，具体为一种超高速工业相机系统。
技术介绍
随着集成电路工艺水平以及传感器制作水平的提高，目前超高速成像系统发展迅速。超高速成像技术能记录肉眼无法分辨的瞬间变化，使得超高速相机在诸如车辆检测，碰撞测试，科学实验，体育竞技，军事等领域都具有广阔的应用场景。超高速相机的主要特性是单位时间内输出的图像数量多，因为超高速相机的高帧率输出，所以前端传感器通常具有两个方面的特点，一是数据通道多，二是单个通道的数据率高，这对数据获取模块的设计提出了很高的要求。为了接口的方便性，高速相机一般采用USB或者网络的方式将数据传递给PC机，而超高速相机瞬时产生的图像数量十分巨大，这之间就造成了数据输出速率无法跟上数据产生速率的矛盾，所以超高速相机内部必须提供大容量缓存对瞬时产生的大量图像进行存储，这就涉及到高速存储器电路设计，更进一步增加了电路设计复杂性。无丢帧的数据传输即保存在相机内部存储器中的数据图像必须全部传递给PC机，不能丢失一幅图像数据，这通常需要较高可靠性的数据传输技术。所以对于超高速相机的设计，主要有如下几个方面的难点：(1)前端高速传感器的数据读取；(2)大容量数据缓存；(3)无丢帧的数据传输。超高速相机的主要特性是单位时间内输出的图像数量多，为了支持高帧率，相机内部各模块工作时钟频率都很高，包括传感器，FPGA，DDR3模块等都处于高速运转状态，这将造成在工作一段时间后各器件温度会急剧升高，如果不进行处理很容易导致系统工作状态不稳定，如FPGA会重新启动，存储器内图像数据会丢失，因此设计阶段温度可靠性必须作为超高速相机的一个重要因素，这将直接影响相机的长时间工作稳定性。基于以上设计难点，目前国内尚未形成具有竞争力的超高速相机产品，超高速相机产品主要来自于日本，欧美等西方国家，价格昂贵，且维护成本巨大。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种超高速工业相机系统，包括进行图像数据采集、缓存和传输的超高速工业相机的主系统和在高功耗下的保证温度可靠性的高速工业相机的次系统；超高速工业相机的主系统包括：进行图像数据采集的前端传感器，对前端传感器采集到的数据进行处理的传感器驱动模块，与传感器驱动模块进行数据交互的数据缓存模块，数据缓存模块中的数据再通过传感器驱动模块和数据传输模块发送给终端设备；超高速工业相机的次系统包括：用于给超高速工业相机系统的主系统供电的电源模块，用于监控超高速工业相机系统整体温度的温度传感器，和根据温度传感器监控温度控制电源模块开关的控制电路。本专利技术中选择使用的传感器分辨率为1024×1024，80路LVDS输出，设计实现了最大分辨率下帧率达到4000帧，每路LVDS输出速率高达620MHz。此时，存储器需要支持到800MHz工作时钟和64-bit位宽。为了提高数据写入效率，优选地，所述的传感器驱动模块为FPGA；该FPGA对所述前端传感器采集的数据进行接收；该FPGA直接驱动所述数据缓存模块；所述数据传输模块直接在FPGA内实现UDP协议栈。优选地，所述的超高速工业相机的主系统还包括IO接口。优选地，所述的FPGA支持SODIMM接口方式，即外插内存条的接口方式，从而系统缓存容量可以灵活定制，从4GB~16GB随意变换。本专利技术中选用了Altera公司的Stratix-V系列FPGA，一方面基于驱动80路高速LVDS接口的需要，另一方面基于800MHz 64-bit DDR3接口的需要，Stratix-V支持fly-by走线方式，可以直接驱动SODIMM接口。优选地，所述的超高速工业相机的次系统还包括与超高速工业相机系统外壳连接的散热片、与散热片连接的散热风扇及次系统内部风道。优选地，所述的超高速工业相机的次系统的控制电路为CPLD。从传感器基本特性来看，驱动模块需要正确接收80路高速LVDS的数据并完成数据拼接，拼接后的数据将传递给数据缓存模块。本专利技术提供的超高速工业相机系统的传感器驱动模块的实现方法为：（1）所述FPGA通过内部时钟相位动态调整技术扫描所述前端传感器的各LVDS通道，获取各LVDS通道的skew值；（2）所述FPGA通过多级延迟链改变信号延迟，通过在程序运行中改变信号所通过延迟链的级数达到动态延迟信号的动态延迟技术进行延时补偿，将各LVDS通道对齐，得到deskew后锁存窗口；（3）设置锁存出发时刻为窗口中心点，获得最大化的锁存窗口。本专利技术提供的超高速工业相机系统的数据缓存模块的实现方法：在FPGA内直接实现UDP协议的方式，并配合重传机制进行数据传输，具体步骤为：（1）接收到用户的网络请求后，先经过包过滤，对ARP请求进行解帧和组帧操作，并返回ARP包；（2）对非ARP请求依次进行IP、UDP和SDCP解帧，如果SDCP协议未检测到丢包，则获取用户命令，并根据用户命令，调用数据采集模块，将所需返回的数据依次进行SDSP、UDP、IP、MAC组帧，构建UDP返回包，并将UDP包进行备份，写入DDR3驱动模块；（3）其中FPGA对发送的每个报文进行了编号，如果SDCP协议检测到丢包，则操作SDSP组帧模块停止数据流，从DDR3中找到丢失的UDP包，并进行重发。本专利技术提供的超高速工业相机系统的超高速工业相机的次系统的具体步骤：（1）超高速工业相机系统上电初始化；（2）开启温度传感器实时监控系统温度；（3）当系统温度超过设定问题T2时，开启散热风扇；（4）当系统温度低于设定问题T1时，关闭散热风扇；（5）当系统温度超过设定问题T3时，关闭电源模块；其中T1<T2<T3。