專利名稱：現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光電成像跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，涉及現(xiàn)場可編程邏輯陣列的 實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置。
技術(shù)背景在空間激光通信系統(tǒng)中，通信雙方的信標激光需要首先將對方方位捕獲， 然后精確對準對方光端機，再使用通信激光進行通信，并且在通信的過程中始終保持信標光向?qū)Ψ降木_對準。這個過程即稱為捕獲(Acquisition)、對 準(Pointing)、跟蹤(Tracking)，簡稱APT。(參考文獻《自由空間光 通信ATP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究》，作者邵兵等，刊物《壓電與聲光》)。圖1是APT裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由粗跟蹤相機單元ll、精跟蹤相機單元 12、圖像處理設(shè)備單元13，兩軸伺服轉(zhuǎn)臺單元14構(gòu)成。粗跟蹤相機單元11將圖像輸出給圖像處理設(shè)備單元13。圖像處理設(shè)備單 元13實際上是計算光斑質(zhì)心的裝置，其為工控計算機(PC機)、嵌入式微 小計算機(PC104機)、ARM嵌入式圖像處理系統(tǒng)或DSP嵌入式圖像處理系 統(tǒng)。其中，DSP嵌入式圖像處理系統(tǒng)是相對而言各項性能指標較為理想的一 種圖像處理裝置。圖2是APT裝置的DSP嵌入式圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 由圖像輸入單元21、數(shù)字信號處理器(DSP)單元22、 DSP輔助器件單元23、 圖像輸出單元24和質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25組成。(參考文獻博士論文《嵌 入式彩色電視跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)》，作者顧海軍，中國學術(shù)期刊(光盤 版)電子雜志社)但是，數(shù)字信號處理器(DSP)單元22與圖像處理設(shè)備單元 13的其它裝置一樣，存在著運算度低、體積大、功耗高、器件數(shù)量眾多等問 題。發(fā)明內(nèi)容為了克服APT裝置的DSP嵌入式圖像處理系統(tǒng)存在運算速度低、體積大、 功耗高、器件數(shù)量眾多等問題，本實用新型提供一種基于現(xiàn)場可編程邏輯陣 列的實時計算光斑質(zhì)心的檢測裝置。根據(jù)現(xiàn)場可編程邏輯陣列的制造原理可知，該圖像處理計算方式是基于 純硬件數(shù)字電路基礎(chǔ)上的，所以具有實時高速、體積小、功耗低、多線程等 優(yōu)點。如圖3所示，本實用新型的基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì) 心檢測裝置的組成有圖像輸入單元21，圖像輸出單元24、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25，還有現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31、現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元32; 所述的現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31分別與圖像輸入單元21，圖像輸出單元 24、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25，現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元32連接。使用時，本實用新型的一種基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì) 心檢測裝置與APT裝置的粗跟蹤相機單元11、精跟蹤相機單元12和兩軸伺 服轉(zhuǎn)臺單元14連接；本實用新型的一種基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝 置的動態(tài)工作過程如下由粗跟蹤相機單元11或精跟蹤相機單元12傳送出 的數(shù)字圖像信號，經(jīng)過圖像輸入單元21轉(zhuǎn)換成并行數(shù)字信號后進入現(xiàn)場可編 程邏輯陣列單元31中進行處理。