紫外成像仪研制系统中视频接口设计与实现

侯思祖　贺佳玮

摘  要： 针对高灵敏紫外成像仪国产化研发中视频接口数据采集与相机控制问题，设计可见光和紫外光接口转换板。首先，在整个系统中分别用可见光Sony相机和紫外相机采集视频信号，分别经LVDS接口和紫外接口接入到根据有效视频捕捉协议BT.1120，BT.656所选择芯片ADV7513搭建的视频转换板，并将转换板设计为HDMI接口形式接入海思平台，实现紫外成像仪的视频接入显示和相机控制功能在Linux系统上Qt图形界面的实现。经实验证明，该设计实现了紫外成像仪研制中有效视频的捕捉显示和双镜头控制的功能。

关键词： 紫外成像仪; 视频接口设计; 视频信号采集; 视频转换板; 视频接入显示; 相机控制

中图分类号： TN722.1+2?34; TP274.2              文献标识码： A                   文章编号： 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

紫外成像技术能有效、直观地观测到高压设备放电的情况[1?2]，为带电检测提供了新的强大的诊断手段。紫外成像仪对于电力与铁路行业中的故障检测越来越受到重视，且发展到了可在白天进行检测的水平，这从根本上拓展了紫外成像仪长期应用受限的短板。而在紫外成像仪的研制过程中如何将相机所采集到的视频数据显示且传送到后方处理系统等问题也是日益受到重视且被研究。不同设备间连接的最关键的地方在于接口和协议的规定，只有合适的接口才能使两者可靠有效连接并对设备进行有效的控制[3]。本文研究的内容是设计以ADV7513芯片为主的接口转换板实现视频捕捉功能再以HDMI接口形式输入至海思平台，并通过对Sony Visca协议和紫外相机协议的解析实现双镜头的控制。对未来实现高灵敏紫外成像仪的国产化研发具有长远意义。

1  系统总体设计

为了实现紫外成像仪视频数据的有效捕捉和双镜头的有效控制，本设计将研制系统分为可见光相机、紫外相机、可见光接口和紫外接口转换板以及海思平台，总体设计方案如图1所示。可见光和紫外接口板的设计包括设计专用传输线缆将前端镜头的对接，通过选取STM32F103C8T6作为整板的CPU，I2C总线实现对ADV7513芯片的控制。其中，对于可见光视频接口LVDS[4]需要利用THC63LVD104C完成了LVDS转TTL电平的功能。THC63LVD104C的电路原理图如图2所示。再经ADV7513芯片成功将传输进来的混合数据根据可见光视频BT.1120协议和紫外视频BT.656[5]的协议进行有效数据的提取，最后以HDMI接口的形式传输至海思平台。在海思平台中对可见光相机Sony Visca协议和紫外相机协议的解析，以Qt图形界面形式实现双镜头的控制功能。

2  硬件设计

2.1  可见光LVDS接口电平转换设计

可见光接口转换板设计的主要内容是将可见光相机Sony CV7520工业相机所采集到的视频数据根据USL00?30L?C的30线排线经LVDS接口进入接口转换板。在此接口转换板中必须先经过电平转换芯片THC63LVD104C芯片将LVDS电平转换为TTL电平后，才能通过ADV7513芯片对视频数据拆分，提取出有效视频，再将视频数据通过HDMI接口输入至海思3531D平台处理后显示成功。其中，可见光镜头LVDS接口输出的信号是低摆幅差分对信号，包括一个通道的时钟信号和几个通道的串行数据信号。值得注意的是在管脚的设计中，时钟管脚TXCLK的频率设置取决于所输出的视频分辨率和帧数，当输出模式为1 080P/60 f/s时，TXCLK为148.5 MHz;输出模式为1 080P/300 f/s时，TXCLK为74.25 MHz; 输出模式为1 080i/60 f/s时，TXCLK为74.25 MHz;输出模式为720P/60 f/s时，TXCLK为74.25 MHz。

2.2  HDMI接口设计

将可见光LVDS接口和紫外接口分别通过转接板以HDMI接口形式输出至显示屏或海思平台进行再处理是本设计的重要实现目标。故采用ADV7513芯片，其内部结构如图3所示。ADV7513芯片中共有24个数据输入管脚，实际数据输入管脚的接入选择是有遵循模式的，本设计输入YCbCr 4∶2∶2数据模式（24 bit，20 bit， 16 bit），根据内同步与外同步的设置模式选择接入方式。本文采用内嵌同步模式，ADV7513硬件连接图如图4所示，管脚0～11接入Y流数据，管脚11～23接入Cr、Cb流数据;采用YCbCr422/20 bit输入时，管脚0～3空闲，管脚4～13接入Y流数据，管脚14～23接入Cr，Cb流数据;采用YCbCr422/16 bit输入时，管脚0～7空闲，管脚8～15接入Y流数据，管脚16～23接入Cr，Cb流数据。

2.3  STM32控制设计

本文设计转换板的微控制器采用STM32F103C8T6微处理器，它是ST公司推出基于ARM Cortex?M3内核的32位闪存微控制器[6]。该处理器可以很好地满足在视频接口转换板中控制系统处理中断的功能，实现可见光视频和紫外视频采集及相机等功能的控制。其外围电路图如图5所示，。管脚15，16，42，43分别为两对I2C总线SCL1，SDA1和SCL2，SDA2;管脚12，13，21，22分别为两对串口接收信号RXD和发送信号TXD;管脚41HPD1，25HPD2为热插拔信号。为完成有效视频捕捉，在STM32F101的I/O口模拟中，采用I2C总线控制ADV7513芯片;另外，利用STM32进行串口的控制，通过对串口的设置实现对双镜头的控制功能。

