0 引言

    高速圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)高速相機拍攝圖像數(shù)據(jù)的采集、實時傳輸、處理和圖像數(shù)據(jù)存儲。通過采集的高速數(shù)據(jù)，可以觀測到高速運動物體的細微變化，從而能夠更全面地改進目標，提高目標性能。圖像數(shù)據(jù)采集使用高速面陣相機，相機數(shù)據(jù)傳輸接口為Camera Link接口。通過Camera Link接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://www.rjjo.cn/tags/FPGA" title="FPGA" target="_blank">FPGA開發(fā)板上進行實時處理，處理后的數(shù)據(jù)能夠用顯示器顯示以便更好地觀測。本文主要研究高速相機和Camera Link接口協(xié)議^[1]，設計一個能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時高速傳輸?shù)腃amera Link接口電路，節(jié)省FPGA內(nèi)部資源消耗。同時通過FPGA的緩存處理，在VGA顯示器上實現(xiàn)實時圖像顯示。

    Camera Link協(xié)議是由一些高速相機生產(chǎn)商和圖像采集卡供應商為了降低相機與采集卡之間連接的成本而聯(lián)合推出的一個標準。設計選用了Teledyne Dalsa公司的PT-41-04M60^[2]相機（以下簡稱為4M60），F(xiàn)PGA板卡采用Xilinx公司Virtex-6系列的XC6VLX240T，相機數(shù)據(jù)通過Camera Link接口傳輸?shù)紽PGA芯片上進行高速緩存處理。

1 PT-41-04M60相機簡介

    4M60相機^[2]采用Teledyne DALSA專利的CMOS傳感技術，在全分辨率4M時幀率可達62 f/s。4M60相機分辨率為2 352×1 728，像素尺寸7.4 μm×7.4 μm，有8/10 bit可選數(shù)據(jù)位，4路傳感器通道，基本（Base）和中級（Medium）兩種配置方式。相機上電后電源指示燈會閃爍一段時間表示正在初始化，初始化完畢之后指示燈變?yōu)榉€(wěn)定的綠色。在實際操作中可依據(jù)相機電源指示燈狀態(tài)變化情況來判斷相機是否正常工作。

    計算機可通過向串口發(fā)送命令來控制相機工作狀態(tài)，異步串口命令^[3]為ASCII字符，默認1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗位和握手位，波特率默認為9 600 b/s，通過串口命令sbr m可以改變波特率，m可選擇9 600（默認）、19 200、57 600、115 200幾種。相機上電后的波特率總是9 600 b/s，通過rc命令可重置相機，但重置后的波特率不是上電后的9 600 b/s，而是最近一次使用過的波特率。

    串口每條命令以回車鍵<CR>結(jié)束，相機會以ok>或Error x：Error Message>回應。x為錯誤的類型，Error Message為錯誤的具體內(nèi)容，‘>’通常為相機發(fā)送的最后一個符號，發(fā)送命令大小寫均支持。gcp<CR>為讀取相機當前配置數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)實際需求配置相機參數(shù)，相機指示燈變成穩(wěn)定的綠色后就會自動向Camera Link接口傳輸圖像數(shù)據(jù)。

2 Camera Link標準與協(xié)議

    Camera Link接口主要是利用低壓差分信號（LVDS），將相機采集的并行數(shù)據(jù)通過LVDS轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)高速傳輸，在接收端再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行，以便于FPGA進行處理。Camera Link協(xié)議主要包括相機信號和Channel Link技術兩個方面。

2.1 相機信號

    Camera Link接口規(guī)定了相機信號主要分為高速視頻信號、相機控制信號、串行通信信號和電源。

    (1)高速視頻信號

    高速視頻信號傳輸圖像數(shù)據(jù)信號，其中包括圖像數(shù)據(jù)和圖像使能信號。使能信號有4個：幀有效（FVAL）、行有效（LVAL）、數(shù)據(jù)有效（DVAL）和備用（Spare）。FVAL為高時表明輸出有效行；LVAL為高時表明輸出有效像素；DVAL為高時表明輸出有效數(shù)據(jù)。備用信號（Spare）留作備用。相機必須給每個Channel Link芯片提供上述4個使能信號。

