CN103108131A - 一种工业照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种工业照相机，包括图像传感器、图像采集器和通信接口；所述的数字图像传感器拍摄的图像信号经图像采集器处理后经通信接口传送到工业控制计算机，所述的通信接口为以太网接口，包括接口板和以太网物理层板；所述的接口板包括与以太网连接的RJ45以太网连接器和连接于图像采集器和数字传感器之间的I/O接口；所述的以太网物理层板连接在接口板与图像采集器之间，将RJ45以太网连接器的模拟信号进行处理后输入到所述的图像采集器。本发明公开了一种采用以太网接口的工业照相机，是一种传输速度快，稳定性高，传输距离长，体积小，易于安装和调试的数字工业相机。
Description
技术领域
本发明属于工业照相机领域，特别涉及一种具有千兆网接口的工业照相机，通过千兆网接口与工业计算机等进行通信。
背景技术
工业生产过程中，产品的定位、检测、识别是重要的环节，人工检测速度慢，准确性低，不够客观。机器视觉***因为高速、高稳定性、高一致性、高准确率的特点，已经逐步替代了人工监测。另外，面对制造业人工成本持续高涨、高级技工严重缺乏等诸多问题的呈现，各行各业的生产、加工过程控制、监控和产品质量检测都大量需求图像和机器视觉技术，产业自动化的发展趋势使得机器视觉技术在制造生产中占据了越来越重要的地位。
传统机器视觉采用模拟相机加采集卡、USB接口和1394接口的工业相机，传输速度比较低，传输距离短，体积大，因此，需要一种传输速度快，稳定性高，传输距离长，体积小，易于安装和调试的数字工业相机。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种传输速度快，稳定性高，传输距离长，体积小，易于安装和调试的数字工业相机，该照相机具有一个以太网络接口，特别是一个千兆以太网接口与工业计算机通信。
本发明为了完成其技术目的所采用的技术方案是：一种工业照相机，包括图像传感器板、图像采集器和通信接口；所述的图像传感器拍摄的图像信号经图像采集器处理后经通信接口传送到工业控制计算机，所述的通信接口为以太网接口，包括接口板和以太网物理层板；所述的接口板包括与以太网连接的RJ45以太网连接器和连接于接口板与以太网物理层板之间的接口；所述的以太网物理层板连接在接口板与图像采集器之间，将RJ45以太网连接器的模拟信号进行处理后输入到所述的图像采集器。
进一步的，上述的工业照相机中：所述的图像传感器板包含数字图像传感器或者模拟图像传感器和将将模拟图像传感器采集的模拟信号进行AD转换的AD转换器。
进一步的，上述的工业照相机中：在所述的接口板上还设置有对所述的图像传感器进行控制的航空连接器接口，所述的航空连接器接口与所述的图像传感器之间采用了有I/O隔离器。
进一步的，上述的工业照相机中：所述的图像采集器为FPGA芯片，该FPGA芯片接收图像数据进行打包及以太网协议实现后发送给以太网物理层板。
进一步的，上述的工业照相机中：所述的FPGA芯片包括用于对图像传感器进行控制的CPU，接收图像传感器拍摄的图像信号的缓存器，对缓存器内的数据进行处理产生以太网MAC层模块识别的数据流的数据处理模块和与以太网物理层板连接的MAC模块。
进一步的，上述的工业照相机中：所述的以太网接口为千兆以太网接口。
进一步的，上述的工业照相机中：所述的数字图像传感器为30万～1000万像素的图像传感器。
本发明公开了一种采用以太网接口的工业照相机，是一种传输速度快，稳定性高，传输距离长，体积小，易于安装和调试的数字工业相机。
下面通过结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的说明。
附图说明
附图1是本发明工业照相机结构框图。
附图2是本发明实施例FPGA内部结构框图。
附图3是本发明实施例的千兆以太网接口框图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例是一种工业照相机，包括数字图像传感器、图像采集器和通信接口；数字图像传感器拍摄的图像信号经图像采集器处理后经通信接口传送到工业控制计算机，通信接口为以太网接口，包括接口板和以太网物理层板；接口板包括与以太网连接的RJ45以太网连接器和连接于图像采集器和数字传感器之间的I/O接口；以太网物理层板连接在接口板与图像采集器之间，将RJ45以太网连接器的模拟信号进行处理后输入到所述的图像采集器。如果不是数字图像传感器，则需要将图像传感器的输出通过AD转换，产生数字图像信号。
接口板：包括RJ45千兆网连接器和IO接口连接器，RJ45接收以太网信号，IO接口包含电源、地、相机触发信号、闪光灯输出信号；
IO隔离：将触发和闪光灯信号进行光耦隔离后传送到FPGA对信号进行控制，进行隔离避免FPGA芯片引脚损坏；
电源管理模块：将外部输入的12V电源转换到***各芯片需要的电源，如：3.3V，1.2V，2.5V等；
以太网PHY：将以太网接口的模拟信号进行转换、解码等处理后于FPGA连接；
