摘 要：DS-21-01M60相機是DALSA公司推出的一款單色高速數字相機。介紹了該相機的硬件接口原理以及同圖像處理系統" title="圖像處理系統">圖像處理系統接收圖像數據" title="圖像數據">圖像數據的硬件接口電路設計。
關鍵詞：DS-21-01M60相機 Camera Link總線? 圖像處理系統? 硬件接口
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??? 目前，在可見光情況下，大部分圖像處理系統所應用的相機都是模擬相機，而圖像處理系統所要處理的圖像數據則是數字信號，因此需要對模擬相機輸出的模擬圖像信號進行數字化處理，這無疑增加了圖像處理系統的信號采集部分硬件設計的復雜性。同時，由于模擬圖像信號標準的限制，使得數字化后的圖像分辨率及幀頻固定，因此對于圖像分辨率及幀頻要求都較高的圖像處理系統中，模擬相機就不再適用了。部分圖像處理系統中雖然使用了傳統的數字相機，但由于傳統數字相機多采用LVDS傳輸圖像數據和各種控制信號" title="控制信號">控制信號，使得硬件接口的線數較多，增加了連接、調試和檢查的難度。本文介紹的DS-21-01M60相機(以下簡稱1M60）是DALSA公司推出的一款單色高速數字相機，該相機不但硬件接口簡單、圖像分辨率及幀頻都高于模擬相機和傳統數字相機，而且幀頻、觸發模式、圖像數據的輸出位數、圖像輸出格式都可以通過異步串口發送命令進行控制。
1 1M60相機簡介
??? 1M60數字相機可提供高靈敏度的12位圖像。為了同時獲得卓越的分辨率和灰度級，1M60相機采用DALSA公司的TrueFrame累進掃描CCD圖像傳感器——FTT 1010-M。圖1所示為FTT 1010-M圖像傳感器的結構圖[1]。1M60相機圖像分辨率為1 024×1 024，像素尺寸為12μm×12μm,外形尺寸為94mm×94mm×45mm，功耗小于15W，供電電源電壓為12～24V。
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??? 通過異步串口向1M60相機發送控制命令和診斷命令，可以控制相機輸出圖像的增益、補償、幀頻、暴光時間、暴光模式和測試圖像的輸出，同時還可以對相機進行診斷。串口協議：1位開始位、8位數據位、無奇偶校驗位、1位停止位，通訊波特率為9 600bps（相機默認），而通過設定波特率命令，可設定通訊波特率為19 200bps、57 600bps和115 200bps。
??? 在一個時鐘周期內同時輸出兩個像素的情況下（簡稱雙拍輸出），像素數據輸出時鐘為40MHz，最高幀頻可達60幀/秒。通過設定像素數據格式命令，可以設定像素數據為8位、10位或12位。
??? 通過像素輸出模式命令可以選擇用單拍輸出圖像數據還是用雙拍輸出圖像數據。由于雙拍輸出圖像數據具有特殊性，這里僅介紹雙拍輸出圖像數據情況下的時序和圖像的重構顯示。雙拍輸出像素數據時序如圖2所示[2]。在雙拍工作時，場有效時間為16ms，行有效時間為12.8μs，每行有效期間內包含512個像素輸出時鐘，像素的輸出方式是一行中的第1個像素和第513個像素同時輸出，依次類推。圖像輸出格式為逐行輸出。
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??? 1M60相機共有五種暴光模式，可以通過設定暴光模式命令來為相機選擇合適的暴光模式。具體暴光模式如下：
??? (1)模式2：內部觸發方式" title="觸發方式">觸發方式，幀頻和暴光時間可用相應的命令控制，最大幀頻為57幀/秒。
??? (2)模式3：外部觸發方式，幀頻固定為60幀/秒，暴光時間固定。
??? (3)模式4：外部觸發方式，幀頻和暴光時間都由外部觸發信號控制，即外部觸發信號的高電平階段為暴光時間，外部觸發信號的頻率為幀頻，最大幀頻為57幀/秒。
??? (4)模式6：外部觸發方式，幀頻固定為57幀/秒，暴光時間可用相應命令控制。
??? (5)模式7：內部觸發方式，幀頻可用相應的命令控制，最大幀頻為60幀/秒，暴光時間固定。
??? 對于某些需要延遲一些時鐘周期后再接收數據的圖像處理系統，可以用設置預觸發命令來進行延遲，最大延遲為15個時鐘周期。通過設置視頻模式命令，可以使1M60相機的視頻輸出為正常模式還是測試模式，1M60相機有多達15種視頻輸出測試模式。
