CN102231794A - 多路usb采集ccd相机数据的设备 - Google Patents
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Abstract
四路USB采集CCD相机数据的设备：采用四路USBCCD相机，相机设有四个USB2.0通讯芯片及四个独立的USB接口，特征是，设有控制四路USB相机的PC机，PC机设有四个独立的USB接口；CCD相机的四个独立的USB接口与PC机的四个USB口通过USB线一对一连接。CCD芯片上的景物通过USB接口输入到计算机进行储存。通过重复扫描和软件将四片CCD的图像合并成一幅图像：计算机将四路CCD数字量进行排序，将四路CCD数字量分成四个象限，每个象限显示四个通道，再由四个象限组合成一副完整的图像进行显示或者保存。本发明传输速度明显提升：图像为32MB时只需2秒，实时性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集设备，具体涉及一种多路USB采集CCD相机数据的的设备装置，用于对天文观测仪器科学级CCD相机，采用多个USB对CCD的图像数据进行采集。
背景技术
天文观测的对象是非常暗弱的天体，对所用CCD要求比较高，天文观测上使用的CCD探测器代表了CCD应用领域的最高水平（高灵敏度和大视场）。对于高速科学CCD***而言，最重要的是CCD信号的高速读出、存储及处理。近年来，随着大规模、超大规模集成电路工艺的发展，CCD研制水平和CCD芯片的成品率不断提高，CCD相机正向大靶面、高帧频方向发展。CCD相机的接口技术正在从通用接口向专业接口，低速接口向高速接口超高速接口方向发展。面阵CCD的像元数最高已达 10Kx10K，像元尺寸己做到7um以下，为了获得更大靶面，CCD的拼接技术也被采用。在天文观测、空间目标识别上，特别是对于快速运动的目标，需要对其连续曝光，这时CCD相机的传输速度显得格外重要。分析现有技术的CCD相机发现，目前的CCD数据采集***与计算机通讯接口一般是基于PCI总线，Camera link，USB2.0总线，IEEE1394b或者RS232串行总线。其中USB2.0总线使用最广泛，许多科学级CCD制造商都采用USB2.0通讯协议，且都是单通道的传输数据。如Apogee公司Alta U6 和Andor Newton EMCCD ，这些相机的传输速率大都在20MB/s，相机的通讯距离大约10米。对于天文或者航天相机的超大靶面或者是拼接的CCD 来说，传输速度显得低，图像传输时间长，不能满足尖端的科学级相机实时性的需要。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种多路USB采集CCD相机数据的设备。本发明通过多路USB采集科学级CCD相机图像的设备和方法，可有效解决超大靶面、拼接CCD相机的超大数据量，数据快速传输的问题，对于小靶面的科学级相机来说其实时性也会有很大提高。能够满足天文或者航天相机的实时性需要。
完成上述发明任务的方案是：一种多路USB采集CCD相机数据的设备，所述的CCD相机采用四路USB CCD相机，该相机内部电路板上设有四个USB2.0通讯芯片，及四个独立的USB接口，其特征在于，本设备中设有控制四路USB相机的PC机，该台PC机设有四个独立的USB接口；所述CCD相机的四个独立的USB接口与所述PC机的四个USB口通过USB线一对一的连接。
换言之，所述用四路USB CCD相机的电路板上设有USB控制器、A/D转换器，CPLD，锁存器，以及CCD芯片，四路USB采集的相机有四个KAF4320CCD芯片，这四个KAF4320芯片是被安装在了一个相机里面。每个KAF4320CCD芯片对应一路USB 进行数据传输，而KAF4320CCD芯片其本身有为四通道读出，所以可以理解为四路USB KAF4320的CCD相机为16通道读出。从最后给出的fits图中看出其有16个方格，即为16个通道读出的不同的数据。
上述设备的使用方法是：多路USB采集CCD相机数据的方法，其步骤如下：
⑴．在与CCD相机连接的计算机操作***上用记事本软件编写安装USB设备所需的设备信息文件（INF）；包括：四个USB2.0控制器的设备号，四个USB2.0控制器设备的设备名称，使得计算机操作***能识别到USB上的设备；
