一种大尺度粒子图像测速仪
阅读：637发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种大尺度粒子图像测速仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种大尺度 粒子图像测速 仪，包括智能相机、镜头控 制模 块 、LED补光灯 控制模块 、PoE控制模块、电源转换模块、镜头、 LED灯 。其中，PoE控制模块的输入端与直流电源连接，PoE控制模块的电源输出端与电源转换模块的输入端连接，PoE控制模块的数据输出端接以太网，镜头控制模块的输入端、LED补光灯控制模块的输入端、电源转换模块的输出端分别与智能相机连接，镜头控制模块的输出端与镜头连接，LED补光灯控制模块的输出端与LED灯连接。本实用新型具有 时空 分辨率 高、 帧 间计时准确、流速测量精确等优点，同时存储和传输的数据量少，节省了通信带宽。，下面是一种大尺度粒子图像测速仪专利的具体信息内容。
1.一种大尺度粒子图像测速仪，其特征在于，包括智能相机、镜头控制模块、LED补光灯控制模块、PoE控制模块、电源转换模块、镜头、LED灯，其中：所述PoE控制模块的输入端与直流电源连接，PoE控制模块的电源输出端与电源转换模块的输入端连接，PoE控制模块的数据输出端接以太网；所述镜头控制模块的输入端、LED补光灯控制模块的输入端、电源转换模块的输出端分别与智能相机连接，所述镜头控制模块的输出端与镜头连接，所述LED补光灯控制模块的输出端与LED灯连接。
2.根据权利要求1所述的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于，所述智能相机包括DSP芯片、图像传感器、程序存储器、动态内存芯片、仿真器、仿真头、物理层器件，其中：所述DSP芯片通过视频接口与图像传感器连接；所述DSP芯片通过外部存储器接口与程序存储器、动态内存芯片连接；所述DSP芯片通过联合测试行为组织接口（JTAG）与仿真器、仿真头连接；所述DSP芯片通过以太网控制器外设接口与物理层器件连接。
3.根据权利要求2所述的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于，所述DSP芯片采用TMS320DM642芯片。
4.根据权利要求1所述的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于，所述PoE控制模块包括依次连接的供电控制模块、受电控制模块，其中：供电控制模块的输出端通过以太网的双绞线与受电模块的输入端连接。
一种大尺度粒子图像测速仪
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种图像测速仪，尤其是一种大尺度粒子图像测速仪。
背景技术
[0002] 大尺度粒子图像测速（LSPIV）以流动可视化为基础，通过视觉测量的方式获取天然尺度下河流的多种定量信息，特别是洪水期间精确的流速、流场、时序信息以及总径流变化速率的高分辨率估计，可为河流水文学、河流地貌学以及河流生态学的研究提供重要依据。
[0003] Kim等人设计了一套可快速部署的车载式移动LSPIV系统。模拟的mini-DV视频通过视频采集卡数字化时，会导致图像对中两帧图像的时间间隔不精确，而采样时间的精确性、一致性和同步性直接影响着流速估计的精度。Hauet等人在Sauze-St. Martin水文站用Axis 211M型网络监控摄像机（800×600@30fps）、一台工业PC和外置自供电装置搭建了一套固定式LSPIV系统。运用该系统测得了地中海地区Ardèche河的洪峰流量。使用时发现由于环境光的变化，摄像机在自动调节光圈及增益时焦距会缓慢发生偏移，导致部分图像变得模糊。
[0004] 可见，现有实验仪器由于建立在现有闭路电视（CCTV）监视系统或消费级数码摄像机的基础上，在视频捕获能力（分辨率、帧速率）、系统处理能力（实时图像分析）和数据传输能力（视频数据、图像数据、流场数据、状态信息、控制信息的传输）上都不能满足大尺度现场环境的应用需求，使得该方法测流的不确定度要略高于传统的流速仪法，影响了它的推广和普及。因此，有必要根据大尺度粒子图像测速方法的特点设计一套专用的仪器。发明内容
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于智能相机的大尺度粒子图像测速仪。
[0006] 本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案：