使用硬件描述語言(VHDL、 Verylog、 AHDL 皆可)編制軟件，并將該軟件編譯后下載至現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31中， 該軟件完成如下技術(shù)功能a) 改變輸入信號的時序，存入FIFO中緩沖；b) 對輸入的數(shù)字圖像進行初始化處理，去除無用信號，提高信躁比，獲得 更易識別的光斑圖像；c) 對所有像素灰度進行判別，識別光斑所占像素，獲得光斑形狀信息-,d) 對光斑所占像元進行解算，獲得質(zhì)心坐標數(shù)據(jù)；e) 將質(zhì)心坐標數(shù)據(jù)通過質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25傳送給兩軸伺服轉(zhuǎn)臺14;f) 適當選擇某些連續(xù)圖像通過圖象輸出單元24輸出給其它設(shè)備，其它監(jiān) 視設(shè)備可以為VGA顯示器、PAL/NTSC監(jiān)視器，用來進行人工監(jiān)視及其它用 途處理。進入現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31的數(shù)字圖像是需要實時處理的圖像信 息，對該數(shù)字圖像進行簡化抽幀處理后可以通過圖像輸出單元24傳送給其它 監(jiān)視設(shè)備，圖像輸出單元24可以為CameraLink接口方式、VGA接口方式、 LVDS差分輸出、1394接口方式、USB接口方式、串行輸出方式、LVTTL并 行輸出方式、PAL制式或NTSC制式。其它監(jiān)視設(shè)備可以為VGA顯示器、 PAL/NTSC監(jiān)視器，用來進行人工監(jiān)視及其它用途處理。輸出方式可選擇數(shù)字 信號輸出或模擬信號輸出。由現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31解算出光斑質(zhì)心后，質(zhì)心數(shù)據(jù)通過質(zhì)心數(shù) 據(jù)輸出單元25輸出給兩軸伺服轉(zhuǎn)臺單元14。質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25可以為 RS485串行方式、RS232串行方式、LVDS差分輸出方式或LVTTL輸出方式 無論采用何種方式輸出質(zhì)心數(shù)據(jù)，都要滿足輸入圖像幀頻要求，嚴格做到每 來到一幅圖像則輸出一組質(zhì)心數(shù)據(jù)。本實用新型有益的效果本實用新型由于采用了純硬件的數(shù)字電路方式來進行數(shù)字圖像處理，具有多線程、高集成度等特點。本裝置的現(xiàn)場可編程 邏輯陣列器件能夠在幾十個納秒內(nèi)解算出一幅圖像的光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)，所以使得APT系統(tǒng)的瓶頸帶寬限制由圖像處理設(shè)備轉(zhuǎn)移到了光電成像設(shè)備即CCD 相機或CMOS相機，從而大大提高了 APT系統(tǒng)的整體帶寬。本實用新型具有速度快、體積小、功耗低、器件數(shù)量少等優(yōu)點，提高系 統(tǒng)可靠性，降低了成本。計算速度由原實用新型的DSP嵌入式圖像處理系統(tǒng) 的每秒500幅 2000幅圖像提高到每秒3000 10000000幅圖像；設(shè)備體積由 原來的 200mmx300mmx30mm 300mmx500mmx800mm 減小到 150mmxl50mmx30mm;功耗由原來的0.8w 2.0w下降到0.5w;器件數(shù)量由 原來的20個 30個減少到15個。


圖1是APT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是DSP嵌入式圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實用新型一種基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5軟件示意圖。
具體實施方式
實施例l如圖3所示，本實用新型的基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì) 心檢測裝置的組成有圖像輸入單元21，圖像輸出單元24、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元 25，還有現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31、現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元32; 所述的現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31分別與圖像輸入單元21，圖像輸出單元 24、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25，現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元32連接。使用時，本實用新型的一種基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì) 心檢測裝置與APT裝置的粗跟蹤相機單元11、精跟蹤相機單元12和兩軸伺 服轉(zhuǎn)臺單元14連接。