基于以太網絡的宇航用高清攝像機的硬件設計

袁承宗，李 賢，張 震，葉 盛，蔡非凡

(上海電子技術研究所，上海 201109)

基于以太網絡的宇航用高清攝像機的硬件設計

袁承宗，李 賢，張 震，葉 盛，蔡非凡

(上海電子技術研究所，上海 201109)

由于目前現有工業用攝像機無法滿足空間大溫度范圍、強振動環境等要求，提出了能夠適應空間環境的基于以太網絡視頻傳輸的高清一體攝像機。該攝像機在完成包括H.264，JPEG2000，MPEG4等圖像編碼算法的同時，支持空間以太網絡協議進行傳輸和控制。針對宇航環境使用要求，從結構設計、力學設計、熱設計、電磁兼容設計等方面進行可靠性設計和仿真驗證，滿足質量輕、溫度適應性好、可靠性高等要求。經過鑒定試驗驗證，所設計的高清一體攝像機可以可靠地在空間嚴苛環境中工作。

宇航用；高清；攝像機；可靠性設計和驗證

隨著載人飛船和空間實驗室的成功發射和對接，我國的航天事業受到前所未有的關注。在整個發射、飛行、回收過程中，對于飛船艙的飛行狀態、宇航員艙內活動等情況都希望能夠有實時的圖像視頻進行監控。目前，支持1 080p及以上的高清CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器已經廣泛應用于民用視頻監控領域，隨著圖像技術的飛速發展，在宇航環境中進行高清實時監控也成為可能。本文主要設計基于空間以太網絡視頻傳輸的高清一體攝像機。該攝像機使用TI公司的TMS320DM6467為主要處理核心，完成包括H.264，JPEG2000，MPEG-4等圖像編碼算法，支持UDP，RTP，TCP/IP等多種網絡傳輸協議[1]。針對宇航環境使用要求，本文從結構、力學、熱等方面闡述如何設計滿足質量輕、溫度適應性好、可靠性高的高清攝像機。

1 高清攝像機的系統設計方案

根據對性能指標的分析，攝像機擬選用大視場單鏡頭帶靜態JPEG壓縮和動態H.264壓縮的高清一體機的方案。

攝像機由光學系統、CMOS圖像傳感器成像系統、圖像控制和圖像壓縮處理系統、對外輸入輸出接口模塊、電源處理模塊和機械結構系統等部分組成。光學系統對光線進行采集和處理，將視場內物體成像于CMOS靶面；CMOS圖像傳感器成像系統控制CMOS圖像傳感器及對圖像原始數據進行預處理；圖像控制和圖像壓縮處理系統對圖像數據進行獲取、采集并壓縮后打包通過以太網口輸出；對外輸入輸出接口模塊主要實現數據輸出網絡化、遙控指令接收、模擬遙測量輸出；電源處理模塊為各個系統提供電力能源；機械結構則為以上各個部分提供物理支撐和保護。

下文主要對圖像采集、圖像預處理、視音頻編碼3個主要模塊進行分析。

2 高清攝像機的主要硬件模塊設計

2.1 圖像采集模塊設計

圖像采集模塊主要由CMOS圖像傳感器及其外圍電路組成。根據單機指標要求，需要選擇一款低功耗、高靈敏度、低噪聲、適應高動態范圍的CMOS傳感器。根據上述選型分析，選擇CMOSIS公司的CMV4000傳感器。

CMV4000是一款不帶片上系統(SOC)的CMOS傳感器，光學尺寸為1 in(25.4 mm)，最大像素為2 048×2 048。它能在線性或高動態范圍模式通過全局快門進行圖像捕獲，同時還具備如自動曝光控制、開窗、視頻及單幀模式等功能[2]。

這款CMOS傳感器采用RGB Bayer彩色模式，輸入時鐘為5～48 MHz的TTL電平或50～480 MHz的LVDS電平。圖像信號的捕獲由CMV4000內部時序產生。圖像以像素方式存儲(全局快門)輸出時，模擬增益可設為×1.0，×1.2，×1.4 和×1.6。輸出的像素經過列ADC后轉為數字信號，經過多組LVDS通道輸出。每個LVDS通道一次讀取128個列。通過行譯碼器可將感興趣的行輸出。通過四線制SPI總線接口，改變CMOS傳感器內部寄存器的設定值可以對傳感器的電子增益、像素積分時間、傳感器曝光時間、輸出圖像大小、輸出圖像位置和圖像輸出幀率分別進行控制[3]。