[0007] 一种大尺度粒子图像测速仪，包括智能相机、镜头控制模块、LED补光灯控制模块、PoE控制模块、电源转换模块、镜头、LED灯，其中：所述PoE控制模块的输入端与直流电源连接，PoE控制模块的电源输出端与电源转换模块的输入端连接，PoE控制模块的数据输出端接以太网；所述镜头控制模块的输入端、LED补光灯控制模块的输入端、电源转换模块的输出端分别与智能相机连接，所述镜头控制模块的输出端与镜头连接，所述LED补光灯控制模块的输出端与LED灯连接。
[0008] 所述大尺度粒子图像测速仪中，智能相机包括DSP芯片、图像传感器、程序存储器、动态内存芯片、仿真器、仿真头、物理层器件，其中：所述DSP芯片通过视频接口与图像传感器连接；所述DSP芯片通过外部存储器接口与程序存储器、动态内存芯片连接；所述DSP芯片通过联合测试行为组织接口（JTAG）与仿真器、仿真头连接；所述DSP芯片通过以太网控制器外设接口与物理层器件连接。
[0009] 所述大尺度粒子图像测速仪中， DSP芯片采用TMS320DM642芯片。
[0010] 所述大尺度粒子图像测速仪中， PoE控制模块包括依次连接的供电控制模块、受电控制模块，其中：供电控制模块的输出端通过以太网的双绞线与受电模块的输入端连接。
[0011] 本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0013] 图1为大尺度粒子图像测速仪的模块示意图。
[0014] 图2为本实用新型中镜头控制模块电路原理图。
[0015] 图3为本实用新型中LED驱动模块的电路原理图。
[0016] 图4为PoE控制模块中供电控制模块的电路原理图。
[0017] 图5为PoE控制模块中受电控制模块的电路原理图。
[0018] 图6是本实用新型中电源转换模块原理图。
[0019] 图中标号说明：U1、U3均为光耦芯片，U2A、U2B均为反相器芯片，U4为LED驱动芯片，U5为PSE控制芯片，U6、U8均为电源转换芯片，U7为PD控制芯片，R1~R12均为电阻，D1~D14均为二极管、C1~C13均为电容，Q1、Q2均为三极晶体管，L1~L3均为电感，B1为电动三可调镜头的直流电机，D11、D12均为整流桥。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：
[0021] 如图1所示，大尺度粒子图像测速仪包括智能相机、镜头控制模块、LED补光灯控制模块、PoE控制模块、镜头、LED灯。PoE控制模块的输入端与直流电源连接，PoE控制模块的电源输出端与电源转换模块的输入端连接，PoE控制模块的数据输出端接以太网，镜头控制模块的输入端、LED补光灯控制模块的输入端、PoE控制模块的输出端分别与智能相机连接，镜头控制模块的输出端与镜头连接，LED补光灯控制模块的输出端与LED灯连接。
[0022] 智能相机包括TMS320DM642芯片、CMOS图像传感器、程序存储器（Flash Memory）、仿真器、内存芯片、物理层器件RTL8201。PoE控制模块包括PSE（供电）控制模块和PD（受电）控制模块。
[0023] 本实用新型采用TI公司的高性能数字媒体处理芯片TMS320DM642作为智能相机的DSP处理器。TI公司的高性能数字媒体处理芯片TMS320DM642（简写为DM642）是基于C64x+内核的高性能数字媒体处理器，其主频可达600MHz，处理能力可达4800MIPS。DM642片上带有3个双通道（A、B两通道）数字视频口，可同时处理多路数字视频流，专为多路高分辨率、高帧率视频图像处理而设计。图像传感器选用Micron公司的MT9T001型CMOS传感器，Micron 创新的 300 万像素 MT9T001 CMOS 影像传感器拥有开创性的 Micron 低噪音 DigitalClarity 技术，无需增加电源需求，即可在信噪比和弱光灵敏度的基础上，创造出与 CCD 画质相媲美的高分辨率优质影像，并在最大分辨率下可实现12fps的连续采集，既适用于静态图像捕捉又适用于连续视频采集。TMS320DM642芯片通过视频接口与CMOS图像传感器相连；通过输入/输出端口（GPIO）与镜头控制器、LED补光灯控制器相连；通过64bits的外部存储器接口（EMIF）连接程序存储器（Flash Memory）；通过64bits的外部存储器接口（EMIF）连接4片16bits的动态随机存储器DRAM作为内存；通过JTAG接口连接仿真头（Hurricane header）和XDS510仿真器。
[0024] 本实用新型中的镜头采用的是电动三可变光学镜头，智能相机的处理器TMS320DM642芯片通过镜头控制器控制电动三可变光学镜头直流电机的转向和角度，实现对镜头的光圈、焦距和对焦的控制，得到系统所要求亮度和大小的图像，本实用新型所采用的三可变镜头电机驱动电压为DC 8V。