本专利技术提供的超高速工业相机系统的超高速工业相机的主系统的具体步骤：（1）超高速工业相机系统上电初始化；（2）超高速工业相机进入Live模式，实时监控图像，并等待用户命令；（3）当用户不执行“进入Record模式”时，回到步骤（2）等待；当用户执行“进入Record模式”时，进入步骤（4）；（4）超高速工业相机从Live模式切换到Record模式，相机工作于用户配置的帧率和曝光时间下，保存每一幅图像，并等待触发信号，当超高速工业相机的数据缓存模块溢出时，将循环覆盖老的数据；（5）当超高速工业相机接收到触发信号后，相机将继续保存N帧图像，等待用户读取，此时相机不再从前端传感器接收图像数据，即不产生新的数据写入数据缓存模块中；（6）当用户不执行“读取命令”时，判断是否进行“模式切换”命令：若为是，则回到步骤（2），若为否，则回到步骤（5）；当用户执行“读取命令”时，进入步骤（7）；（7）以接收到触发时刻为基准点，相机将触发时刻前数据缓存模块缓存的M帧图像数据和触发时刻后数据缓存模块缓存的N帧图像数据，通过网络无丢失的传递给用户，其中M，N为进入Record模式之前用户配置值。（8）数据发送完成后，超高速工业相机进入等待模式，判断是否进行“模式切换”命令：若为是，则回到步骤（2），若为否，则回到步骤（5）；（9）重复步骤（1）~（8），直至用户关闭超高速工业相机；其中，超高速工业相机对数据缓存模块中数据的清除，只在用户退出Record模式之后，在进行下一次Record时，用户需要先行从前一次Record模式退回到Live模式。本专利技术中选择使用的传感器分辨率为1024本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高速工业相机系统，其特征在于：包括进行图像数据采集、缓存和传输的超高速工业相机的主系统和在高功耗下的保证温度可靠性的高速工业相机的次系统；超高速工业相机的主系统包括：进行图像数据采集的前端传感器，对前端传感器采集到的数据进行处理的传感器驱动模块，与传感器驱动模块进行数据交互的数据缓存模块，数据缓存模块中缓存的数据再通过传感器驱动模块和数据传输模块发送给终端设备；超高速工业相机的次系统包括：用于给超高速工业相机系统的主系统供电的电源模块，用于监控超高速工业相机系统整体温度的温度传感器，和根据温度传感器监控温度控制电源模块开关的控制电路。

【技术特征摘要】
1.一种超高速工业相机系统，其特征在于：包括进行图像数据采集、缓存和传输的超高速工业相机的主系统和在高功耗下的保证温度可靠性的高速工业相机的次系统；超高速工业相机的主系统包括：进行图像数据采集的前端传感器，对前端传感器采集到的数据进行处理的传感器驱动模块，与传感器驱动模块进行数据交互的数据缓存模块，数据缓存模块中缓存的数据再通过传感器驱动模块和数据传输模块发送给终端设备；超高速工业相机的次系统包括：用于给超高速工业相机系统的主系统供电的电源模块，用于监控超高速工业相机系统整体温度的温度传感器，和根据温度传感器监控温度控制电源模块开关的控制电路。2.一种如权利要求1所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的传感器驱动模块为FPGA；该FPGA对所述前端传感器采集的数据进行接收；该FPGA直接驱动所述数据缓存模块；所述数据传输模块直接在FPGA内实现UDP协议栈。3.一种如权利要求1所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的超高速工业相机的主系统还包括IO接口。4.一种如权利要求2所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的FPGA支持SODIMM接口方式。5.一种如权利要求1所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的超高速工业相机的次系统还包括与超高速工业相机系统外壳连接的散热片、与散热片连接的散热风扇及次系统内部风道。6.一种如权利要求1所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的超高速工业相机的次系统的控制电路为CPLD。7.一种如权利要求2所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的传感器驱动模块的实现方法：（1）所述FPGA通过内部时钟相位动态调整技术扫描所述前端传感器的各LVDS通道，获取各LVDS通道的skew值；（2）所述FPGA通过多级延迟链改变信号延迟，通过在程序运行中改变信号所通过延迟链的级数达到动态延迟信号的动态延迟技术进行延时补偿，将各LVDS通道对齐，得到deskew后锁存窗口；（3）设置锁存出发时刻为窗口中心点，获得最大化的锁存窗口。8.一种如权利要求2所述的超高速工业相机系统，其特征在于：所述的数据缓存模块的实现方法：在FPGA内直接实现UDP协议的方式，并配合重传机制进行数据传输，具体步骤为：（1）接收到用户的网络请求后，先经过包过滤，对ARP请求进行解帧和组帧操作，并返回ARP包；（2）对非ARP请求依次进行IP、UDP和SDCP解帧，如果SDCP协议未检测到丢包，则获取用...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹桂平，董宁，唐世悦，吴畅，叶加圣，
申请(专利权)人：合肥埃科光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34