3  软件逻辑及关键技术研究

3.1  可见光和紫外视频采集接口逻辑设计

可见光Sony FCBEV7520相机和紫外专用相机采集到的视频数据以分别以BT.1120和BT.656标准格式输入至转换板，当ADV7513接收数据信息时，通过STM32对I2C总线进行配置，分别根据各自图像格式对ADV7513内部寄存器进行配置。主要配置寄存器地址包括：0x16（设置输出制式，色彩深度，输入管脚设置），0x17（设置输入宽高比使能内部DE信号发生器），0x30～0x3A，0xD7～0xDB（对于嵌入式同步的设置DE，Hsync和Vsync发生器），0x15（设置输入IIS采样时钟（音频）和视频制式为16 bit YCbCr422）。按要求配置好芯片之后，经SMT32F103C8T6对ADV7513芯片的读写成功完成对可见光和紫外视频有效数据的捕捉，再以HDMI接口格式输出至后台。最后，完成了在紫外成像仪中根据可见光BT.1120协议和紫外视频BT.656协议提取有效视频数据的功能。

3.2  海思平臺接入设计

当完成转接板的硬件设计，实现对可见光相机和紫外相机视频的接收后将这两路视频以HDMI接口的形式输入至本设计所采用海思3531D平台[7?8]可对视频数据再做后续处理，如视频融合、配准等操作。本设计主要实现两路视频与海思平台的连接成功，在海思平台上实现视频的VI/VO显示切屏功能，能更好地分析前端设备对于视频数据的提取效果及视频数据的捕获功能效果。VO切屏显示的流程如图6所示。设计过程中关键部分：启动VI或VPSS;调用HI_MPI_VI_GetFrame或HI_MPI_VPSS_GetFrame;手动映射;通过pSrc访问数据。

3.3  Qt图形界面设计

本文中对于Qt图形界面[9?10]中的设计主要在于实现整体图形界面中关于控制功能的可应用性。可见光相机采用Sony Visca协议实现对相机的对焦、去噪等控制功能，紫外相机采用自定义的协议进行变倍、增益调控等操作。

由于需要实现的控制功能都是通过串口实现，所以首先要设计Qt下的串口通信。串口通信是借助一个QSerialPort的对象来实现的，在设置QSerialPort对象对串口的名称、波特率、数据位、校验位、停止位等参数后，方能对串口进行读写。用SerialPort类实现串口功能，设置和打开串口。在mainwindow.cpp文件中设置以上关于串口通信开始、关闭的函数以及信号和槽的连接，按键使能函数等。调用在CCameraserialmanager.cpp文件控制功能接口，在CCameraserialmanager.cpp实现对紫外和可见光进行控制协议的解析。关键代码如下：

{connect（timer， SIGNAL（timeout（））， SLOT（timerSlot（）））;                                                                //连接信号和槽

void MainWindow：：on_pushButton_2_clicked（）{

//图像变倍

std：：string strKey;

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

}

bool

}

协议解析部分：

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;

} }

实验所设计的可见光和紫外转换板实物图如图7所示。搭建海思平台对所采集到的视频图像进行采集，并在Qt图形界面实现可见光镜头对焦模式、曝光模式、图像反转、曝光时间、变倍等功能，紫外镜头获取紫外计数值、去噪、累计、调节增益等功能。Qt图形控制界面如图8所示。

4  结  语

本文介绍一种高灵敏紫外成像仪中视频接口设计方案，通过设计可见光接口和紫外接口转换板实现了视频信号以HDMI接口形式显示或输入至海思平台进行二次处理。通过对控制协议的解析和海思平台Qt图形界面的设计，实现了可见光镜头和紫外镜头的控制功能，保证了能及时有效观察到紫外放电情况。此研究在未来紫外成像仪的研制设计中具有广泛价值。

注：本文通讯作者为贺佳玮。

参考文献

[1] 郭雪.便携式紫外巡线仪图像处理系统研究[D].哈尔滨：黑龙江大学，2017.

[2] 彭吉龙，冯桃君，石恩涛，等.多谱段全日面极紫外成像仪[J].空间科学学报，2019，39（2）：214?221.

[3] 颜哲，卢俊，田泽.多格式数字视频输入接口的设计与实现[J].计算机技术与发展，2015（4）：181?184.

[4] 雷武伟，文丰，刘东海，等.基于LVDS的高可靠性远距离数据传输设计[J].电子技术应用，2019，45（6）：130?134.

[5] 刘云川，龚向东.BT.656数字视频流的处理及其硬件实现[J].液晶与显示，2013，28（2）：238?243.

[6] 张磊，漆瑞，陈萧.浅谈STM32微控制器中断管理器的应用[J].计算机产品与流通，2018（10）：115.

[7] 皮玉华.基于海思Hi3531的高清视频解码器硬件系统设计[J].中国公共安全（学术版），2016（2）：124?126.

[8] 王侃.基于SDI传输及海思hi3531高清数字视频录像机在医院手术室的应用[J].黑龙江科技信息，2015（36）：199.

[9] 赵北庚.Windows系统下Qt图形界面集成开发环境搭建[J].科技经济导刊，2016（9）：20.

[10] 沈炜，王晓聪.基于Qt的嵌入式图形界面的研究和应用[J].工业控制计算机，2016，29（1）：101?102.