（光学工程专业论文）紫外辐射检测的嵌入式双光谱图像采集及数据处理系统设计.pdf

摘要 当前电力公用事业部门应用了一系列手段来检测传输线以及配电设备。可见 与紫外双光谱相机成为了这些部门最新的可视化诊断工具，以识别电力设备中的 潜在破损。本课题在对位于日盲波段的深紫外辐射进行研究与分析的基础上，选 择合适的整体电子系统软、硬件框架，设计了一套嵌入式双光谱图像采集与数据 处理系统，实现紫外信号与可见光背景双光谱图像的采集、处理、叠加、显示、 存储等功能。 本文在d s p + f p g a 构建的便携式硬件平台上，实现了实时化采集可见与紫外 双通道图像数据，并进行了进一步的图像格式转换、双通道图像叠加与图像分析。 其中紫外光通道为检测到极微弱的电晕，采用了进口的紫外探测器，即带碲化铯 光电阴极的像增强管作为接收检测装置，分辨率可达单光子计数水平。可见光通 道以三百万像素的高速c m o s 图像传感器确保了图像的清晰度。 系统整体软件建立在支持多通道、多算法的r f 5 参考框架之上，既使框架的 搭建、算法的添加变得简单，又确保了系统的实时运行速度。经过处理后的图像 可以输出到液晶屏与寻像器进行显示，也可对选定的合适图像进行压缩与存储， 以便进一步分析。最后介绍了系统调试过程中的一些实用经验与方法，且在实际 高压变电站现场电晕检测中，与国外同类进口仪器进行比对实验，得到了较好的 结果。 关键词：双光谱紫外数字图像处理d s pr f 5c m o s i i a b s t r a c t p r e s e n t l ye l e c t r i c i t yu t i l i t i e sm a k eu s eo fan u m b e ro fi n s p e c t i o nt o o l st os u r v e y t h e i rt r a n s m i s s i o nl i n e sa n de l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t v i s i b l ea n du l t r a v i o l e t c a m e r a sa r et h el a t e s tv i s u a ld i a g n o s t i ct o o l sa v a i l a b l et ou t i l i t i e st oi d e n t i f yp o t e n t i a l f a i l u r e so ne l e c t r i c a le q u i p m e n t a f t e rr e s e a r c h i n gt h eu v cr a d i a t i o ni ns o l a rb l i n d s p e c t r u m ， ap r o p e re l e c t r o n i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r ef r a m ei sc h o s e nt or e a l i z ea n e m b e d d e dd u a l s p e c t r u mi m a g ea c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m 、析t l ls u c h f u n c t i o n sa su l t r a - v i o l e ta n dv i s i b l ei m a g ea c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g ，f u s i o n ，d i s p l a y i n g ， s t o r a g e ，a n de r e b a s e do nt h ed s pa n df p g ah a r d w a r ep l a t f o r m ，as y s t e mi sd e s i g n e dt oc o l l e c t i m a g e sf r o mb o t hv i s i b l ea n du l t r a v i o l e tc h a n n e l s m o r e o v e r ，i tp e r f o r m sm a n y f u c t i o n ss u c ha si m a g ef o r m a tt r a n s f o r m a t i o n , i m a g ef u s i o na n da n a l y s i s f o r d e t e c t i n gt h ew e a ks i g n a lo fc o r o n a , a nu l t r a - v i o l e td e t e c t o ri si m p o r t e di nt h ef o r mo f a ni m a g ei n t e n s i f i e rt u b ew i t hac e s