傳感器與攝像機(jī)的同步電路

測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常要用到攝像機(jī)和其它傳感器，兩者間需要同步。本例描述了一個(gè)航空攝影系統(tǒng)，它有一臺(tái)攝像機(jī)，包括CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器、一個(gè)慣性測(cè)量單元，以及一個(gè)GPS(全球定位系統(tǒng))單元。合成的電路提供觸發(fā)信號(hào)，將測(cè)量同步在最佳速率上。GPS提供有關(guān)空間位置的信息，慣性測(cè)量單元提供有關(guān)空間方位的信息。該單元包括一個(gè)陀螺儀、一個(gè)磁力計(jì)，以及一個(gè)加速度計(jì)，提供對(duì)一個(gè)三軸矢量的角度與加速度測(cè)量。

圖1表示了一個(gè)獲取航空照片的系統(tǒng)。它包括：四個(gè)Atmel區(qū)域掃描CCD圖像模塊，一個(gè)線性圖像傳感器模塊，兩個(gè)Dalsa PCI(外設(shè)部件互連)幀捕捉卡，測(cè)量單元，一個(gè)時(shí)鐘調(diào)節(jié)電路，以及一只微控制器。在開(kāi)發(fā)期間，用一臺(tái)tektronix公司的數(shù)字示波器查看觸發(fā)信號(hào)。

用于同步傳感器的觸發(fā)信號(hào)是這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵。時(shí)鐘調(diào)節(jié)電路向幀捕捉卡發(fā)送一個(gè)外部觸發(fā)脈沖，為系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。含有圖像傳感器的視頻模塊從幀捕捉卡接收觸發(fā)信號(hào)。每個(gè)幀捕捉卡捕獲一幅圖像，將其存儲(chǔ)在板上的存儲(chǔ)器中，然后再捕捉下一幅圖像。

外部的觸發(fā)脈沖亦控制傳感器、GPS和慣性測(cè)量單元。圖2表示在臺(tái)灣云林縣麥寮鄉(xiāng)上空7000英尺處的一張照片，它使用外部觸發(fā)電路，完成線性傳感器與測(cè)量單元的驅(qū)動(dòng)與組合。

電路必須改變外部觸發(fā)時(shí)鐘的頻率，才能獲得最佳的幀率。線性圖像傳感器模塊中的CCD傳感器有12288個(gè)像素，每個(gè)像素的大小為5mm×5mm，產(chǎn)生的圖像約為500線/幀。CCD圖像傳感器的最大輸出速率為320M像素/秒。圖像數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)Camera Link接口發(fā)送給幀捕捉卡，后者通過(guò)PCI總線將圖像發(fā)送給一臺(tái)PC。

時(shí)鐘調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生外部觸發(fā)時(shí)鐘脈沖。電路采用了一只Altera公司的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，用Altera的開(kāi)發(fā)軟件仿真觸發(fā)信號(hào)，以及設(shè)計(jì)電路。時(shí)鐘調(diào)節(jié)電路可為系統(tǒng)提供多達(dá)15種觸發(fā)信號(hào)頻率。

系統(tǒng)的Atmel微控制器帶有256字節(jié)RAM和用于程序存儲(chǔ)的8k字節(jié)可編程閃存。微控制器通過(guò)一個(gè)RS-232接口與PC通信，該接口也可以用于接收指令，以及報(bào)告自己當(dāng)前的狀態(tài)。這種握手過(guò)程包括生成觸發(fā)信號(hào)的解碼與編碼參數(shù)。微控制器還向數(shù)字時(shí)序調(diào)節(jié)電路發(fā)送指令;這些指令可改變外部觸發(fā)器的脈沖頻率。

可以用15種觸發(fā)頻率來(lái)調(diào)節(jié)CCD圖像模塊的幀速率。外部觸發(fā)信號(hào)亦用于觸發(fā)測(cè)量單元，記錄和存儲(chǔ)空間參數(shù)。圖3給出了尋找最佳觸發(fā)頻率的算法。幀速率與觸發(fā)頻率成正比。

慣性測(cè)量單元是系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵傳感器，在它與幀捕捉卡之間必須有直接的關(guān)聯(lián)。如果外部觸發(fā)頻率為1 kHz，則兩個(gè)幀捕捉卡中，每個(gè)都捕捉1000幀/秒，單元采樣速率為1k采樣/秒。航空攝影的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功地同步了所有的傳感器。