2.2 圖像預處理模塊設計

針對CMV4000圖像傳感器，圖像預處理模塊主要設計架構如圖1所示。

圖1 預處理模塊和壓縮模塊之間的架構

預處理模塊主要由FPGA及外圍電路組成，FPGA選用Xilinx公司的Virtex-4 QPro-V系列的XQR4VSX55。

CMV4000作為CMOS傳感器，輸出串行(12/14/20 bit)或并行(10/12 bit)數據送至FPGA，FPGA做圖像預處理，如AE、AWB、色彩校正等，通過Color Pipeline處理可完成大部分圖像處理功能，如3A處理、黑電平校正、色彩校正、伽馬校正、色度空間轉換等。Color Pipeline處理算法流程在FPGA中實現，經過處理后通過SPI總線配置相關圖像傳感器的寄存器，來實現自動曝光等圖像預處理功能，以達到在不同環境光照的環境下圖像質量相對穩定的效果。通過Color Pipeline處理后數據可直接輸出為BT1120高清數字視頻流，通過送DM6467進行視頻壓縮。同時，根據總體需求，在不同碼率下對圖像分辨率進行變換，以適應不同輸出碼率的壓縮需求。

在進行圖像預處理的同時，FPGA對整個攝像機的狀態進行監控，通過模擬遙測接口，輸出遙測量給遙測系統，使其對整機狀態進行監測[4]。

2.3 視音頻編碼模塊設計

圖像話音壓縮電路主要由DSP及外圍電路組成，DSP擬選用TI公司的TMS320DM6467。TMS320DM6467是專為應對高分辨率視頻編解碼而設計的，是一款基于DSP的SoC，其內部集成了DSP雙內核，并集成了兩個高清視頻和圖像協處理器(HDVICP0 和HDVICP1)以及一個視頻數據轉換引擎。HDVICP0/1協處理器可實現運動補償、運動估計等運算量巨大的計算，是實現高分辨率視頻壓縮的核心模塊，它可支持H.264，MPEG-2， MPEG-4，JPEG 等標準的編碼和解碼操作。

在圖像壓縮模塊中，由FPGA將待壓縮的圖像數據通過專用的VPIF接口，以BT1120的標準協議傳輸到DM6467中。本設計中對視頻圖像的壓縮編碼使用H.264編碼標準。H.264具有比以前各種標準更好的壓縮效率。在各個模塊的實現細節方面，做了很大的改進，如采用了幀內預測編碼、采用了1/4像素運動估計、支持宏塊分割、使用抗塊效應濾波器等技術，從而有效地提高了編碼效率[5]。

H.264的算法可以分為兩層：視頻編碼層(Video Coding Layer，VCL)負責高效的數字視頻數據壓縮；網絡提取層(Network Abstraction Layer，NAL)負責以網絡所要求的恰當的方式對數據進行打包和傳送，完成高清視頻編碼。利用基于小波變換的JPEG2000算法，對靜態圖像進行壓縮。為與二期載人航天視頻體系兼容，保留了原有的MPEG4的壓縮制式，以便于其他型號飛船、地面系統等保持一致[6]。

音頻編解碼器采用TI公司的TLV320AIC23B，該芯片是一種高性能的立體聲音頻編解碼器與高度集成的模擬功能器件。TLV320AIC23B內部的模擬數字轉換器(ADC)和數字模擬轉換器(DAC)使用的是多位Σ-Δ技術的綜合采樣數字插補濾波器。數據傳輸字長為16 bit，20 bit，24 bit或32 bit，支持采樣率從8 kHz到96 kHz。

此外，本模塊還包括了話音采集及模數變換電路(話音CODEC)。話音CODEC最主要的工作有2個，第一個就是將由外界錄進來的聲波，從模擬轉成為數字的信號交由計算機系統處理，不論是從Mic In或是Line In錄進來的模擬信號都必須經過這個程序，才能夠讓計算機看得懂這些資料。另一個則是反向的流程工作，也就是將儲存在計算機中的數字音訊資料，透過CODEC還原成模擬的聲音，由Line Out或是多聲道聲卡的各聲道輸出口送出信號。由此可知，CODEC在聲卡的組件之中所扮演的角色相當關鍵，沒有CODEC就無法轉換信號的類型，重要性不低于音編解碼器。

3 宇航用攝像機可靠性設計

3.1 電源部分設計

本系統一共需要以下幾個類型的電源：+3.3 V數字電源，+3.3 V模擬電源，+2.5 V數字電源，+1.8 V數字電源，+1.2 V數字電源，地信號。

系統統一由100 V直流電壓供電，為考慮電源轉換效率和電源噪聲之間的平衡，一次母線的100 V電壓使用高效率的DC/DC，由于DC/DC輸出電源紋波較大，作為圖像傳感器的電壓輸入會明顯提高噪聲水平，影響圖像質量，因此在二次電源中各種電壓由各線性穩壓器分壓得到，以控制噪聲對圖像的影響。通過電感分別連接+5 V的數字和模擬電壓。由于本系統對于數字部分的功耗比較低，同時涉及到模數混合電路板設計，對電源的紋波要求有限制?？紤]到EMC要求，在電源的輸入端采用了一片EMI濾波器，同時在電源輸入輸出端均采用了大量LC差模濾波電路和共模濾波電感，減少輸入電壓的紋波，保證了電源紋波小于等于10 μV。