i u m - t e l l u r i d ep h o t o c a t h o d e w h i c hi sc o m p e t e n t f o rs i n g l ep h o t o nc o u n t i n g f o ra c q u i r i n gv i s i b l ei m a g e s ，a3 - m i l l i o n - p i x e lh i g h - s p e e d c m o si s i m p l e m e n t e dt oa s s u r ed e f i n i t i o no fi m a g e sa n dr u n n i n gs p e e do ft h e s y s t e m t h er e a l t i m es o f t w a r es y s t e mi sb u i l to nr e f e r e n c ef r a m e w o r k5 ( r f 5 ) ，s i n c ei t s u p p o r t sm u l t i - c h a n n e la n dm u l t i a l g o r i t h ms y s t e m ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o ru s e r st o b u i l du ps o f t w a r ef l a m e sa n da d dn e wa l g o r i t h m s t h ep r o c e s s e di m a g e sc a nb ee i t h e r d i s p l a y e do nt w ol c d s ，o rc o m p r e s s e da n ds a v e df o rf u r t h e ra n a l y s i s f i n a l l y ，s e v e r a l m e t h o d so fp r o g r a md e b u g g i n ga n ds y s t e ma d j u s t m e n ta r ei n t r o d u c e d c o m p a r e dt o t h ei m p o r t e dd e v i c eo ft h es a m ea r e a , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h ef i e l ds h o wt h a t t h ed e s i g n e ds y s t e mh a so u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei nt h ed e t e c t i o no fc o r o n ar a d i a t i o n o fh i g h - v o l t a g ee l e c t r i c i t ye q u i p m e n t s k e y w o r d s ：d u a l - s p e c t r u m ，u l t r a v i o l e t ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，d s p ，r f 5 ，c m o s i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝至三盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王讯签字日期 加年月箩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝垄盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 互孑济 导师签名： 如磁 签字日期：bb 年月岁日 签字日期：跏扣年月岁日 致谢 本文得以顺利的完成，首先要衷心感谢杨甬英教授的悉心指导和谆谆教诲。 杨老师以其丰富的知识和经验给予我坚实的理论和技术指导，并为实验设施的购 置、装配提供了极大的便利和指导。她求是的求学态度，对新技术方向的全局把 握，对研究项目精益求精的精神等都是我在学习生活中的楷模，给予作者的鼓励 与支持将使作者铭记终身。 同时感谢项目开发公司的技术工程师们的热心指导和协助。 另外在此期间，实验室的师兄和同学们也给予了我莫大的关心和帮助，在 此也向刘东、高鑫、王道档、肖冰、田超、骆永洁同学表示深深的谢意。 最后，我要感谢我的父母，没有他们生活以及精神上极大的支持，我的项 目是不会如此顺利的进行的。 让我再一次向所有给予我帮助、支持和鼓励的老师、同学、朋友和亲人们 表示由衷的感谢! 王琳 2 0 10 年1 月于浙江大学 浙大学磺学位论文鳍论 1 绪论 1 1 课题背景与意义 当前电力公用事业部门应用了一系列手段来检测传输线以及配电设备。