基于ZYNQ的高速彩色線掃CCD實時圖像采集系統

黃云

基于ZYNQ的高速彩色線掃CCD實時圖像采集系統

黃云

（陶朗分選技術（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

隨著科學技術的不斷進步和快速發展，彩色線掃CCD采集與處理技術越來越多被應用到實時工業產品檢測及分揀中。采用基于ZYNQ的高速彩色線掃CCD實時圖像采集技術，研究一種應用于工業現場檢測及分揀的高分辨率CCD數據采集系統的設計方法，主要包括前端CCD驅動電路設計、實時圖像采集設計、數據圖像預處理設計、圖像數據GIGE傳輸設計以及相關軟件設計，最后把數據實時傳送給上位機，以供后續進一步圖像處理。

彩色線掃；CCD；實時圖像采集；GIGE

本文采用ZYNQ實時圖像采集技術，結合KLI2113彩色線掃CCD圖像傳感器及GIGE圖像傳輸技術，提出一款適用于實時工業產品視覺檢測的圖像采集系統。系統首先設計基于KLI2113的前端驅動電路，接著利用FPGA邏輯控制AD9945進行實時圖像采集，采集后的數據進行濾波等數據預處理，最后將數據通過標準GIGE協議傳輸到PC上進行后續圖像處理。

1 系統方案設計

系統以Xilinx Zynq-7010為核心主控芯片，該芯片集成雙核ARM Cortex-A9處理器、基于28nm Artix-7可編程邏輯，可實現優異的性能功耗比和最大的設計靈活性。此外，千兆網在傳輸帶寬、線材長度及多相機集成功能方面有較大的技術靈活性及成本優勢，因此本系統采用標準GIGE傳輸協議，其可簡化實際應用中的多相機集成系統設計。

系統原理如圖1所示。

圖1 基于ZYNQ-7010的CCD實時圖像采集系統原理框圖

整個系統主要分為圖像采集、圖像預處理及GIGE圖像傳輸三大部分。其中FPGA可編程邏輯負責圖像采集及驅動時序控制、圖像預處理，ARM處理器負責實現GIGE協議。

2 圖像采集

圖像采集由CCD驅動模塊及AD9945采集模塊組成，其中CCD及AD9945驅動電路的及相關時序控制的設計，是保證最終圖像采集質量的關鍵。

2.1 KLI2113驅動及前端調理電路設計

KLI2113驅動及模擬前端調理電路設計是CCD成像的核心部分，其作用是讀出電荷像素并完成像素信號的采集、轉換和傳輸。KLI2113驅動及前端調理電路如圖2所示。CCD的時鐘輸入引腳具有較高的輸入電容，因此要求驅動電路具有較大的驅動能力，在本電路中使用多路總線驅動器進行并聯的方式以提高電流驅動能力。輸出端由高頻三極管構成射極跟隨器作為ADC和CCD之間的緩沖電路，射極跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點，能夠減少信號的衰減和失真。此外系統還使用磁珠和電容對輸入電源進行濾波和去耦，以減少電源上的干擾和噪聲。

圖2 KLI2113驅動及前端調理電路

2.2 AD9945采樣控制

傳感器產生的圖像模擬信號經前端調理電路后，需要接入模數轉換芯片進行信號轉換，使之成為對應的數字圖像信號。為了更好地抑制CCD噪聲，取得更好的圖像質量，本系統采用ADI的AD9945芯片。該芯片是一款適用于線掃CCD應用的高性能A/D轉換器，其采樣精度為12位，采樣頻率最高可達40 M。

結合CCD驅動時序控制，AD9945的采樣時序。其中采集時鐘DATACLK頻率為24 M，占空比為1∶2；CCD驅動SHP/SHD占空比為1∶4，SHP的上升沿到SHD的下降沿為1/4時鐘周期。使用Xilinx自帶的PLL IP核可容易實現上述時序控制，如圖3所示。其中clk_out3clk_out4clk_out5分別對應SHPSHDDATACLK信號。