FPGA芯片：接收图像数据进行打包、及以太网协议实现后发送给PHY，同时接收上层传输来的相机控制信号及传感器配置信息，相机控制信号解析后对相机参数进行调整，传感器配置信息经过FPGA的I2C模块通过I2C接口发送给图像传感器；另外，FPGA还完成触发信号的接收然后按照相机参数按照一定时序发出触发信号给图像传感器和相机外部闪光灯；
SDRAM缓存：缓存图像传感器数据，同时为相机软核提供运行存储空间；
图像传感器板：包含30万～1000万像素的CMOS图像传感器、电源及工作所需晶振等传感器工作所必备器件。
FPGA芯片结构如图2所示，FPGA芯片包括用于对数字图像传感器进行控制的CPU，接收数字图像传感器拍摄的图像信号的缓存器，对缓存器内的数据进行处理产生以太网MAC层模块识别的数据流的数据处理模块和与以太网物理层板连接的MAC模块。数据处理（data process）模块的功能是从缓存器内将数据读出并且按照以太网MAC模块可接收的接口协议进行数据重新组织，然后发往MAC模块。这里的图像传感器输出的图像数据，特点是在传感器分辨率大或者帧率高的时候单位时间内数据量很大。
本实施例中，FPGA采用并行处理，有处理更复杂功能的能力，使FPGA工作更有效率，容易获得高带宽，因此在工业相机项目中可以实时接收、处理、传输高像素传感器的图像信息。
FPGA中算法及控制可以用软件，也可用硬件实现如图2所示。对于控制，采用软件来实现大部分操作，而对于算法和数据处理，则采用硬件实现来获得更高的速度以满足性能指标。如果软件处理速度达不到要求，则可以利用硬件来加速算法，使得设计可以更加灵活。
FPGA的重构性使设计具有几乎无限的灵活性，它能随意为内部电路重新连线，从而在***投入现场使用后还可以进行重配置，大大的提高了***的灵活性。
在本实施例中，FPGA中嵌入了一个32位的CPU，用于对相机的控制，减少了控制部分对FPGA资源的使用，同时增加了设计的灵活度，减少了控制部分的难度；同时，将以太网MAC层实现于FPGA，对MAC可灵活配置、简化等，提高千兆网接口有效带宽；而对带宽要求较高的数据处理和传输部分则全部使用硬件来实现，有效的提高了数据处理的带宽，完全发挥出了FPGA的优势。
如图2可以看出，传感器的图像数据进入FPGA后，对数据的传输和处理过程完全采用硬件来实现，减少了对数据处理和传输过程中的延时，在保证高可靠性的同时最大程度的提高了数据处理和传输的带宽。***中各个部分的控制则完全使用一个CPU来实现，减少了***控制的难度，提高了控制的灵活性，使得代码更加容易维护和更新，减少了后期的维护时间及成本。
相机上电之后处于待机状态，等待软件开启相机并获取图像，同时软件关闭时将相机再处于待机状态，这样减少了***的功耗，同时降低了***的发热量，提高了***的稳定性与可靠性。
本实施例中采用的千兆以太网如图3所示，是建立在以太网标准基础之上的技术。千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象。作为以太网的一个组成部分，千兆以太网也支持流量管理技术，它保证在以太网上的服务质量，这些技术包括IEEE 802.1P第二层优先级、第三层优先级的QoS编码位、特别服务和资源预留协议（RSVP）。
本发明中MAC在FPGA中使用硬件来实现，增加了对MAC控制的灵活度，MAC通过GMII接口连接到外部的1000BASE-T PHY芯片，对PHY的控制则采用SMI(Serial Management Interface)接口，减少了***PCB的布线。
Claims (7)
1.一种工业照相机，包括图像传感器板、图像采集器和通信接口；所述的图像传感器拍摄的图像信号经图像采集器处理后经通信接口传送到工业控制计算机，其特征在于：所述的通信接口为以太网接口，包括接口板和以太网物理层板；所述的接口板包括与以太网连接的RJ45以太网连接器和连接于接口板与以太网物理层板之间的接口；所述的以太网物理层板连接在接口板与图像采集器之间，将RJ45以太网连接器的模拟信号进行处理后输入到所述的图像采集器。
2.根据权利要求1所述的工业照相机，其特征在于：所述的图像传感器板包含数字图像传感器或者模拟图像传感器和将模拟图像传感器采集的模拟信号进行AD转换的AD转换器。
3.根据权利要求1或2所述的工业照相机，其特征在于：在所述的接口板上还设置有对所述的图像传感器进行控制的航空连接器接口，所述的航空连接器接口与所述的图像传感器之间采用了有I/O隔离器。
4.根据权利要求1或2所述的工业照相机，其特征在于：所述的图像采集器为FPGA芯片，该FPGA芯片接收图像数据进行打包及以太网协议实现后发送给以太网物理层板。
5.根据权利要求4所述的工业照相机，其特征在于：所述的FPGA芯片包括用于对图像传感器进行控制的CPU，接收图像传感器拍摄的图像信号的缓存器，对缓存器内的数据进行处理产生以太网MAC层模块识别的数据流的数据处理模块和与以太网物理层板连接的MAC模块。
6.根据权利要求1所述的工业照相机，其特征在于：所述的以太网接口为千兆以太网接口。
7.根据权利要求2所述的工业照相机，其特征在于：所述的图像传感器为30万～1000万像素的图像传感器。
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