红 外、可见、紫外相机成为了这些部f - j 最新的可视化诊断工具，以识别电力设备中 的潜在破损。红外相机可以确定高温的故障区( 发热点) ，这些热源可能导致机 械装置的损坏及最终无法正常供电。紫外相机可以确定有损坏处的硬件设备及绝 缘体电晕放电位置，这些损坏处的放电有可能导致飞弧击穿及电能的泄漏，这其 中就包含了对绝缘体紫外波段辐射的成像技术通过这些照片可以标明绝缘体外 部可见的部分或内部不可见部分的一些变化，而这些变化可能对绝缘体的长期性 能有很大影响， 对复合材料绝缘体来说，紫外成像是首选的检测方法”。与传统观测手段相 比，紫外与可见双光谱相机会提供检测目标的全面信息，还为电力部门提供了许 多有利的条件，可以为识别漏电提供更多准确的定位信息，如下图所示”1 誊酒谶_“圆 图1l ( a ) 破损的绝缘于表面( b ) 破损绝缘子的琛紫外波段辐射 本课题利用了在太阳盲区波段内( 2 4 0 h m 2 8 0 h m ) ，由于大气中臭氧层对深 紫外及x 光线中较长波段的滤波及阻挡作用，没有来自太阳的深紫外光辐射到大 地球表面，即只有主动发光的光源才可以被观测到。电晕辐射与太阳光到达地面 的辐射光谱如下图所示”。 浙江大学碗学位论文 s p e c t r a li r r a d i a n c eo fc o r o n aa n d s o l a re n e r g y 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 e l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u mw a v e l e n g t hi n m i 图12 电晕辐射与太阳光到达地面的辐射光谱圉 园此，在日盲波段工作的深紫外辐射检测不受日光的干扰，且图像清晰使 用方便，欧美、南非，以色列均已有这类仪器投入使用。 1 2 国内外相关领域研究现状 121 国内外研究现状与难点分析 目前，南非c s i r ( c e n tr ef o ri n t e g r a t e ds e n s i n gs y s t e m s ) 公司与南非 最大的供电机构e s k o m 合作，共同研发和生产了一系列的紫外成像仪”1 ，主要用 于在日光下，对远距离检测设备的电气放电现象进行检测。该成像仪由三个不同 的探测器及其分别独立的一套滤光片、透镜组成。但南非公司的这项产品由于紫 外探测器件的暗噪声比较大，所以紫外信号的图像质量很差；而且由于采用的电 路系统过于简单，以至不能加载过于复杂的图像处理算法，图像的存储系统简单， 不仅体积大、容量小，也无法记录大量图像信息。 而以色列o f i l 公司制造的紫外摄像机系统基本上是由两架摄像机合并而成 的，一路采集紫外波段的辐射，一路为标准的可见光c c d ，最终把紫外摄像机的 视频输出同可见光c c d 的输出合并起来“。摄像机中采用的紫外探测器灵敏度高， 暗噪声小，实际使用效果非常好。但以色列公司的这项产品也有着一定的不足之 浙江 学硕十学论文绪论 处，比如体积、重量比较大，不方便在野外进行操作。 目前，国内多家公司如大力、飒特及一些科研单位对电力设备电晕辐射探测 与双光谱采集系统也在研究之中，但大多集中于红外热成像领域，如下圉所示。 鼹幢 图13 国内公目电力设备电晕辐射虹外探测圉 相比于日盲区紫外辐射探剥设备，红外热像仪在探测精电电流产生的发热点 方面具有优势，但发热处温度的变化通常鞍小，有效信号对周围环境的背景噪声 如阳光、建筑物等非常敏感，而位于2 4 0 2 80 n m 日盲波段的深紫外电晕探测能 较好的解决背景噪声问题，精准的确定电晕放电位置。但遗憾的是国内尚未有便 携式、适合在现场工作使用的产品成型，其系统的主要难点在如下几个方面 1 、光学设计加工与装调因本系统需要对深紫外到可见光范围内的光辐射 进行成像，不仅谱段跨度大，致使光学镜头的加工与装调具有相当大的田难，而 且因为两个谱段的探剥器不同，需要将共同入射进来的深紫外辐射和可见光图像 分开，形戚彼此相对独立的通道因此系统中既有大口径的共同入射通道，又需 要对不同波段的双通道图像进行成像，光学设计、加工与装调的难度很高。 2 ，光机结构设计与衄装：在高难度双通道光学设计的基础上，因该仪器需要 达到便携式现场化操作要求，故对其整体体积重量、操作方便程度等方面也要 多加考虑，这就给系统的光机结构带来了很大的难度。在有眼的空间内，需要将 诸多功能如双通道图像采集、液晶屏与寻像器显示、自动调焦、图像存储及菜单 控制等紧凑有序的集于一身，保证系统正常平稳的运行，如此复杂的光学系统与 机械结构部分给系统的设计提出了非常高的要求。 3 、硬件电路与软件程序设计：率系统因其功能众多，在普通摄像机一路图像 输入、输出的基础上还要实现双通道图像格式的统一与叠加，图像的压缩与存储 浙江大学硕士学位论文1 绪论 光子计数、菜单中对增益与阈值的调节等功能，不仅要求硬件电路功能完备，而 且对软件程序中数据处理，特别是图像处理能力存在较高的要求，必要时需要在 实时性和多功能之间做出适当的平衡。因此，系统中的硬件电路与软件程序设计 也成为了一大难点。 