    (2)高速相機控制信號

    Camera Link協(xié)議定義了4對LVDS信號用來傳輸相機控制信號，分別是Camera Control 1（CC1）、Camera Control 2（CC2）、Camera Control 3（CC3）、Camera Control 4（CC4）。4對信號是由圖像采集卡發(fā)給相機，相機生產(chǎn)商可以根據(jù)自己的需要來定義這4組信號。本文使用的4M60相機將CC1作為外同步信號（EXSYNC）來觸發(fā)相機輸出幀數(shù)據(jù)。其他3個信號未使用。

    (3)低速串行通信信號

    Camera Link協(xié)議使用了兩對LVDS信號來傳輸相機與圖像采集卡之間的異步串行通信信號，分別為：由相機發(fā)給采集卡的信號SerTFG(Serial communications to The Frame Grabber)和采集卡發(fā)送給相機的信號SerTC(Serial communications to The Camera)。兩對信號實現(xiàn)了計算機與相機的通信，計算機可以通過串口用ASCII字符對相機進行配置。

    (4)電源

    Camera Link連接器并不為相機提供電源，相機要通過獨立的電纜來供電，本設計中使用的4M60相機的電源插座如圖1所示，其引腳配置^[4]如表1所示。

2.2 Channel Link

    Channel Link接口是利用低壓差分信號傳輸視頻信號的新技術。如圖2^[2]所示為Channel Link主要原理圖，Channel Link是由一個并轉(zhuǎn)串驅(qū)動器和一個串轉(zhuǎn)并接收器構(gòu)成一對信號傳輸線路。在一片Channel Link接口芯片上有5對這樣的信號，4對用來傳輸數(shù)據(jù)，另外一對用來傳輸時鐘信號。傳輸數(shù)據(jù)時，在并轉(zhuǎn)串驅(qū)動器端，發(fā)送數(shù)據(jù)按照7:1的比例串行化，這樣就將28 bit數(shù)據(jù)串行轉(zhuǎn)化為4路數(shù)據(jù)，分別通過差分信號對傳輸；在接收器端又將4路串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回28 bit并行數(shù)據(jù)，方便FPGA進行數(shù)據(jù)處理。

3 系統(tǒng)設計

    高速圖像采集系統(tǒng)一般分為圖像獲取、圖像接收、圖像控制、圖像存儲和圖像顯示幾個部分，本設計主要是實現(xiàn)圖像的接收和顯示，總體框圖^[5]如圖3所示。

3.1 圖像的接收和接口控制

    圖像數(shù)據(jù)由高速相機發(fā)送過來，在基本模式下相機發(fā)送的數(shù)據(jù)包括了24 bit圖像數(shù)據(jù)和4個同步信號，并串轉(zhuǎn)換為4路串行差分信號。在接收端需要將這4路串行信號轉(zhuǎn)換為FPGA能夠識別的并行CMOS/TTL信號，所以在圖像采集端就需要串并轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。本設計采用了美國國家半導體公司的DS90CR288A^[6]芯片實現(xiàn)上述要求。此外，相機控制信號和串行通信信號也需要轉(zhuǎn)換芯片，分別使用美國國家半導體公司的DS90LV031A和DS90LV019芯片實現(xiàn)。基本配置模式具體實現(xiàn)框圖如圖4所示。

    如圖4，Camera Link接口選用3M公司生產(chǎn)的MDR26作為信號傳輸?shù)倪B接器。在基本模式下相機端和采集卡端各有一個，中級和高級模式下則各有兩個MDR26連接器。其詳細引腳接口可參照文獻[1]。FPGA接收288A芯片轉(zhuǎn)換的28 bit 數(shù)據(jù)，并可根據(jù)相機提供的FVAL、LVAL和DVAL 3個同步信號將接收到的數(shù)據(jù)通過液晶顯示器顯示出來。FPGA還可以通過019和031A芯片實現(xiàn)對相機的控制，例如設置曝光模式、輸出模式、外同步等。