圖3 PLL IP核例化時序

3 圖像預處理

契合于線掃CCD以行為單位采集的特性，FPGA對圖像進行實時流水線運算以行為單位。FPGA可以用其內部的Block Ram緩存多行的圖像數據，因此本系統可直接把從A/D轉換芯片獲得圖像數據流獲得原始RGB圖像數據進行實時流水線處理。基于此，系統擬利用FPGA邏輯對實時采集到的數字圖像進行中值濾波去噪。

中值濾波可以很好地濾掉采集CCD圖像中的不規則噪聲。設計采用3×3窗口分別對RGB分量信號進行中值濾波，首先獲取每個分量相鄰的9個像素存于FPGA內部Ram中，接著對這9個像素值進行排序，步驟如下：①對每行3個像素按降序排序，得到最大值、中間值和最小值；②比較3行中的最小值，得到1個最小值；③比較3行中的最大值，得到1個最大值；④比較3行的中間值，再得到1個中間值；⑤比較前面得到的3個值，獲得的中間值即為該3×3窗口的中間值。

4 圖像傳輸

GigE接口目前已成為工業相機應用的一種主流圖像接口技術，其以Gigabit?Ethernet協議為標準，用做高速、大數據量的圖像傳輸，遠距離圖像傳輸及降低遠距離傳輸時電纜線的成本。本系統為了可以更方便地接入PC，且適應多相機協調采集應用要求，采用標準GIGE協議。

在Xilinx Zynq-7010主控芯片上，利用ARM處理器將用戶軟件發來的配置信息寫入到CCD中。CCD采集到的圖像存于DDR中，并通過UDP協議傳輸給PC。為了實現UDP傳輸，本系統調用了以太網lwip1.4庫，對GigE Vision兩種數據包GVCP和GVSP的封裝。

GVCP允許應用程序配置和控制本采集系統，相關應用程序可使用UDP協議發送命令，并等待本采集系統響應，保證了圖像數據傳輸的完整性和可靠性。

GVSP協議本采集系統如何發送圖像數據至接收端（PC機），確保數據包總是在GVSP發射機和接收端之間傳輸。系統可支持長達80 m的傳輸距離，并實現傳輸速率為 100 MB/s。

5 實驗結果

經過一系列的實驗測試及分析，本圖像采集系統在構建和具體應用過程中，已經可以以2 048×8 kHz的分辨率有效穩定地采集圖像至PC。搭建同樣的機器視覺環境下采集彩色線帶圖像，對比某進口相機與本系統的采集效果。可以看出本系統已經達到進口相機圖像采集質量水平，甚至在紅色波段的識別上，具備更高的靈敏度。把本采集系統應用到色選機設備上，實際采集花生及瓜子圖像。可以看出所采集的圖像非常清晰，且相關異色顏色區別明顯。本系統花生及瓜子實際應用如圖4所示。

圖4 本系統花生及瓜子實際應用圖

本彩色線陣CCD實時圖像采集系統具有非常強的色彩反映能力，只要給普通白光LED光源照明，就可以保證實時反映出RGB真彩圖像，為后續的圖像處理提供有效保證。

6 結語

本文在FPGA的基礎上，促使高速彩色線陣CCD實施圖像采集系統可以實現科學合理的利用。要想保證該系統在運行時的有效性和可靠性，就必須對各種不同的設備、通信接口等進行合理的設計和利用，這樣才能夠實現數據傳輸的有效性和針對性。經過實際應用證明，本系統在實際應用采集效果達到要求，且采用GIGE傳輸協議，系統可靈活方便地接入到PC中。同時系統還具有非常強大的系統拓展功能，未來可應用到分揀、檢測等廣泛機器視覺領域中。

［1］許建平，郎文輝，羅晶，等.高幀率彩色線陣CCD實時成像系統的設計與分析［J］.儀表技術與傳感器，2016（7）：68-71，78.

TP391.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.031

2095－6835（2019）23－0074－02

黃云（1986—），男，福建人，碩士，工程師，主要研究方向為實時圖像采集及機器視覺應用。

〔編輯：嚴麗琴〕