因整个系统的各方面难度较高，工作量极大，本文主要探讨了嵌入式双光谱 图像采集与数据处理系统中的关键组成部分一一硬件电路与软件程序设计，为系 统的搭建与功能的实现奠定了重要基础。 1 2 2 常见结构特点 下面就目前主要的几种硬件实现方法做一些初步的比较和评价。 首先，应用较为广泛的系统为f p g a ( 现场可编程门阵列) 结合d s p ( 数字信 号处理器) 。这种系统很好的利用了d s p 快速复杂运算的能力，保证了数据处理 的速度。另一方面利用了f p g a 进行对整个系统时序逻辑的控制，在满足实时性 的同时为图像做了预处理，并将f p g a 作为快速处理器与慢速设备的双向通道， 实现了系统的有序平稳运行b 1 。下图是微光夜视仪系统的电子处理系统图。 图1 - 4 微光夜视仪系统的电子处理系统图 其次，还可以应用m c u ( 微控制器) 与d s p 相结合。在这种系统中，单片机经 常被用作初始化系统或仅完成一些简单的工作。单片机速度比较慢，硬件资源比 较少，因此一般应用于速度较低的情况中。如要实现功能较强的显示、数据输出 功能，系统中还要添加许多其它的辅助硬件，对集成化要求是一个非常主要的缺 点。下图是两路单色c c d 信号的合成器框图拍1 。 4 浙江大学硕上学位论文 1 绪论 图1 5 两路单色c c d 乍言号合成器框图 另外，多d s p 系统也是一个解决这个问题的办法。d s p 具有高速、丰富的硬件 资源及指令系统，多d s p 系统可以利用其中的一个d s p 作为时序逻辑控制器，另外 一个作为图像运算处理器。从功能分析的情况来看，作为图像处理器的d s p 应选 用t i 公司c 6 0 0 0 系列，其高性能、并行多处理器可以满足大量图像数据的采集、 压缩算法。另一方面，考虑至, j c 2 0 0 0 系列的d s p 是专门为多任务控制而设计的，这 一系列的d s p 在系统中是一个较好的选择。下图为一种双光谱探测器的电子处理 系统图 】。 图1 6 一种双光谱探测器的电子处理系统图 1 3 本课题研究内容与目标 1 3 1 研究内容 本课题在对复杂背景下位于日盲波段的深紫外辐射进行研究与分析的基础 上，选择器件，实现深紫外微弱辐射的探测。选择合适的整体电子系统软、硬件 框架，设计一套嵌入式双光谱图像采集与数据处理系统，实现紫外信号与可见光 背景双光谱图像的采集、处理、叠加、显示、存储等功能。 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 2 研究目标 本课题的研究目标如下： 分析日光环境中复杂背景下深紫外辐射的强度与特性，选定可行的紫外探测 器件，实现深紫外辐射的探测； 选择合适的d s p 数字信号处理器及整体系统框架，构建可以在现场使用，具 有小型化、结构紧凑特点的数据图象处理的软硬件组合，实现紫外信号与可 见光背景的双光谱图像采集； 选择比较合适的算法对双光谱图像进行预处理，在兼顾实时性的同时，力求 使信号图像和背景图像比较清晰、自然。在预处理的基础上对图像进行叠加， 以及实现光子计数、改变阈值等菜单功能； 图像经处理后可以由l c d 显示，并且可以通过f p g a 实现屏幕显示菜单； 研究基于s p i 协议的s d 卡数据存储系统的硬件连接，在数据可以传输的基础 上分析f a t l 6 文件系统，实现图像存储、查询与删除功能。 浙江大学硕上学位论文 2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 本章主要包含了两部分内容，其一是探讨了嵌入式双光谱图像采集及数据处 理系统的核心器件一一紫外探测器，通过介绍其工作原理、功能参数与其关键结 构，对该紫外探测器的灵敏度与系统可行性进行了分析，确保系统能够采集到远 距离的微弱深紫外电晕辐射信号。 另一部分简单介绍了整体成像系统框图，以及本文主要基于的d s p + f p g a 便 携式硬件平台结构，图像数据在硬件系统中的流向，其中更详细的描述了该d s p 主芯片在本系统中的优势所在。 2 i 紫外通道图像采集原理与器件功能介绍 2 1 i 紫外探测器工作原理 紫外通道是为了探测并确定电力设备上的放电源位置，捕捉到来自几十米远 距离的紫外辐射。电晕以光和声音的形式辐射能量。以光子( 能量包) 形式存在 的光，通过透镜及滤光片投射在像增强管上。因此，紫外探测器需要非常高的灵 敏度、分辨率以及增益倍数。本系统选择了先进的进口紫外探测器，它由一个两 级m c p 的像增强器和一个微光c c d 组成，中间由光纤耦合传输图像。 首先，紫外探测器的碲化铯光电阴极将探测到的光子转化为光电子，其后利 用微通道板将微弱信号放大上百万倍，通过荧光屏进行可见光输出，而后用一个 标准c c d 读出放大后的光电子，最后读出到电路中进行处理。