侯思祖　賀佳瑋

摘? 要： 針對高靈敏紫外成像儀國產化研發(fā)中視頻接口數據采集與相機控制問題，設計可見光和紫外光接口轉換板。首先，在整個系統中分別用可見光Sony相機和紫外相機采集視頻信號，分別經LVDS接口和紫外接口接入到根據有效視頻捕捉協議BT.1120，BT.656所選擇芯片ADV7513搭建的視頻轉換板，并將轉換板設計為HDMI接口形式接入海思平臺，實現紫外成像儀的視頻接入顯示和相機控制功能在Linux系統上Qt圖形界面的實現。經實驗證明，該設計實現了紫外成像儀研制中有效視頻的捕捉顯示和雙鏡頭控制的功能。

關鍵詞： 紫外成像儀; 視頻接口設計; 視頻信號采集; 視頻轉換板; 視頻接入顯示; 相機控制

中圖分類號： TN722.1+2?34; TP274.2? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0001?04

Design and implementation of video port of ultraviolet imager system

HOU Sizu， HE Jiawei

（School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract： In allusion to the problems of data collection and camera control of video port in the localization research and development of high sensitive ultraviolet imager， the visible light and ultraviolet port conversion board is designed. The video signal is collected by visible light Sony camera and ultraviolet camera in the system， and then the collected video signal is putted into the video conversion board through the LVDS port and ultraviolet port respectively， which is built with the chip ADV7513 selected by means of the effective video capture protocols BT.1120 and BT.656. The conversion board is designed as HDMI port form and is placed in the Hisilicon platform， so that the video access display and camera control functions of the ultraviolet imager are realized on Linux system Qt graphical interface. The experimental results show that the design of the effective video capture and display functions and dual?lens control function in the development of ultraviolet imager is realized.

Keywords： ultraviolet imager; video port design; video signal collection; video conversion board; video access display; camera control

0? 引? 言

紫外成像技術能有效、直觀地觀測到高壓設備放電的情況[1?2]，為帶電檢測提供了新的強大的診斷手段。紫外成像儀對于電力與鐵路行業(yè)中的故障檢測越來越受到重視，且發(fā)展到了可在白天進行檢測的水平，這從根本上拓展了紫外成像儀長期應用受限的短板。而在紫外成像儀的研制過程中如何將相機所采集到的視頻數據顯示且傳送到后方處理系統等問題也是日益受到重視且被研究。不同設備間連接的最關鍵的地方在于接口和協議的規(guī)定，只有合適的接口才能使兩者可靠有效連接并對設備進行有效的控制[3]。本文研究的內容是設計以ADV7513芯片為主的接口轉換板實現視頻捕捉功能再以HDMI接口形式輸入至海思平臺，并通過對Sony Visca協議和紫外相機協議的解析實現雙鏡頭的控制。對未來實現高靈敏紫外成像儀的國產化研發(fā)具有長遠意義。

1? 系統總體設計

為了實現紫外成像儀視頻數據的有效捕捉和雙鏡頭的有效控制，本設計將研制系統分為可見光相機、紫外相機、可見光接口和紫外接口轉換板以及海思平臺，總體設計方案如圖1所示。可見光和紫外接口板的設計包括設計專用傳輸線纜將前端鏡頭的對接，通過選取STM32F103C8T6作為整板的CPU，I2C總線實現對ADV7513芯片的控制。其中，對于可見光視頻接口LVDS[4]需要利用THC63LVD104C完成了LVDS轉TTL電平的功能。THC63LVD104C的電路原理圖如圖2所示。再經ADV7513芯片成功將傳輸進來的混合數據根據可見光視頻BT.1120協議和紫外視頻BT.656[5]的協議進行有效數據的提取，最后以HDMI接口的形式傳輸至海思平臺。在海思平臺中對可見光相機Sony Visca協議和紫外相機協議的解析，以Qt圖形界面形式實現雙鏡頭的控制功能。