[0025] 镜头控制电路的电路图如图2所示： U1、U3为光耦芯片，采用光耦芯片PC817；U2A、U2B为反相器，采用反相器芯片DM74LS04M；Q1、Q2为三极晶体管，采用晶体管2N2712。
B1为电动三可变光学镜头的直流电机。DM642_GIO4、DM642_GIO5分别与U2A、U2B的1脚相连；U2A、U2B的2脚分别通过470 的限流电阻R1、R2与U1、U3的2脚相连；U1、U3的3脚分别与Q1、Q2的基极相连；U3的4脚与Q1的发射极、Q2的集电极相连。当DM642_GIO4=1，DM642_GIO5=0时，经过反相器后，反相器U2A输出为低电平，反相器U2B输出为高电平，此时光耦U1导通，U3截止，VOUT输出+8V，直流电机正转；当DM642_GIO4=0，DM642_GIO5=1时，经过反相器后，反相器U2A输出为高电平，反相器U2B输出为低电平，此时，光耦U1截止，U3导通，VOUT输出-8V，直流电机反转；当DM642_GIO4=1，DM642_GIO5=1时，经过反相器后，反相器U2A、U2B均输出高电平，此时，光耦U1、U3均截止，VOUT输出0V，直流电机不转动。因此，DM642通过对两个控制端的控制即可实现对镜头的光圈、焦距和对焦的控制。
B1为电动三可变光学镜头的直流电机。DM642_GIO4、DM642_GIO5分别与U2A、U2B的1脚相连；U2A、U2B的2脚分别通过470 的限流电阻R1、R2与U1、U3的2脚相连；U1、U3的3脚分别与Q1、Q2的基极相连；U3的4脚与Q1的发射极、Q2的集电极相连。当DM642_GIO4=1，DM642_GIO5=0时，经过反相器后，反相器U2A输出为低电平，反相器U2B输出为高电平，此时光耦U1导通，U3截止，VOUT输出+8V，直流电机正转；当DM642_GIO4=0，DM642_GIO5=1时，经过反相器后，反相器U2A输出为高电平，反相器U2B输出为低电平，此时，光耦U1截止，U3导通，VOUT输出-8V，直流电机反转；当DM642_GIO4=1，DM642_GIO5=1时，经过反相器后，反相器U2A、U2B均输出高电平，此时，光耦U1、U3均截止，VOUT输出0V，直流电机不转动。因此，DM642通过对两个控制端的控制即可实现对镜头的光圈、焦距和对焦的控制。
[0026] 如图3所示的LED驱动模块的电路原理图。LED补光灯用于在自然光照条件不足时为水面提供光照，增强示踪物和水体的亮度对比。采用高功率LED二极管，工作电压为1.6V—1.8V，工作电流为600mA—800mA。图中U4为LED驱动芯片，采用高功率LED驱动芯片MBI1801。图中U4用于驱动6个LED，U4的1脚接DM642的GIO3，通过对U4的1脚的控制，可实现对LED红外二极管的驱动控制；+12V直流电源经过一个1K的分压电阻R6和一个0.1uF的滤波电容C2后再接到U4的2脚，对U4进行供电；U4的2脚经过一个5.1V的稳压管D7后与3脚一起接地；+12V直流电源经过一个100uF的滤波电容C1和一个3 的分压电阻R5后与6个串联的LED的阳极相连，串联的LED的阴极与U4的5脚相连；U4的4脚经过一个2K的限流电阻R7后接地。
[0027] PoE控制模块包括依次连接的供电控制模块（PSE控制模块）、受电控制模块（PD控制模块）。供电控制模块的输入端接+48V直流电源，输出端将+48V直流电源注入到以太网4、5，7、8双绞线对的中点，受电控制模块的输入端从以太网线4、5，7、8双绞线对中分离出+48V直流电源后送入电源转换模块得到3.3V、1.8V、1.4V的直流电用与给智能相机的DSP芯片以及外围电路供电，受电控制模块将分离的数据信号通过以太网线、以太网接口与智能相机的物理层器件连接。
[0028] PSE控制模块将+48V的电源注入到以太网双绞线的一端，在智能相机端，PD控制模块将以太网双绞线内的+48V电源信号和数据信号分离，分离的数据信号通过RJ-45接入TMS320DM642内部，分离的电源信号接入电平转换模块。
[0029] 如图4和图5所示的PoE控制模块的电路原理图，图4为PSE控制原理图，图5为PD控制原理图。PoE由供电设备（PSE）和受电设备（PD）组成，PSE负责将电源注入以太网线缆，并实施功率的规划和管理。PD负责在网络终端设备中分离出48V直流电源和数据信号，并将该48V直流电源变压转换为通常情况下终端设备工作所需的5VDC。