⑵．Cypress为CY68013A USB通讯芯片提供了一个软件开发包ez_usb_fx2lp_development，方便起见可以将开发包提供的inf文件中的[Cypress]选项VID和PID做相应的修改；
⑶．安装驱动程序：在CCD相机USB的各个设备上安装步骤⑴所编写的inf文件，将驱动指定到自己编写的inf文件中；
⑷．对USB2.0控制器进行编程，生成IIC文件（可被烧写到外部EEPROM元件中去），使其能够接收从计算机发来的命令，并按照要求向计算机返回数据，以及计算机接收到数据后对数据的处理；
⑸．编写PC机与CCD相机连接的计算机的四路CCD图像采集程序；
⑹．数据处理：PC机与CCD相机连接的计算机将四路CCD 数字量进行排序，将四路CCD 数字量分成四个象限，再由四个象限组合成一副完整的图像进行显示或者保存等操作。
控制一台四路USB相机主需要一台PC机，只要这台PC机有四个独立的USB接口。
四路USB CCD相机是一个相机，其内部电路板上有四个USB2.0通讯芯片，四个独立的USB接口，四个接口与PC机的四个USB口通过USB线一对一的连接。电路板上除了USB控制器，A/D转换，CPLD，锁存器等元件外还有CCD芯片，四路USB采集的相机有四个KAF4320CCD芯片，这四个KAF4320芯片是被安装在了一个相机里面。每个KAF4320CCD芯片对应一路USB 进行数据传输，而KAF4320CCD芯片其本身有为四通道读出，所以可以理解为四路USB KAF4320的CCD相机为16通道读出。从最后给出的fits图中看出其有16个方格，即为16个通道读出的不同的数据。
为了提高USB2.0科学级CCD的传输速度，本发明采用四路USB同时传输这一方法，给每一个USB设备定义一个专门的设备号，编写设备的驱动和相应的采集程序，使其四路USB可以同时采集。
采用四路USB 同时传输的相机传输速度比单路的相机成倍的提高，并且完全支持USB2.0协议，安装十分方便，满足科学级CCD相机实时性的要求。目前国内外还没有出现采用多路USB通讯的CCD 相机，此项技术尚属首创。
USB2.0通讯芯片采用CY7C68013A芯片，它带有51核，既负责接收高速CCD相机传来的图像数据，又和上位机通讯，接收上位机发来的指令，控制相机在不同模式下的运行动作。CY7C68013A的GPIF引擎具有自动传输数据结构的特性，这种特性使的***设备和主机通过CY7C68013A可以无缝的高速数据传输。拼接4个CCD芯片就需要有4个CY7C68013A，他们各自有自己的地址和一整套命令***，这是整个***的关键，主机对4个CCD芯片中的一个进行采集时先要发出要采集相机的地址，计算机的USB口检测到相应的地址后，启动对应的CY7C68013A传输程序向主机传输，4个CY7C68013A可以同时传输数据，提高传输速度。开发编程时可以用ez_usb_fx2lp_development开发包，里面的软件可以进行方便的测试，编程，加快开发的进度。
四路USB的数据采集具体的实现方法是：
1.1编写四个USB2.0控制器的设备号，其驱动程序，使得计算机操作***能识别到USB上不同的设备。
编写inf驱动程序。每一个CY7C68013A都有固定的vendor ID和product ID,VID是识别设备的厂家型号，PID是用户自己定义的产品型号可供用户修改。编写INF文件，将开发包提供的inf文件中的[Cypress]选项VID和PID做相应的修改。例如改为%VID_0405&PID_1012.DeviceDesc%=CyUsb, USB\VID_0405&PID_1012。这样VID为0405，PID为1012。.并在[Strings]识别字符里定义驱动的名称。如规定为VID_0405&PID_1012.DeviceDesc="Cypress EZ-USB Example 4320 Device-1"，如果PC机发现此设备，会将其命名为Cypress EZ-USB Example 4320 Device-1。
安装驱动程序。给第1个CY7C68013A芯片加电，PC会提示发现新的硬件。
将驱动指定到自己编写的inf文件中，下一步直到安装完成。
安装完成后，用ez_usb_fx2lp_development开发包所带的Console软件查看，发现Device Name为EZ-USB，Name in Windows Device Mgr(from.inf)为Cypress EZ-USB Example 4320 Devive-1。下面的VendorID 为0x0405，ProductID 为0x1012。说明安装正确。