2? 硬件設計

2.1? 可見光LVDS接口電平轉換設計

可見光接口轉換板設計的主要內容是將可見光相機Sony CV7520工業(yè)相機所采集到的視頻數據根據USL00?30L?C的30線排線經LVDS接口進入接口轉換板。在此接口轉換板中必須先經過電平轉換芯片THC63LVD104C芯片將LVDS電平轉換為TTL電平后，才能通過ADV7513芯片對視頻數據拆分，提取出有效視頻，再將視頻數據通過HDMI接口輸入至海思3531D平臺處理后顯示成功。其中，可見光鏡頭LVDS接口輸出的信號是低擺幅差分對信號，包括一個通道的時鐘信號和幾個通道的串行數據信號。值得注意的是在管腳的設計中，時鐘管腳TXCLK的頻率設置取決于所輸出的視頻分辨率和幀數，當輸出模式為1 080P/60 f/s時，TXCLK為148.5 MHz;輸出模式為1 080P/300 f/s時，TXCLK為74.25 MHz; 輸出模式為1 080i/60 f/s時，TXCLK為74.25 MHz;輸出模式為720P/60 f/s時，TXCLK為74.25 MHz。

2.2? HDMI接口設計

將可見光LVDS接口和紫外接口分別通過轉接板以HDMI接口形式輸出至顯示屏或海思平臺進行再處理是本設計的重要實現目標。故采用ADV7513芯片，其內部結構如圖3所示。ADV7513芯片中共有24個數據輸入管腳，實際數據輸入管腳的接入選擇是有遵循模式的，本設計輸入YCbCr 4∶2∶2數據模式（24 bit，20 bit， 16 bit），根據內同步與外同步的設置模式選擇接入方式。本文采用內嵌同步模式，ADV7513硬件連接圖如圖4所示，管腳0～11接入Y流數據，管腳11～23接入Cr、Cb流數據;采用YCbCr422/20 bit輸入時，管腳0～3空閑，管腳4～13接入Y流數據，管腳14～23接入Cr，Cb流數據;采用YCbCr422/16 bit輸入時，管腳0～7空閑，管腳8～15接入Y流數據，管腳16～23接入Cr，Cb流數據。

2.3? STM32控制設計

本文設計轉換板的微控制器采用STM32F103C8T6微處理器，它是ST公司推出基于ARM Cortex?M3內核的32位閃存微控制器[6]。該處理器可以很好地滿足在視頻接口轉換板中控制系統處理中斷的功能，實現可見光視頻和紫外視頻采集及相機等功能的控制。其外圍電路圖如圖5所示，。管腳15，16，42，43分別為兩對I2C總線SCL1，SDA1和SCL2，SDA2;管腳12，13，21，22分別為兩對串口接收信號RXD和發(fā)送信號TXD;管腳41HPD1，25HPD2為熱插拔信號。為完成有效視頻捕捉，在STM32F101的I/O口模擬中，采用I2C總線控制ADV7513芯片;另外，利用STM32進行串口的控制，通過對串口的設置實現對雙鏡頭的控制功能。

3? 軟件邏輯及關鍵技術研究

3.1? 可見光和紫外視頻采集接口邏輯設計

可見光Sony FCBEV7520相機和紫外專用相機采集到的視頻數據以分別以BT.1120和BT.656標準格式輸入至轉換板，當ADV7513接收數據信息時，通過STM32對I2C總線進行配置，分別根據各自圖像格式對ADV7513內部寄存器進行配置。主要配置寄存器地址包括：0x16（設置輸出制式，色彩深度，輸入管腳設置），0x17（設置輸入寬高比使能內部DE信號發(fā)生器），0x30～0x3A，0xD7～0xDB（對于嵌入式同步的設置DE，Hsync和Vsync發(fā)生器），0x15（設置輸入IIS采樣時鐘（音頻）和視頻制式為16 bit YCbCr422）。按要求配置好芯片之后，經SMT32F103C8T6對ADV7513芯片的讀寫成功完成對可見光和紫外視頻有效數據的捕捉，再以HDMI接口格式輸出至后臺。最后，完成了在紫外成像儀中根據可見光BT.1120協議和紫外視頻BT.656協議提取有效視頻數據的功能。