[0030] 如图4所示，U5为PSE控制芯片LTC4263-1。U5的1脚为口状态LED驱动脚。电感L1和二极管D8构成LED驱动电路，经过一个1K的电阻R8与U5的1脚相连。LED从+48V中获得电源。当口被连接到一个PD并且被供电时，LED被点亮，当口未被连接或者被连接到一个150欧姆或者短接的非供电终端设备时，LED将被熄灭。U5的2、3、4、5、6、7脚均直接接地。U5的12、13、14脚经过一个0.1uF的滤波电容C3后接地。+48V的直流电源经过一个0.1uF的滤波电容C4后接入U5的电源输入脚11脚。U5的电压输出脚9脚和10脚相连，经过一个0.1uF的滤波电容C5和一个瞬间电压抑制器D10，将+48V直流电源经过一个自恢复保险丝F1注入以太网电缆的4、5，7、8线对。
[0031] 如图5 所示，U7为PD控制芯片LTC4264，U6为48V转5V电源转换芯片。从PSE传输过来的电压经过整形桥D11或D12整流后极性已经确定，U7的12脚为地，相对7、8号VOUT输出脚12号脚电势为高电平，因此将整流出的正向电压加载在12脚，负电压加在5、6脚，7、8脚作为其他器件的参考地。U7的3脚经过一个45.3K的分级电阻R9来设置功率分级类别。U7的输出脚12脚经过一个100uF的滤波电容C7接U6的1脚。U6的3脚、5脚均直接接地。U6的2脚经过一个330uH的电感L2和330uF的电容C8构成的滤波电路输出+5V直流电压。
[0032] 鉴于智能相机中DSP芯片个工作电压和外围电路的工作电压不同，DSP芯片的工作电压为+3.3V，外围电路的工作电压为+1.8V、+1.4V，所以PoE模块中的受电模块（PD模块）包含三个DC/DC转换电路分别将+5V直流电分别转换为+3.3V、+1.8V、+1.4V直流电。
[0033] 电源转换模块的电路如图6所示。电源转换芯片U8采用AOZ1010。经过PD转换成的+5V直流电源经过一个10uF的滤波电容C13后再接到电源转换芯片U8的2脚。U8的7脚与8脚相连，经过一个3.3uH的电感L3和31.6K的电阻R13后与U8的4脚相连。U8的
4脚经过一个10K的电阻R12后接数字地。U8的5脚经过一个31.2K的电阻R11和1000pF的电容C12后与3脚一起接模拟地。U8的输出引脚7、8脚通过由L3、C9、C10和C11组成的LC滤波电容后输出+3.3V直流电源，供系统使用。对于+1.8V或+1.4V的直流电源产生电路原理图，只需将R13改成12.7K或改成7.5K的电阻即可产生+1.8V或+1.4V直流电源。
4脚经过一个10K的电阻R12后接数字地。U8的5脚经过一个31.2K的电阻R11和1000pF的电容C12后与3脚一起接模拟地。U8的输出引脚7、8脚通过由L3、C9、C10和C11组成的LC滤波电容后输出+3.3V直流电源，供系统使用。对于+1.8V或+1.4V的直流电源产生电路原理图，只需将R13改成12.7K或改成7.5K的电阻即可产生+1.8V或+1.4V直流电源。
[0034] 本实用新型所述的大尺度粒子图像测速仪的工作原理为：DM642通过CMOS图像传感器获取待测水面图像，并对所获取的水面图像进行分析处理，通过EMAC接口实现智能相机与上位机的通信；DM642发送指令使镜头控制模块调整电动三可变光学镜头直流电机，从而调整电动三可变光学镜头的光圈、焦距、焦距；DM642在拍摄环境采光条件不佳的时候发送指令给LED控制模块开启LED灯，为水面提供光照增强示踪物和水体的亮度对比；仿真头（Hurricane header）和XDS510仿真器用于将PC机开发的粒子图像测速的程序代码下载至TMS320DM642，进行调试。 PoE控制模块实现用一根以太网电缆同时传输以太网信号和直流电信号。
[0035] 综上所述，本实用新型采用了工业相机的设计方案，在300万像素（2048×1536）的空间分辨率下可获得12fps的帧速率，保证了大尺度下水面示踪物的识别和跟踪所需的图像细节，并可在数秒内完成图像序列的采集、流速场的获取和流量的估计。因此，能在常规和极端水文过程期间对难以到达的测点实施密集测量。采用预置主时钟分频器产生脉冲信号的方式硬件触发图像传感器的快门实现单帧曝光，保证帧间计时准确，流速测量精确。尽管智能相机可以输出图像以帮助用户去理解数据，由于其基本输出不是高清图像，而是水面流场信息，使得需要存储和传输的数据量大大减少，节省了通信带宽；同时，这种分布式处理的方案大大减少了地面监测站中上位机的工作量，能够避免由于网络拥塞等情况造成图像数据拥塞或丢失而引起的测量误差，使得系统的实时性得以增强。
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