圖4所示的裝置，是如圖3所示的本實用新型的基于現(xiàn)場可編程邏輯陣 列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置的具體實施方案之一1)現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31，使用硬件描述語言(VHDL、 Verylog 或AHDL皆可)編制軟件，并將該軟件編譯后下載至現(xiàn)場可編程邏輯陣列單 元31中。如圖5所示，與軟件對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)成為時鐘管理模塊51、 圖像接口模塊52、自適應(yīng)閥值模塊53、 3x3窗口模塊54、行列計數(shù)器模塊55、 光斑判斷模塊56、質(zhì)心計算模塊57、 VGA顯示模塊58和脫靶量輸出模塊59;所述的時鐘管理模塊51與VGA顯示模塊58連接；圖像接口模塊52與 時鐘管理模塊51、自適應(yīng)閥值模塊53、 3x3窗口模塊54、行列計數(shù)器模塊55 和VGA顯示模塊58分別連接；光斑判斷模塊56與自適應(yīng)闊值模塊53、 3><3 窗口模塊54和質(zhì)心計算模塊57分別連接；質(zhì)心計算模塊57還與行列計數(shù)器 模塊55和脫靶量輸出模塊59分別連接；VGA顯示模塊58與圖像輸出單元 24連接；脫靶量輸出模塊59還與質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25連接；所述的圖像接 口模塊52還與圖像輸入單元21的DS90CR287單元43、 DS90LV048單元44 和DS90LV0475單元45連接；(1) 時鐘管理模塊51:負責將現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元32的 晶振單元41輸入的基準時鐘進行處理，并把倍頻及分頻后的信號傳送給其它模塊作基準驅(qū)動時鐘。(2) 圖像接口模塊52:能夠?qū)⑤斎氲膱D像并行數(shù)據(jù)處理，并從中提取處 場有效、行有效、像素有效等信號，將圖像數(shù)據(jù)分別送給后續(xù)處理模塊。(3) 自適應(yīng)閥值模塊53:能夠?qū)⑸弦粓鰣D像的像素灰度進行平均值計算，從而獲得本場圖像像素的比較灰度值。(4) 3x3窗口模塊54:對圖像像素進行中值濾波處理，這樣能夠?qū)D像 中的噪聲像素去掉，從而獲得更易識別的圖像信息。(5) 行列計數(shù)器模塊55:為質(zhì)心計算模塊提供某一個像素的位置信息， 即對像素的所在行數(shù)和列數(shù)進行計數(shù)，并提供給質(zhì)心計算模塊。(6) 光斑判斷模塊56:從自適應(yīng)閥值模塊獲得比較用灰度值后將該值與 本場圖像的所有像素進行比較，從而確定該場圖像哪些像素是包含光斑信息 的像素。(7) 質(zhì)心計算模塊57:使用包含光斑信息的像素數(shù)據(jù)計算，并根據(jù)下式 計算光斑質(zhì)心.-<formula>formula see original document page 7</formula>其中，r是像素比較的闊值，q.是光斑所占像元的灰度級值，3f和y分別為光斑質(zhì)心的行列值(也就是位置坐標)。(8) VGA顯示模塊58:將圖像使用并行數(shù)據(jù)格式傳送給AL250單元24。(9)脫靶量輸出模塊59:由質(zhì)心計算模塊傳送來的數(shù)據(jù)與圖像中心坐標進行比較，從而得出質(zhì)心距離中心的距離即脫靶量數(shù)據(jù)，將此脫靶量數(shù)據(jù)通過UART串行方式傳送給質(zhì)心輸出單元25。2) 如圖4所示，現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元32是由晶振單元41、 EPC2單元42共同組成；晶振單元41:負責將現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31 提供基準時鐘；EPC2單元42:是一種EEPROM存儲器，在整個系統(tǒng)上電后， 能夠?qū)⑵鋬?nèi)保存的現(xiàn)場可編程邏輯陣列的程序自動傳送給現(xiàn)場可編程邏輯陣 列單元31。3) 如圖4所示，圖像輸入單元21是由DS90CR287單元43、 DS90LV048單元 44、 DS90LV047單元45共同組成；圖像輸入單元21的DS90CR287單元43為芯 片DS90CR288:是一種Camera Link傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換器件，能夠?qū)⒎螩amera Link傳輸方式的LVDS電平形式轉(zhuǎn)換成28路LVTTL電平形式的并行數(shù)據(jù)；圖像 輸入單元21的DS90LV048單元44為芯片DS90LV048:是一種Camera Link傳輸 協(xié)議轉(zhuǎn)換器件，能夠?qū)⒎螩amera Link傳輸方式的LVDS電平形式轉(zhuǎn)換成4路 LVTTL電平形式的并行數(shù)據(jù)；圖像輸入單元21的DS90LV047單元45為芯片 DS90LV047:是一種Camera Link傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換器件，能夠?qū)?