其主要工作原理是 利用高压产生二次发射电子，逐级放大，如下图所示隅1 ： 浙江大学硕上学位论文 2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 2 粉h v 蛐 m 嘶 图2 1 二代双级m c p 像增强器 2 1 2 紫外探测器灵敏度计算 图2 2m c p 工作原理 t o t h 一 8 啪 该紫外像增强器的灵敏度与可行性分析计算如下： 电晕照度计算： 由一般高压线路的电压1 1o k v ，漏电电量为2 p c s ，辐射源的功率为： p ：三竺u z 2t = o 5 x2 x l o 一1 2x ( 1l o x l 0 3 ) 2 ( 1 ) = 1 2 1 1 0 叫( 矽) 再假设探测者距离发光源为5 0 m ，则探测者接收到的光照度为： e = 言r = 1 2 1 x 1 0 - 2 o 0 5 ( 4 x n x 5 0 2 、( 2 ) 1 9 3 x 1 0 。2 ( t w m 2 ) = 1 9 3 x 1 0 。6 ( j a w c m 2 ) 。 其中t 为大气透过率，0 0 5 眇1 。 则电火花在5 0 米远处的照度为1 9 3 10 “w c m 2 。 8 折大学硕士学位论文2 紫蚪探堪i 怍娘理目系统耻件结构舟目 实验用紫外灯照度计算： 由紫外灯实剥照度图可知“”，在距离为15 c m 远赴发光面大约为4 c 订的紫 外灯照度为12 6 w c m 2 ，则根据照度与距离的平方成反比，可得在5 0 = 远处， 星；r 2 ( 3 】 丘彳 最= 等量= 焉产m 1 1 x 1 0 = 3 ( 1 - w c m z ) 照度约为11 10 。uw c m 2 再由发光面积约为00 2 c = 2 ，可得 墨；曼( 5 ) 毛墨 乓：拿毛：塑业：55 圳。e ( p w c m 2 ) ( 6 ) s4 ” 则被逗住的紫外灯的实际照度约为55 1 0 u w c = 。 s u r f a c e i m s _ p r o r l ee0 t h e s 圉23 紫外灯实测照度圉 紫外量子探剥器灵敏度计算： 紫外量子探测器光电阴极面的喑场光子辐射度，即最小暗噪声强度为 3 光子c m s ，以26 5 n m 的紫外光计算， e = h v = 掣( j ，光子) h = 普朗克常量- 66 2 5 2 1 0 _ 3 1 i s c = 光速= 3o 1 0 8 ( m s ) 2 = 波长( m ) 浙江大学硕士学位论文2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 e ：7 5 0 x 1 0 - 1 9 j 而在该波长处量子探测器光电阴极的量子效率q 约为1 6 ，则 肚半：挈取7 风”。舭 ss 1 4 1 x 1 0 “1 ( 形c m 2 ) 即在该波长处紫外量子探测器灵敏度的极限值约为1 4 1x1 0 叫1 w c m 2 。紫外 阈值即是超出这个暗场辐射度，保证系统的信噪比。通过计算可以看出，该紫外 探测器的灵敏度复合探测微弱电晕辐射的要求。 紫外探测器实测光谱灵敏度曲线如下图表所示似1 ： 图2 4 紫外探测器光谱灵敏度曲线图 表2 1 紫外探测器光谱灵敏度参数表 w a v e l e n g t hs e n s i t i v i t yq u a n t u m ( n m )( m a w ) e f t ( ) 2 0 03 ，0 7 e + 0 11 9 ，0 2 2 0 3 ，5 6 e + 0 12 0 ，1 2 4 03 ，9 9 e + 0 1 2 0 ，6 2 6 0 3 9 2 e + 0 11 8 ，7 2 8 0 3 ，1 6 e + 0 11 4 。0 3 1 1 3 e + 0 1 4 ，7 3 2 0 1 。8 7 e + 0 00 ，7 3 4 0 2 ，5 7 e - 0 10 。1 5 1 4 2 ，3 7 e - 0 20 ，0 6 3 3 1 0 6 e - 0 40 。0 l o 浙江人学硕士学位论文2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 上表中，量子效率可由对应波长上的光谱灵敏度算出： q ( ) = 1 2 4 xs ( m a w ) j l ( n m ) ( 8 ) 其中，s 为光谱灵敏度，入为对应波长。 紫外探测器增益理论计算公式为： g = s e v = 3 9 9 xo 4 3 x 1 0 6 = 1 7 16 x1 0 7 ( 矿形) ( 9 ) 其中，s 为2 4 0 n m 处的光谱灵敏度，e 为荧光屏的效率，v 为在推荐电压下的 双级m c p 的放大倍数。 2 1 3 光纤耦合结构介绍 紫外信号经像增强器放大并转换为可见光图像后，这时可见光图像需要经过 一段光学系统进行传输，才能最终被c c d 接收。在理论上，传输过程可以通过转 接光学系统和光纤耦合这两种方法实现，如下图所示喁1 。 p h o t o c a t h o d e l u m in e s ce n t0 c 咒：m 1 c l 多 l j 二 l ， l l 一 多j r e l 甜o p e c 1 ： f i l ：l e ro p t i c 图2 5 ( a ) 转接光学系统；( b ) 1 ：1 光纤耦合； 为了提高光能的传输效率，兼顾c c d 的像面尺寸， 例光纤耦合方式，其传输效率可达7 0 。 2 2 系统总体布局 = ! = o ” l = =爿 ： ，一 ，一 ， l 皇薹以 ， m in i ? 