1.2对USB2.0控制器进行编程，使其能够接收从计算机发来的命令，并按照要求向计算机返回数据，以及计算机接收到数据后对数据的处理。
编写传输控制程序。在KEIL下编写控制和传输程序，采用GPIF波形编程，BULK传输方式传输数据。在开发包所给的例子程序中有进行Bulk传输的程序可供参考。在开发包dscr.a51文件DeviceDscr下设置设备的VID (dw 00504H)和PID (dw 1210H),VID和PID必须和inf中设置的VID和PID一致。在程序编写完成后生成HEX文件。
生成IIC文件。在KEIL 软件下编译生成HEX文件，然后通过Hex2bix -i -f 0xC2 -o usb_mcu.iic usb_mcu.hex将keil所生成的hex文件转换为可烧写到EEPROM里去的IIC文件。
下载IIC文件。用开发包的Console软件，选择EZ-USB Interface下的Lg EEPROM下载生成的IIC文件。
第1个CY7C68013A的驱动及程序即下载完成。
其他3路CY7C68013A的驱动和程序下载过程与第1路类似，但是其VID和PID必须设置成不同。
例如配置成：
第2个CY7C68013A：VID (0x0405) PID(0x1013)。
第3个CY7C68013A：VID (0x0405) PID(0x1014)。
第4个CY7C68013A：VID (0x0405) PID(0x1015)。
四个驱动和程序下载好后就可以编写采集软件，对这四路USB进行同时采集了。
1.3编写PC机的四路CCD图像采集程序：
在Visual C++2008软件下编写USB图像采集程序。采用MFC应用程序创建单文档窗口。在单文档窗口中调用edit，botton,radio，picture control等控件实现采集CCD图像的功能。具体方法是用edit设置曝光时间，用botton开始采集CCD图像，用Radio选择采集模式（分为：正常曝光，采集Bias ，采集暗流三种）和采集速度（分为：500K采样速度，1M采样速度,2M采样速度，4M采样速度四种）用picture control 控件显示CCD图像，及用Slider Control 实现图像的灰度和亮度调节等等功能。
程序启动时先加载***头文件，库文件。
程序启动后相机是在默认的***的待机状态下。当用户选择“采集图像”按钮后程序会调用CYAPI.h文件中的CCyUSBDevice类，检测当前的正在工作的USB口的PID VID,如果PID VID 和烧写到CY68013A中的PID VID一致，说明ＰＣ机已经发现了用户定义的USB2.0设备，反之则说明用户定义的USB2.0设备没有被PC机识别到。当识别到四个不同的VID PID 后ＰＣ机执行用户设置的一些CCD的参数。执行这些参数是通过PC 机向 CY68013发送命令的形式实现的。在KEIL下编写CY69013的程序时规定了相机的15种命令。（见图2）
CCD相机的采集模式有正常曝光，采集Bias ，采集暗流三种。正常曝光采集时先打开快门再延迟用户所设置的积分时间，入射光在设置的时间内通过光路照射CCD芯片产生感应电荷，再关闭快门，然后再发出采集图像数据的命令接收数据。采集bias是零积分的操作，即不用打开和关闭快门，直接发出采集图像数据的命令接收数据，bias采集的是CCD相机的本底，是CCD的固有属性，与温度和时间无关。暗流（dark）是有延迟积分时间，但是没有快门的动作，反映的是相机的热噪声，它随温度的升高而加剧，也和积分时间有关。三种采样模式的流程图见图3：
确定了采集模式后接下来就是向CY68013发送命令，并接收其上传的CCD 图像数据，三种采集模式的采集命令是相同的，发送采集命令流程图见图4：
接收数据调用了Cyapi文件CCyUSBEndPoint类中XferData函数，同步读取数据，XferData(rxbuf+k, len_read);len_read为每次传送的数据个数，k为整个一帧图像的数据个数，设定K之后采用循环多次执行，直到K达到预置的值，一帧数据传送完毕。
以上讲的是单路USB数据的接收方法，对于多通道USB数据的发送和接收则需要多线程的操作。