路LVTTL電平形 式的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合CameraLink傳輸方式的LVDS電平形式。4) 圖像輸出單元24為芯片AL250:能夠?qū)⒖删幊踢壿嬯嚵袉卧?1輸 出的并行圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合VGA格式的圖像數(shù)據(jù)，即可直接連接其它VGA 圖像顯示設(shè)備。5) 質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元25為芯片MAX485:能夠?qū)卧?1輸出的串行 脫靶量數(shù)據(jù)由LVTTL轉(zhuǎn)換成符合RS485傳輸協(xié)議的器件，即將脫靶量數(shù)據(jù)串 行輸出給兩軸伺服轉(zhuǎn)臺單元14。需要說明的是，所述的圖像輸入單元21除了該優(yōu)選實例所提出的Camera Link接口方式是外還可以為VGA接口方式、LVDS差分輸出、1394接口方式、 USB接口方式、串行輸出方式、LVTTL并行輸出方式、PAL制式或NTSC制 式；現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元31是現(xiàn)有的商品；圖像輸出單元24除了該優(yōu) 選實例所提出的VGA方式外還可以為Camera Link接口方式、LVDS差分輸 出、1394接口方式、USB接口方式、串行輸出方式、LVTTL并行輸出方式、 PAL制式或NTSC制式；質(zhì)心輸出單元25除了該優(yōu)選實例所提出的RS485 串行方式外還可以為RS232串行方式、LVDS差分輸出方式或LVTTL輸出方 式，無論采用何種方式輸出質(zhì)心數(shù)據(jù)，都要滿足輸入圖像幀頻要求，嚴格做 到每來到一幅圖像則輸出一組質(zhì)心數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1. 現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置，該裝置的組成有圖像輸入單元(21)，圖像輸出單元(24)、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元(25)，其特征在于，還有現(xiàn)場可編程邏輯陣列(31)、現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元(32)；所述的現(xiàn)場可編程邏輯陣列(31)分別與圖像輸入單元(21)，圖像輸出單元(24)、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元(25)，現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元(32)連接；所述的現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置與APT裝置的粗跟蹤相機單元(11)、精跟蹤相機單元(12)和兩軸伺服轉(zhuǎn)臺單元(14)連接；由粗跟蹤相機單元(11)或精跟蹤相機單元(12)傳送出的數(shù)字圖像信號，經(jīng)過圖像輸入單元(21)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)字信號后進入現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元(31)中進行處理；進入現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元(31)的數(shù)字圖像是需要實時處理的圖像信息，對該數(shù)字圖像進行簡化抽幀處理后通過圖像輸出單元(24)傳送給其它監(jiān)視設(shè)備；圖像輸出單元(24)為Camera Link接口方式、VGA接口方式、LVDS差分輸出方式、1394接口方式、USB接口方式、串行輸出接口方式、LVTTL并行輸出方式、PAL制式或NTSC制式；所述的其它監(jiān)視設(shè)備為VGA顯示器、PAL/NTSC監(jiān)視器，輸出方式選擇數(shù)字信號輸出或模擬信號輸出；由現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元(31)結(jié)算出光斑質(zhì)心后，質(zhì)心數(shù)據(jù)通過質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元(25)輸出給兩軸伺服轉(zhuǎn)臺單元(14)；質(zhì)心輸出單元(25)為RS485串行方式、RS232串行方式、LVDS差分輸出方式或LVTTL輸出方式。