3.2? 海思平臺接入設計

當完成轉接板的硬件設計，實現對可見光相機和紫外相機視頻的接收后將這兩路視頻以HDMI接口的形式輸入至本設計所采用海思3531D平臺[7?8]可對視頻數據再做后續(xù)處理，如視頻融合、配準等操作。本設計主要實現兩路視頻與海思平臺的連接成功，在海思平臺上實現視頻的VI/VO顯示切屏功能，能更好地分析前端設備對于視頻數據的提取效果及視頻數據的捕獲功能效果。VO切屏顯示的流程如圖6所示。設計過程中關鍵部分：啟動VI或VPSS;調用HI_MPI_VI_GetFrame或HI_MPI_VPSS_GetFrame;手動映射;通過pSrc訪問數據。

3.3? Qt圖形界面設計

本文中對于Qt圖形界面[9?10]中的設計主要在于實現整體圖形界面中關于控制功能的可應用性?？梢姽庀鄼C采用Sony Visca協議實現對相機的對焦、去噪等控制功能，紫外相機采用自定義的協議進行變倍、增益調控等操作。

由于需要實現的控制功能都是通過串口實現，所以首先要設計Qt下的串口通信。串口通信是借助一個QSerialPort的對象來實現的，在設置QSerialPort對象對串口的名稱、波特率、數據位、校驗位、停止位等參數后，方能對串口進行讀寫。用SerialPort類實現串口功能，設置和打開串口。在mainwindow.cpp文件中設置以上關于串口通信開始、關閉的函數以及信號和槽的連接，按鍵使能函數等。調用在CCameraserialmanager.cpp文件控制功能接口，在CCameraserialmanager.cpp實現對紫外和可見光進行控制協議的解析。關鍵代碼如下：

{connect（timer， SIGNAL（timeout（））， SLOT（timerSlot（）））;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //連接信號和槽

void MainWindow：：on_pushButton_2_clicked（）{

//圖像變倍

std：：string strKey;

CCameraSerialManager：：Instance（）?>RunCameraCommand（SONY_CAM_ZOOM_DIRECT，0x3540，strKey）;

}

bool

}

協議解析部分：

CCameraSerialManager：：GetSendCommandBuf（const CAMERA_COMMAND_INFO & varCamCmdInfo， uint8_t *data， size_t &size）

{? bool bRet = true;

int nIndex = 0;

switch （varCamCmdInfo.varCameraCommand）

{? case SONY_CAM_ZOOM_DIRECT：

//8x 01 04 47 0p 0q 0r 0s FF pqrs

data[nIndex++] = 0x81;

data[nIndex++] = 0x01;

data[nIndex++] = 0x04;

data[nIndex++] = 0x47;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0xF000）>>12;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0x0F00）>>8;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0x00F0）>>4;

data[nIndex++] = （varCamCmdInfo.nParamValue & 0x000F）;

data[nIndex++] = 0xFF;

size = nIndex;

break;

} }

實驗所設計的可見光和紫外轉換板實物圖如圖7所示。搭建海思平臺對所采集到的視頻圖像進行采集，并在Qt圖形界面實現可見光鏡頭對焦模式、曝光模式、圖像反轉、曝光時間、變倍等功能，紫外鏡頭獲取紫外計數值、去噪、累計、調節(jié)增益等功能。Qt圖形控制界面如圖8所示。

4? 結? 語

本文介紹一種高靈敏紫外成像儀中視頻接口設計方案，通過設計可見光接口和紫外接口轉換板實現了視頻信號以HDMI接口形式顯示或輸入至海思平臺進行二次處理。通過對控制協議的解析和海思平臺Qt圖形界面的設計，實現了可見光鏡頭和紫外鏡頭的控制功能，保證了能及時有效觀察到紫外放電情況。此研究在未來紫外成像儀的研制設計中具有廣泛價值。

注：本文通訊作者為賀佳瑋。

參考文獻

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