四路ＵＳＢ 数据的采集时采用了四个线程的方法，四路USB采集时同时开放四个采集进程，每个进程对应一路USB，而在每一个进程中又判断CY7C68013的VID和PID，对其发送了0XB2(复位外部),0XB7（开始采集）, 0XB3（收数使能），0XB5（停止采集）,0XB4( 停止收数)等一系列的命令。
四路USB多线程采集程序流程图见图5：
当四路USB的图像都接收完之后还需要做进一步的数据处理，将所受到的一维数据排序成可供显示和保存的二维数据。（二维数据其中一维表示行，另一维表示列）如KAF4320CCD的图片，行为1046，列为1050。
保存图片：获得二维数据后可以将其保存成天文上专用的fits 格式的文件，调用通用的fitsio.h文件编写
四路KAF4320的数据量是USB 的数据量是单路的4倍，保存的参数为file_save_short(const char *filename, unsigned short data[4184][4200])，其中filename表示文件名，data为处理过的二维数组。
程序处理完这一系列的数据后得到一幅16通道的二维图像。见图6
本发明采用四路USB传输的相机传输速度明显得到了提升。采用单路USB传输时如果采集的图像大小为32MB,大约要6秒钟的时间，而采用四路USB传输的相机只需要2秒钟时间，相机的实时性有了很大的提高。
附图说明
图1为68013与CY7C4285V结构连接图；
图2为命令格式对照表；
图3为三种采样模式流程图；
图4 为发送采集命令流程图；
图5 为四路USB多线程采集程序流程图；
图6 为四路USB采集的16通道的图像。
具体实施方式
实施例1，多路USB采集CCD相机数据的方法及其设备，参照图1~图3：
本发明所采用的CCD 芯片是KAF4320,它是四通道的单色高灵敏度芯片。在USB 通讯上采用上述所说的CY7C68013进行四路USB采集，每一路采集一个KAF4320CCD芯片的图像，实际上一幅完整的图像就是4x4 为16个象限的图像。
Cypress公司USB控制器FX2系列的CY7C68013与外设有两种接口方式：可编程接口GPIF和Slave FIFOs。本发明所用的是主机方式即可编程控制接口(GPIF)。CCD产生的图像信号经过外置放大器放大后交给AD9824，AD9824的数据经过数据缓存器74LCX574后进FIFO(CY7C4285V) (由CPLD控制其时序)。68013 做为主机，通过编程GPIF波形读写外部FIFO的数据。68013的GPIF功能可以与FIFO无缝连接，采用这种方案不仅传输速度快，而且易于编程。68013与CY7C4285V结构连接关系如图1。
GPIF是端点FIFO的内部控制器。在这种方式下，接口内核可产生6个控制输出端(CTLO～CTL5)同时可以接收6个外部输入(RDY0～RDY5)，可以很方便的进行编程。CY7C68013 开发工具中带有一个GPIFDesigner，编辑自己需要waveform 后，选择Tools->Export to GPIF.c File 来输出GPIF.c 文件，然后将该文件加入keil c 工程和其他文件一起进行编译。
CY7C68013除了负责高速CCD图像数据的采集，同时也负责和上位机之间的命令通讯。主机可以通过CY7C68013向CCD发出工作状态切换、温度采集、快门动作等等一系列的指令。首先，CY7C68013要先接收到主机从USB口发出来的命令代码，然后根据命令代码的不同来分别定义相机的动作，必须是一一对应的关系，保证相机稳定可靠的运行。
例如以下的命令格式（见图2）。
Claims (3)
1.一种多路USB采集CCD相机数据的设备：所述的CCD相机采用四路USB CCD相机，该相机内部电路板上设有四个USB2.0通讯芯片，及四个独立的USB接口，其特征在于，本设备中设有控制四路USB相机的PC机，该台PC机设有四个独立的USB接口；所述CCD相机的四个独立的USB接口与所述PC机的四个USB口通过USB线一对一的连接。
2.根据权利要求1所述的多路USB采集CCD相机数据的设备，其特征在于，所述的USB2.0通讯芯片采用CY7C68013A芯片，所述的4个CY7C68013A各自设有自己的地址和一整套命令***。
3.根据权利要求1或2所述的多路USB采集CCD相机数据的设备，其特征在于，所述的CCD 芯片采用4个KAF4320芯片。
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