傳感器與攝像機的同步電路

測量系統(tǒng)經常要用到攝像機和其它傳感器，兩者間需要同步。本例描述了一個航空攝影系統(tǒng)，它有一臺攝像機，包括CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器、一個慣性測量單元，以及一個GPS(全球定位系統(tǒng))單元。合成的電路提供觸發(fā)信號，將測量同步在最佳速率上。GPS提供有關空間位置的信息，慣性測量單元提供有關空間方位的信息。該單元包括一個陀螺儀、一個磁力計，以及一個加速度計，提供對一個三軸矢量的角度與加速度測量。

圖1表示了一個獲取航空照片的系統(tǒng)。它包括：四個Atmel區(qū)域掃描CCD圖像模塊，一個線性圖像傳感器模塊，兩個Dalsa PCI(外設部件互連)幀捕捉卡，測量單元，一個時鐘調節(jié)電路，以及一只微控制器。在開發(fā)期間，用一臺tektronix公司的數字示波器查看觸發(fā)信號。

用于同步傳感器的觸發(fā)信號是這個測量系統(tǒng)的關鍵。時鐘調節(jié)電路向幀捕捉卡發(fā)送一個外部觸發(fā)脈沖，為系統(tǒng)產生觸發(fā)信號。含有圖像傳感器的視頻模塊從幀捕捉卡接收觸發(fā)信號。每個幀捕捉卡捕獲一幅圖像，將其存儲在板上的存儲器中，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和慣性測量單元。圖2表示在臺灣云林縣麥寮鄉(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量單元的驅動與組合。

電路必須改變外部觸發(fā)時鐘的頻率，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個像素，每個像素的大小為5mm×5mm，產生的圖像約為500線/幀。CCD圖像傳感器的最大輸出速率為320M像素/秒。圖像數據通過一個Camera Link接口發(fā)送給幀捕捉卡，后者通過PCI總線將圖像發(fā)送給一臺PC。

時鐘調節(jié)電路產生外部觸發(fā)時鐘脈沖。電路采用了一只Altera公司的CPLD(復雜可編程邏輯器件)，用Altera的開發(fā)軟件仿真觸發(fā)信號，以及設計電路。時鐘調節(jié)電路可為系統(tǒng)提供多達15種觸發(fā)信號頻率。

系統(tǒng)的Atmel微控制器帶有256字節(jié)RAM和用于程序存儲的8k字節(jié)可編程閃存。微控制器通過一個RS-232接口與PC通信，該接口也可以用于接收指令，以及報告自己當前的狀態(tài)。這種握手過程包括生成觸發(fā)信號的解碼與編碼參數。微控制器還向數字時序調節(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)頻率來調節(jié)CCD圖像模塊的幀速率。外部觸發(fā)信號亦用于觸發(fā)測量單元，記錄和存儲空間參數。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。

慣性測量單元是系統(tǒng)中的一個關鍵傳感器，在它與幀捕捉卡之間必須有直接的關聯(lián)。如果外部觸發(fā)頻率為1 kHz，則兩個幀捕捉卡中，每個都捕捉1000幀/秒，單元采樣速率為1k采樣/秒。航空攝影的實驗結果表明，該系統(tǒng)成功地同步了所有的傳感器。