衍n gf i b e ro p t i ct a p e r ( c ) 变比例光纤耦合 我们选择了2 5 ：8 的变比 整个系统由紫外与可见两条不同的采集通道组成，每个通道都有不同的光学 系统、探测器和数据采集电路。系统的整体布局如下图所示： 浙江大学硕上学位论文 2 紫外探测器工作原理与系统硪! 件结构介绍 图2 6 系统整体布局图 因为要探测的是距离几十米远的微弱紫外信号，所以光学设计的首要目的即 使容许光能最大限度的通过光学系统。而入射到感光器件上的光能与第一个窗口 的孔径大小成正比，因此，可见光与紫外光的第一个共同的孔径必须相对来说较 大。另外，还需要对两个通道的光学系统安装一套共同的调焦装置。分光板将入 射进来的光线分为可见与紫外两个通道，分别被紫外探测器与可见c c d 采集。随 后探测器与c c d 将光学图像转换成电信号，并将他们传输到后续电路进行处理。 2 3 硬件电路总体结构 如下图所示，该电子系统主要由6 个部分组成：d s p ，图像采集，显示，存储、 电源和其他外围设备。可见光图像数据由c m o s 采集送给d s p 视频口1 ，紫外探 测器输出的模拟视频信号经a d 芯片送给d s p 视频口o ，两路图像数据在d s p 内 部经过处理与叠加后，经d a 芯片输出到液晶屏上显示。同时，图片也可以保存 在s d 卡中。电源与升压降压电路保证了系统中各个器件、芯片的正常工作。其 他的外设还包括了s d r a m 、f l a s h 、用于字幕叠加的f p g a 、以及调焦用的m c u 等。 图2 7 双光谱图像采集与数据处理的电子系统框图 1 2 浙江大学硕士学位论文2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 2 4 主芯片与开发板介绍 2 4 1 主芯片介绍 系统选择了t i 公司高性能数字信号处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为核心，其内核 为c 6 4 ，峰值运算能力达4 8 0 0 m i p s ，有三个视频口( v i d e op o r t ) ，每个视频口 都可由软件配置为输入或输出口，且每一口分为两个数据通路，但同属于一口的 两通路必须同时为输入或输出，故实际应用中将v p 0 与v p l 作为输入通路，v f 2 为输出通路。视频口支持8 、1 0 、1 6 、2 0 位，并具有视频滤波功能、水平缩放功 能，且关键在于内部集成5 1 2 0 b 的f i f o ，能够直接与视频转换器件无缝连接， 用户可以编程设置一个f i f o 阈值，当f i f o 内部数据量达到此阈值时( 或在显示 方式下，f i f 0 内部数据量低于此阈值时) ，产生d m a 事件。这与普通c 6 0 0 0 系列 芯片相比，可和通用的视频a d 无缝连接，省掉了传统电路的f p g a 时序控制电路 和缓冲，大大方便了视频应用，这是此款d s p 与其他普通数字信号处理器最大的 不同。同时集成了一个多通道带缓冲音频串行端口( m c a s p ) ，为以后向音频方向 的扩展提供了空间；以及多通道带缓冲串行端口( m c b s f ) ，为数据的存储提供了 方便。v i d e op o r t 功能结构图如下n 。 v c l i v c l k l v c l k 2 v c t l v c n2 v d i l g - - 0 1 0 v d i n ( 1 9 - - 1 0 ) d m 砧整口 采熟，驻示 缓冲器 25 6 0 字节 b t 6 5 4 5 显刁i 通邀 咽 遣邀b l o l 嗍 l 乳i o ) i 坐垒垄! i 图2 8v i d e op o r t 功能结构图 该芯片可实时处理4 路模拟视频和音频输入、1 路模拟数字视频和1 路模 避 i 劂尉e 躲 茸君澍型渊】| 蒌一 浙江人学硕士学位论文2 紫外探测器工作原理与系统硬件结构介绍 拟音频信号输出。适应p a l n t s c 标准复合视频c v b s 或分量视频y c 格式的模 拟信号输入，可适应p a l n t s c 标准s 端子或数字r g b 模拟数字信号输出。可 适应标准麦克风及立体声音频模拟输入及标准立体声音频模拟输出，具有对多路 采集数据进行实时处理与分析的功能。可实现数据和图像叠加显示。而且t i 网 站上也提供了丰富的供使用者开发的软件包，包括常用的图像压缩、解压、滤波 等程序。 该芯片还具有6 4 位外部存储器接口( e m i f ) ，能够与众多型号的异步存储器 ( f l a s h ) 及同步存储器( s d r a m ) 进行无缝连接，最大可寻址外部存储器空间为 1 0 2 4 m b ，并且具有6 4 路独立通道的增强型直接内存访问控制器e d m a ，方便了图 像的自动传输。 c 6 4 系列的d s p 的地址空间为3 2 - b l t s ，内部外部同一编址。如下图所示： 左边为d s p 的地址空间映射，右边为在地址空间上连接的设备。 