考慮到可靠性及安全性的要求，產品在電源輸入端使用了2 A的熔斷絲，確保產品內部發生短路的情況下，不影響供電母線的安全。

3.2 結構部分設計

整個圖像采集器內部共有多塊電路板組成，加上安裝EMI濾波器的一塊印制板，板與板之間通過電連接器連接；通過將各塊板子分別用塑料壓片壓固在機身內部3個面上的方法，將電路板充分減震固定，后部通過電纜將電源輸入和視頻輸出連接到后部接插件上；鏡頭通過安裝法蘭通過螺釘與機身緊固；由于單鏡頭的重量為670 kg，長度為74 mm左右，直徑為95 mm，與機身相比，兩者重量、體積基本相當，要保證安裝尺寸不變，又要考慮力學沖擊，只有盡量將安裝孔往鏡頭方向移，最大程度保證質心位置靠近安裝面，4個安裝孔均加裝橡膠減震墊；外殼采用LY12-CZ硬鋁，具備一定厚度，減少內部電子元器件所受的輻照損害。

3.3 電磁兼容性設計

EMC設計提倡折衷原則，以系統兼容為主要目的，不追求單機指標最好，不追求單項指標最佳。對攝像機而言，在兼顧重量、體積、功耗及環境適應能力的條件下，對輸出的信號進行適當的控制，以實際成像質量為參考標準，合理選取上述指標值。

在電磁兼容設計中，良好的接地可以避免各種噪聲的產生，減小電磁干擾的作用，降低對屏蔽和濾波的要求。為了回避單點接地和多點接地的缺點，充分發揮各自的優點，在本設計中，采用混合接地方式。所謂混合接地，就是對電子系統的各部分工作情況作分析，只將那些需要就近接地的點或需要高頻接地的點直接通過旁路電容與地平面相連，而其余各點采用單點接地的方法。攝像機中同時存在低頻電路和高頻電路，因此采用混合接地的方式，低頻電路單點接地，高頻電路多點接地。

4 可靠性設計的仿真驗證結果

4.1 力學仿真驗證結果

設備的機殼材料選用合金中抗拉強度最高的2A12系列硬鋁，抗拉強度不小于43.5 kg/mm2，具有質量輕、強度高、較好的高溫性能和理想的塑性等特點，被廣泛用于導彈、飛機承力構件。為了保證金屬結構件的強度，每個部件的機殼、整機機身都采用整體銑切加工成型，因此結構鋼度好，堅固可靠，固有諧振頻率較高，避免了在振頻低端出現共振現象。

印制板與殼體均采用直徑為2.5 mm的螺釘相連，螺釘的有效面積為S=3.18 ，即螺釘的拉壓面積及剪切面積均為A=3.18 。則可求得模塊連接螺釘的最大壓應力

(1)

最大剪應力

(2)

結構的安全裕度

(3)

(4)

可見，結構的安全裕度遠遠大于1。

此外，根據分析得到與螺釘連接的支柱處Z向最大載荷為-19.41 N，X向最大載荷為-18.23 N，而Y向最大載荷為-6.57 N。從而，支柱最大軸力為-19.41 N，最大剪力為-19.38 N。

設備各層殼體之間用4個直徑為5 mm的螺釘相連，螺釘的有效面積為S=13.42 ，即螺釘的拉壓面積及剪切面積均為A=13.42 。則可求得模塊連接螺釘的最大壓應力

(5)

最大剪應力

(6)

結構的安全裕度

(7)

(8)

可見，設備連接件的安全裕度遠大于0。

從強度和連接力校核分析得到，結構的安全裕度遠遠大于1，設備主要連接處螺釘的安全裕度均在200以上，主要連接部位的強度和連接力完全滿足要求。

4.2 熱學仿真驗證結果

對攝像機采用NX8.0進行建模和熱分析，分析基于有限單元。以該宇航型號鑒定級試驗高溫50 ℃為熱分析邊界條件進行熱仿真分析，分析結果表明：單機最高溫度點出現在圖像壓縮模塊上，最高溫度為74.6 ℃。整機溫度場如圖2所示，整機剖面溫度場如圖3所示。

圖2 整機溫度場(截圖)

圖3 整機溫度場剖視(截圖)