2、 如權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝 置，其特征在于，所述的1)現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元(31)，存儲有軟件，與該軟件對應(yīng)的結(jié)構(gòu) 單元的構(gòu)成為時鐘管理模塊(51)、圖像接口模塊(52)、自適應(yīng)閥值模塊 (53)、 3x3窗口模塊(54)、行列計數(shù)器模塊(55)、光斑判斷模塊(56)、質(zhì) 心計算模塊(57)、 VGA顯示模塊(58)和脫靶量輸出模塊(59);所述的時鐘管理模塊(51)與VGA顯示模塊(58)連接；圖像接口模 塊(52)與時鐘管理模塊(51)、自適應(yīng)閥值模塊(53)、 3x3窗口模塊(54)、行列計數(shù)器模塊(55)和VGA顯示模塊(58)分別連接；光斑判斷模塊(56) 與自適應(yīng)閥值模塊(53)、 3x3窗口模塊(54)和質(zhì)心計算模塊(57)分別連 接；質(zhì)心計算模塊(57)還與行列計數(shù)器模塊(55)和脫靶量輸出模塊(59) 分別連接；VGA顯示模塊(58)與圖像輸出單元(24)連接；脫耙量輸出模 塊(59)還與質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元(25)連接；所述的圖像接口模塊(52)還 與圖像輸入單元(21)的DS90CR287單元(43)、 DS90LV048單元(44)和 DS90LV047單元(45)連接；2)現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元(32)是由晶振單元(41)、 EPC2 單元(42)共同組成；其中，晶振單元(41):負責將現(xiàn)場可編程邏輯陣列單 元(31)提供基準時鐘；EPC2單元(42):是一種EEPROM存儲器，在整個 系統(tǒng)上電后，能夠?qū)⑵鋬?nèi)保存的現(xiàn)場可編程邏輯陣列的程序自動傳送給現(xiàn)場 可編程邏輯陣列單元(31);3) 圖像輸入單元(21)是由DS90CR287單元(43) 、 DS90LV048單元(44)、 DS90LV047單元(45)共同組成；其中，圖像輸入單元(21)的DS90CR287 單元(43)為芯片DS90CR287;圖像輸入單元(21)的DS90LV048單元(44) 為芯片DS90LV048;圖像輸入單元(21)的DS90LV047單元(45)為芯片 DS90LV047;4) 圖像輸出單元(24)為芯片AL250:能夠?qū)F(xiàn)場可編程邏輯陣列單元 (31)輸出的并行圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合VGA格式的圖像數(shù)據(jù)，即可直接連接其它VGA圖像顯示設(shè)備；5) 質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元(25)為芯片MAX485:能夠?qū)F(xiàn)場可編程邏輯陣 列單元(31)輸出的串行脫耙量數(shù)據(jù)由LVTTL轉(zhuǎn)換成符合RS485傳輸協(xié)議的 器件，即將脫靶量數(shù)據(jù)串行輸出給兩軸伺服轉(zhuǎn)臺單元(14)。
3、如權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝 置，其特征在于，所述的圖像輸入單元(21)的接口方式為VGA接口方式、 LVDS差分輸出接口方式、1394接口方式、USB接口方式、串行輸出方式、 LVTTL并行輸出方式、PAL制式或NTSC制式；所述的圖像輸出單元(24)的接口方式為Camera Link接口方式、LVDS 差分輸出接口方式、1394接口方式、USB接口方式、串行輸出方式、LVTTL 并行輸出方式、PAL制式或NTSC制式；所述的質(zhì)心輸出單元(25)的輸出方式為RS232串行輸出方式、LVDS 差分輸出方式或LVTTL輸出方式。
專利摘要本實用新型屬于光電成像跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，涉及現(xiàn)場可編程邏輯陣列的實時計算光斑質(zhì)心檢測裝置。該裝置的組成有圖像輸入單元(21)，圖像輸出單元(24)、質(zhì)心數(shù)據(jù)輸出單元(25)，還有現(xiàn)場可編程邏輯陣列單元(31)、現(xiàn)場可編程邏輯陣列輔助器件單元(32)；本裝置能夠在幾十個納秒內(nèi)解算出一幅圖像的光斑質(zhì)心數(shù)據(jù)，所以使得APT系統(tǒng)的瓶頸帶寬限制由圖像處理設(shè)備轉(zhuǎn)移到了光電成像設(shè)備即CCD相機或CMOS相機，從而大大提高了APT系統(tǒng)的整體帶寬。計算速度由現(xiàn)有的DSP嵌入式圖像處理系統(tǒng)的每秒500幅～2000幅圖像提高到每秒3000幅～10000000幅圖像；設(shè)備體積由原來的200mm×300mm×30mm～300mm×500mm×800mm減小到150mm×150mm×30mm；功耗由原來的0.8w～2.0w下降到0.5w；器件數(shù)量由原來的20個～30個減少到15個。
文檔編號G01S17/66GK201096890SQ20072009400
公開日2008年8月6日 申請日期2007年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月4日
發(fā)明者佟首峰, 鵬 劉, 劉云清, 王世峰, 陳劍鋒, 齊宇嵐 申請人:長春理工大學