2 4 2d s p 开发板介绍 图2 9c p u 地址空间映射图 在查阅了大量文献的基础上，本系统最终选择了d s pe v m 多路实时图像处理 平台作为初步的实验系统，也为以后的硬件设计提供了参考。此多路实时图像处 理平台是基于t i 的d s p 芯片设计的评估开发板。板上d s p 的计算能力可达到 4 g i p s ，可以做实时的多路视频采集，实现复杂的音频视频压缩算法。其系统功 能框图如下。 1 4 浙江大学硕士学位论文2 紫外探测器t 作原理与系统硬件结构介绍 图2 1 0d s pe v m 板整体功能框架 d s pe v m 板上的d s p 通过6 4 b i t s 的e m i f 和3 个8 i 6b i t s 宽度的视频口来连 接板上的外设，女g s d r a m ，f l a s h ，f p g a 和u a r t 。另外，e m i f 和视频口也扩展到 子板连接器上，用户可通过子板来扩展应用。d s pe v m 板上的视频编解码器支持 多种视频信号的采集和播放。在d s p 的视频口和视频编码器之间，连接了f p g a 用 于扩展屏幕显示( o s d ) 功能。 1 5 浙江大学硕七学位论文3 町见光通道图像采集c - m o s 电路与驱动程序 3 可见光通道图像采集c m o s 电路与驱动程序 为了实现数字化变焦功能，系统中可见光成像器件放弃了方便简单的模拟视 频输入芯片，选择了美光( m i c r o n ) 公司3 0 0 万像素高分辨率的c m o s 图像传感 器一一m t 9 t 0 0 1 p 1 2 s t c ( 以下简称m t 9 t 0 0 1 ) 。本章主要介绍了该c m o s 芯片与d s p 的接口电路、芯片寄存器配置、i2 c 总线通信、以及d s p 系统中c m o s 驱动程序的 编写方法。 3 1 可见光成像c m o s 芯片介绍 m t 9 t 0 0 1 是一款q x g a 格式1 2 英寸的c m o s 数字图像传感器，分辨率可达2 0 4 8 1 5 3 6 ，通过两线的串行接口进行编程。其优点主要是分辨率高、速度快、成本 低、与d s p 接口简单、且在t i 网站上可以下载到成熟的驱动代码，稍加修改即 可使用。其主要性能参数如下表所示n 2 1 ： 表3 1m t 9 t 0 0 1 主要性能参数 l a r a i 嫒e t 致。r r p 豹：；a lv a l u 0 d t l c a if o r m 3 t 1 2 i n c h ( 4 ：匀 a c t i v ei m a g e rs l z e6 5 f i m m ( h ) x4 。9 2 m m ( v ) 8 1 9 ( d t a g o n a l ) a c t i v ep fx e l s2 ，0 4 8 hx1 。5 3 6 v p z e | s i z e32 u r nx3 ，2 u m c o l o rf i t t e ra r r a y r g bb a y e rp a t t e r n s r j u t t e rt y p e g i o b a lr e s e tr e i e a s e e l e c t r o n l c r o l l l n gs h u t t e ) f e r s ) m a x i m u 1 1d a t ar a t e 4 8m p s 4 8m h z m a s t e rc o c k o x g a p r o g r a m m a b l eu pt o12r p s f r a m e ( 2 。0 4 8x1 5 3 6 ) r a t eu g a p r o g r a m m a b l eu pt o2 0f b s ( 1 。6 0 0 x1 ，2 0 0 ) s x g a p r o g r a m m a b l eu pt o2 7 佑s ( 1 。2 8 0 x1 。0 2 4 ) x g a p r o g ) a m r r e b l eu pt o4 3r d s ( 1 0 2 4x7 6 8 ) v g a ( 6 4 0 x4 8 0 jp r o g r a m m a b l eu pt o9 3 仍s a o cr e s o u t l o r l 1 0 b t t c , n c h i p r e s p o n s l v i 哆 1 0w i u x - s e c ( 5 5 0 nm 1 d y n a m l cr a n g e 6 1 d b s f 、jr m ：c4 3 d b s u p p l yv o l t a g e 3 o 、，一03 。6 v ( 3 ，3 vn o m l n a l ) p o w e rc o n s u m p t i o n 2 4 0 m w ( n o m i n aj ) j 2 5 0 u w ( s t a nd b ，) o p e r a tj n , _ ：lt e m l ：e r a t ur e 0 。c t o + 6 0 。