如圖3所示，攝像機內部電源模塊和壓縮模塊的溫升最大，其中最大溫升出現在壓縮模塊，模塊中DSP芯片上最高溫度可達74.6 ℃，網絡接口芯片和DDR II芯片的溫度也分別達到了72.4 ℃和70.7 ℃，其他模塊的溫升均低于15 ℃?？梢?，對于攝像機內部的熱源，二次電源模塊和接口模塊設計中均安裝散熱鋁板直接與機殼底板連接；散熱鋁板與機殼底板連接面涂導熱硅脂，以加強產品的熱傳導，可有效增強產品的導熱性能。對于整機表面溫度場，表面溫升不大。

通過分析，攝像機中選用的元器件均滿足Ⅰ級降額要求，無過熱和超出使用溫度的情況。

4.3 電磁兼容試驗測試結果

為驗證EMC/EMI設計有效性，按照GJB151A—97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》、GJB152A—97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》，通過輻射發射控制試驗(RE102)、傳導發射控制試驗(CE102)等試驗，對攝像機整機在加電正常工作的情況進行電磁兼容測試。

根據測試結果，經有效的電源隔離EMI和殼體電磁屏蔽設計，能夠通過輻射發射控制試驗(RE102)、傳導發射控制試驗(CE102)的要求，即使在RE102 600～700 MHz加嚴頻段中，也能夠滿足設計要求。

同時，攝像機也傳導敏感度試驗(CS101、CS114、CS115、CS116)，在這些電磁干擾試驗中，攝像機圖像穩定，遙測數據正常，均滿足GJB151A—97的要求。

5 結語

本文提出了基于空間以太網絡視頻傳輸的高清一體攝像機，詳細介紹了該系統的硬件設計。系統采用使用TI公司的TMS320DM6467為主要處理核心，完成包括H.264，JPEG2000，MPEG-4等圖像編碼算法，支持UDP，RTP，TCP/IP等多種網絡傳輸協議。從電源、結構等方面對其進行改進，從而滿足航天產品各項技術要求和指標。經過各種試驗，該系統視頻采集系統成像清晰、可靠，能夠很好地完成宇航型號圖像系統的需求。

[1] 黃言磊，葉光明.網絡攝像機軟件架構的研究與設計[J].電視技術，2012，36(23)：151-154.

[2] MENDIS S K，KEMENY S E，GEE R C，et al.CMOS active pixel image sensors for highly integrated imaging systems[J].IEEE Solid State Circuits，1997，32：187-197.

[3] 秦臻，曹劍中.基于TMS320DM365的高速網絡攝像機的設計[J].電子設計工程，2011，19(10)：121-124.

[4] 范鐵道，田雁，曹劍中，等.基于FPGA的CMOS圖像感器IA_G3驅動電路的研究[J].電子器件，2009(2)：269-273.

[5] Texas Instruments .TMS320DM64x digital media system-on-Chip(DMSoC)video processing front end(VPFE)user’s guide[EB/OL].[2014-12-10].http：//focus.ti.com.cn/cn/lit/ug/sprufg8c/sprufg8c.pdf.

[6] 趙勇，袁譽樂，丁銳.DAVINCI技術原理與應用指南[M].南京：東南大學出版社，2008.

袁承宗，工程師，碩士，主研圖像處理、數字視頻圖像編解碼算法與傳輸技術、嵌入式系統開發；

李 賢，研究員，碩士，主研基于嵌入式圖像預處理算法技術；

張 震，工程師，碩士，主研數字視頻圖像編解碼算法與傳輸技術、基于嵌入式的網絡協議棧的應用與開發；

葉 盛，高級工程師，碩士，主研基于嵌入式圖像預處理算法技術、圖像編解碼算法；

蔡非凡，工程師，碩士，主研微電子工藝組裝。

責任編輯：閆雯雯

Hardware Design of High Definition(HD) Camera Based on Ethernet in Space Area

YUAN Chengzong，LI Xian，ZHANG Zhen，YE Sheng，CAI Feifan

(ShanghaiAerospaceElecetronicTechnologyInstitute，Shanghai201109，China)

A new design of high definition(HD) camera based on Ethernet video transmission which adapts to space environment is proposed in this paper as existing industrial cameras cannot endure the large temperature difference and strong vibration conditions. This camera is able to code images with H.264， JPEG2000 and MPEG4 standards， which also supports aerospace Ethernet protocol for transmission and control. Reliability designs and simulations for structure， mechanical， thermal， and electromagnetic compatibility have been done against environmental requirements for aerospace， to meet high demand for light weight， good temperature adaptability and high reliability. Such designed camera has passed the qualification test and proven feasible for working in space environmen.

aerospace；High Definition(HD)；camera；reliability design

【本文獻信息】袁承宗，李賢，張震,等.基于以太網絡的宇航用高清攝像機的硬件設計[J].電視技術,2015，39(11).

TN948.41

A

10.16280/j.videoe.2015.11.028

2014-12-19