    圖5為Camera Link接口基本（Base）配置模式的硬件實現(xiàn)原理圖。中級（Medium）配置比圖5多了一個MDR26連接器和一塊288A芯片，連接方法與圖5類似。圖中最右邊的28個引腳為采集到的圖像數(shù)據(jù)和同步信號的輸出引腳，將采集到的數(shù)據(jù)送到FPGA的FMC連接器上，這樣FPGA就可以方便地對數(shù)據(jù)進行操作。圖5中每對差分對之間跨接一個100 ?贅的電阻，用來確保信號的完整性，減少終端信號的反射。硬件模塊搭建完畢，就可以進行數(shù)據(jù)的采集。圖6所示為圖像數(shù)據(jù)采集的時序圖，從圖中可以看出，相機輸出的FVAL和LVAL信號都為周期信號，第一個FVAL低電平出發(fā)相機發(fā)送數(shù)據(jù)，當FVAL和LVAL同時為低電平時，數(shù)據(jù)無效。FVAL的兩個低電平之間為一行數(shù)據(jù)。

3.2 圖像的顯示

    4M60相機在Medium模式下，可以同時輸出4路（Taps）80 MHz數(shù)據(jù)，即一個時鐘周期可以同時輸出4個像素點的數(shù)據(jù)。像素點的輸出方式如圖7所示，像素數(shù)據(jù)從屏幕左邊到右邊、從屏幕下方到上方依次輸出。4通道輸出方式下，4個通道依次輸出像素點，即通道1依次輸出第1、5、9、13、17…2 349個像素點的數(shù)據(jù)。

    像素4通道同時輸出時，每個通道的時鐘率為80 MHz，4個通道同時輸出則為320 MHz的數(shù)據(jù)率^[3]。而VGA顯示標準中，最大只能顯示108 MHz、1 280×1 024分辨率的圖像，達不到要求。所以在顯示過程中選一路數(shù)據(jù)進行顯示來驗證設計結(jié)果。此時，圖片的分辨率就變?yōu)?88×432，根據(jù)VGA顯示標準表，選擇640×480@60顯示標準，60為每秒顯示幀數(shù)，與相機要求匹配，但是640×480顯示標準的時鐘只有25 MHz，達不到相機的數(shù)據(jù)率，所以在FPGA中采用了乒乓存儲結(jié)構(gòu)^[7]對數(shù)據(jù)進行緩存，從而達到實時顯示的效果，顯示效果如圖8所示。圖像未經(jīng)處理顯示效果略有失真，但總體還是比較理想。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)Camera Link協(xié)議要求，設計和實現(xiàn)了Camera Link硬件電路。充分利用FPGA的高速特性，將采集到的高速圖像數(shù)據(jù)信號以幀為單位選擇性地送到顯示器上進行顯示，達到了單路60 f/s的顯示速率，提高了圖像處理系統(tǒng)圖像接收部分的數(shù)據(jù)傳輸量和數(shù)據(jù)傳輸速率。

參考文獻

[1] Basler.Specification of the camera link interface standard for digital cameras and frame grabbers[Z].Ahrensburg，Germany：Basler，2000.

[2] DALSA. Falcon 4M30 and 4M60 monochrome and color camera manual[Z].2011.

[3] 郝偉，朱明.新型數(shù)字相機DS-21-01M60的原理及其硬件接口設計[J].電子技術應用，2007，33(2)：56-59.

[4] DALSA.Teledyne DALSA implementation road map[Z].Revision level 02.2011.

[5] 朱齊丹，劉進業(yè)，康嶺.Camera Link硬件接口電路設計[J].應用科技，2008，35(10)：57-60.

[6] National Semiconductor.DS90CR288 28-Bit camera link-75MHz datasheet[Z].Santa Clara，USA：National Semiconductor Corporation，2002.

[7] 董琰，彭琦，李健志，等.基于Camera Link協(xié)議的CCD圖像采集系統(tǒng)[J].吉林大學學報：信息科學版，2010，28(4)：372-377.