c p a c k a g i n g 4 8 p mp l c c 1 6 浙江大学硕上学位论文 3 可见光通道图像采集c m o s 电路与驱动程序 其功能框图如下图所示n 2 1 ： 一一一一一一一一一一一一一一一1 图3 1m t 9 t 0 0 1 功能框图 其4 8 脚p l c c 封装的管脚定义如下图所示n 2 1 ： t w o w i r e s e r ia i in t e r f a c e c l o c k s y n c s i g n a l s 1 0 b i t d a t a o 凸凸凸凸 图3 2m t 9 t 0 0 1 管脚定义图 3 2 可见光通道图像采集c m o s 与d s p 接口电路 d c m o s 与d s p 可以很容易的通过视频1 ：2 进行连接，如下图所示。这个接口只能 在视频1 ：2 的通道a 上进行连接。没有用到的信号线悬空即可。 l i!l l - l 浙江大学硕士学位论文3 町见光通道图像采集c m o s 电路与驱动程序 s e n s o rd m 6 4 2e v 啊 c l kl n_ 4 8m h z p i x c l k v c l k i n a 【、，p x c l k o 】 l i n ev a u d c a p e n a v p x c t l o d 阻：o 】v p x d p ：0 1 s c l ks c l s d a t as d a t r i g g e r g s h tc t l f r a 豫ev a u d s t r o b ev c l k i n bi v p x c l k l 一 r e s e t+ s y s r e s e t净 c a p e n b v p x c t l l s 了a n d 8 y x x - - r d 【v p x c t l 一 o e v p x d 1 9 ：l o 】 图3 3c m o s 与d s p 接口电路图 c m o s 上的f r a m e v a l i d 信号线不接是因为d s p 没有可以用该信号的输入接口。 但是，因为l i n e v a l i d 信号线上已经有了d s p 需要的信息，故f r a m e v a l i d 信 号线也是不需要的。l i n e v a l i d 信号和f r a m e v a l i d 信号表示的是在数据总线 上一行和一帧的有效像素数据。因为当c a p e n 信号有效时d s p 就可以采集数据， 故视频口和c m o s 的连接中l i n e v a l i d 与c a p e n 信号线相连。 c m o s 与d s p 接口中，t r i g g e r ，s t r o b e 和g s h t c t l 信号线没有用到，可以悬 空。如果在更复杂的设计中，这些信号线可以用来使能快照模式的操作。 图3 4c m o s 电路板原理图 1 8 浙江人学硕士学位论文3 可见光通道图像采集c - m o s 电路与驱动程序 图3 5c m o s 与d s p 接口板1 原理图 图3 6c m o s 与d s p 接口板2 原理图 1 9 3 3c m o s 寄存器概述 图37c m o s 电路板p c b 田 c m o s 传惑器的寄存器通过1 2 c 串行接口进行配置。每个寄存器地址为8 位， 而寄存器数据有16 位。本节仅对裸数据模式下与d s p 的接口进行讨论，其他寄 存器均为复位后的缺省配置。如果需要完整寄存器配置介绍，请参考m i c r o n 公 司有关m t g t 0 0 1 的芯片数据资料。 ( 1 ) 行列像素值 该寄存器控制了c m o s 采集到的图像的行列像素值c m o s 最大采集图像的分 辨率为20 48x153 6 ，最小分辨率为2 2 ，在这两者之间的所有分辨率均可以实 现。在寄存器中设定的值为所需的像素值一1 ，并且必须为奇数。比如，如果想 设定分辨率为6 4ox4 8 0 ，则必须在列与行像素值寄存器中分别设定为6 3 9 ( 6 4 0 1 ) 和4 79 ( 4 8 0 1 ) 。 ( 2 ) 水平垂直问隔 水平垂直间隔寄存器控制的是一行中或两帧问的时间问隔。水平间隔由像素 时钟( p i x c l k ) 确定，垂直问隔由行读出次数确定。 ( 3 ) 曝光时间 曝光时问寄存器确定的是积分行数和曝光时间。像素的积分对间是像素接收 浙江大学硕士学位论文3 可见光通道图像采集c m o s 电路与驱动程序 光能转化为电荷过程所用的时间。具体的曝光时间公式可以参照m i c r o n 公司 m t g t 0 0 1 芯片数据资料。 ( 4 ) 像素时钟控制 像素时钟控制寄存器确定的是像素时钟( f i x c l k ) 的输出，包括了以下三个 部分：反转时钟，偏移时钟和细分时钟。在本文中与d s p 的接口需设定的是反转 时钟方式。l i n e v a l i d ，f r a m e ，f r a m e v a l i d 和d o u t 【9 ：0 】几根信号线都与p i x c l k 的输出是同步的。其寄存器决定了以上的信号线与f i x c