??? 1M60相機的命令以ACSII碼的形式發送。向相機發送命令時，以回車符作為結束。相機上電后，相機背后的指示燈閃爍，同時通過串口發送Camera Initialization in process, Please Wait…OK>字符串。當收到OK>字符串時，表明相機要開始傳送圖像數據，這時，相機背后的指示燈不再閃爍。當相機收到有效的命令時，會返回OK>字符串作為應答，否則，返回Error x: Error Massage>字符串作為應答。其中，x為錯誤標號，Error Massage表示對錯誤的具體說明。相機的應答字符串以符號>作為結束符。這里不對命令和出錯后的處理方法進行敘述，詳細的命令說明和用法以及出錯處理可參考文獻[1]的附錄B。
2 1M60相機的硬件接口
??? 1M60相機輸出圖像數據使用的是Camera Link總線。該總線是在National Semiconductor公司開發的Channel Link總線技術基礎上由多家相機制造商共同制定的總線標準，是專為可見光數字相機制定的一種圖像數據、視頻數據控制信號及相機控制信號傳輸的總線接口，數據傳輸速率最高可達2.38Gbps。Camera Link總線標準規定了接口模式、相機信號、端口配置、圖像數據位配置、連接器和連接器引腳定義及連接線、標準接收器芯片組。下面結合這些規定，對1M60相機的硬件接口進行說明。
2.1 接口模式
??? 圖3[2]所示為Camera Link總線發送端與接收端的框圖，也是該總線的基本模式。圖中，Camera Link總線發送端將28位并行數據轉換為4對LVDS串行差分" title="差分">差分數據傳送出去，同時還有一對LVDS串行差分數據線用來傳輸圖像數據輸出同步時鐘，而總線接收端將串行差分數據轉換成28位并行數據，同時轉換出同步時鐘。這樣不但減少了使用的傳輸線數量，而且由于采用串行差分傳輸方式，還減少了傳輸過程的中的電磁干擾。
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??? Camera Link總線除了基本模式外，還包括中等模式和完整模式。中等模式是兩個基本模式的疊加，而完整模式則是三個基本模式的疊加。1M60相機使用基本模式，其28位數據線用來傳輸圖像像素數據和視頻數據控制信號。
2.2 相機信號
??? 根據Camera Link總線標準的規定，1M60相機包含以下幾種相機信號：
?? (1)相機控制信號
??? Camera Link總線標準共規定了四個相機控制信號:CC1、CC2、CC3、CC4。1M60相機僅使用了其中的CC1控制信號，用作外部觸發信號輸入端，即當1M60相機工作在暴光模式3、4、6時，外部觸發信號由此引腳輸入。1M60相機雖然沒有使用CC2、CC3、CC4控制信號，但在硬件接口上保留了相應的引腳。
?? (2)視頻數據控制信號
??? 1M60相機共有四個視頻數據控制信號：幀有效信號、行有效信號、數據有效信號和一個備用信號。這四個信號的作用是：當幀有效信號為高時輸出有效行；當行有效信號為高時輸出有效圖像數據；數據有效信號是Camera Link總線標準為了兼容沒有時鐘信號輸出的低速數字相機而規定的，1M60相機中該信號始終為高電平；備用信號保留了相應的引腳，但沒有規定用途，這是為了與Camera Link總線標準相符合的需要。
??? (3)電源輸入
??? 圖4所示為1M60相機電源插座[1]，這也是Camera Link總線規定的標準相機電源插座 。表1給出了電源插座各引腳的定義。
??? (4)異步串口通信
??? 1M60相機定義的異步串口通信信號對名稱及用途如下：
??? ±SerTFG：相機向圖像處理系統發送數據的LVDS數據對。
??? ±SerTC：圖像處理系統向相機發送數據的LVDS數據對。
2.3 端口配置
??? Camera Link總線標準規定，在完整模式下，最多可以使用八個端口（Port A～Port H）傳輸數據，每個端口為8位數據。1M60相機使用Port A～Port C端口，其端口定義如表2所示。表中的發送器是1M60相機中使用的Camera Link總線發送器，接收器是1M60相機圖像處理系統中要使用的Camera Link總線接收器。本文所使用的Camera Link總線接收器是National Semiconductor公司的Camera Link總線接收器芯片DS90CR288A。
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2.4 連接器和連接器引腳定義及連接線
??? Camera Link總線標準規定，使用的連接器是26個引腳的MDR26連接器，連接線使用的型號是14X26-SZLB-XXX-0LC。1M60相機連接器引腳和圖像處理系統連接器引腳的定義如表3所示。
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3 圖像處理系統的硬件電路設計
??? 圖像處理系統的硬件連接框圖如圖5所示。從圖5中可以看出，圖像處理系統的硬件電路包括四個部分：
??? (1)用一個MDR26連接器將1M60相機的圖像數據和各種控制信號引入圖像處理系統中。由表3可知圖像處理系統中MDR26連接器的各引腳的定義。
??? (2)由于1M60相機的數據傳輸時鐘達到了40MHz，因此選用National Semiconductor公司的Camera Link總線接收器芯片DS90CR288A作為接收Camera Link總線信號的接收器。該芯片輸入時鐘范圍在20M～85MHz，3.3V電源電壓，56引腳，TSSOP封裝[3]。DS90CR288A芯片將1M60相機輸出的五對差分信號（X0+，X0-）、(X1+,X1-)、(X2+,X2-)、（X3+，X3-）、（Xclk+，Xclk-），轉換為24位圖像數據、FVAL信號、LVAL信號、DVAL信號、Spare信號以及1M60相機圖像數據輸出時鐘信號（即圖5中的CLKOUT信號）。
??? (3)為了對1M60相機進行外部觸發方式控制以及向1M60相機發送命令，用四通道CMOS信號轉換為LVDS差分信號的芯片DS90LV047[4]作為圖像處理系統向1M60相機發送外同步觸發信號和轉換的命令。
??? (4)為了接收1M60相機向圖像處理系統發送的應答字符串，選用DS90LV048[5]芯片作為圖像處理系統接收器。DS90LV048芯片是四通道LVDS差分信號轉換為CMOS信號的驅動器。其他沒用的信號沒有連接。
??? 使用1M60相機的圖像處理系統相對于使用模擬信號相機的圖像處理系統，在硬件上省去了模/數轉換芯片，可以不用考慮模擬信號與數字信號之間的隔離，減少了硬件開發的負擔。同時，在系統軟件中也省去了對模/數轉換芯片的初始化部分，減少了軟件的工作量。
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??? 綜上所述，1M60數字相機具有硬件接口簡單，連接線數少，可編程控制，多種暴光模式，分辨率高，圖像數據傳輸速度快，體積小等特點。正是由于1M60相機的這些卓越性能，在要求高速、高分辨率、低對比度的圖像處理場合中必將得到廣泛的應用。目前，該相機已應用于某863計劃項目中作為圖像處理系統的相機，取得了令人滿意的效果。
參考文獻
[1] DALSA公司. Pantera TF 1M60 and 1M30 User’s manual?and reference.2004.
[2]?DALSA公司. DALSA implementation road map.2004.
[3] ?National Semiconductor公司.DS90CR287/DS90CR288A +3.3V rising edge data strobe LVDS 28-bit channel link-
?85 MHz.2004.
[4]?National Semiconductor公司. DS90LV047A 3V LVDS?quad CMOS differential line driver.2003.
[5] National Semiconductor公司. DS90LV048A 3V LVDS quad ?CMOS differential line driver.2001.
《電子技術應用》2007年第2期