基于PXIE總線的高速CCD數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)高速電容耦合器件(CCD)數(shù)字圖像采集傳輸，提出一種基于PXIE總線和Camera Link協(xié)議的高速圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了Camera Link硬件接口電路，實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)信號(hào)的接口設(shè)計(jì)、控制信號(hào)的接口設(shè)計(jì)、串行通信信號(hào)接口設(shè)計(jì)；同時(shí)采用Xilinx公司的Vir-tex-5 LX50T型FPGA作為PXIE傳輸控制器，并對(duì)IP核進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，減少了外圍電路設(shè)計(jì)難度。創(chuàng)新性地運(yùn)用直接內(nèi)存訪問(wèn)的工作方式對(duì)PXIE傳輸速度進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PXIE配置為8通道時(shí)，讀取數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 504 MB／s，寫(xiě)入速率達(dá)到了1 490 MB／s，可以滿(mǎn)足高速CCD數(shù)據(jù)的傳輸要求。
關(guān)鍵詞：PXIE；Camera Link；IP核；CCD DMA

電容耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體光電成像器件。由于其具有信號(hào)輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、量子效率和電荷轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，加之多年來(lái)新型半導(dǎo)體材料技術(shù)的不斷積累和大規(guī)模集成技術(shù)的日臻完善，CCD技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。隨著上述領(lǐng)域?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/數(shù)字圖像">數(shù)字圖像的分辨率以及傳輸速度的要求越來(lái)越高，人們對(duì)高速圖像采集系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和可靠性也提出了新的要求。本文提出了一種基于PXIE總線和Camera Link協(xié)議的高速CCD圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)說(shuō)明了部分模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式。

1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)
1．1 Camera Link協(xié)議及PXIE協(xié)議介紹
(1)Camera Link協(xié)議簡(jiǎn)介
Camera Link是一種基于視頻應(yīng)用發(fā)展而來(lái)的通信接口。它是NI等13家公司基于Channel Link技術(shù)聯(lián)合推出的一種新型接口，簡(jiǎn)化了相機(jī)與其他設(shè)備的連接。Camera Link的驅(qū)動(dòng)端將28位并行數(shù)據(jù)以7：1方式轉(zhuǎn)化為4組LVDS數(shù)據(jù)流和1組LVDS時(shí)鐘信號(hào)，串行發(fā)送至接收端進(jìn)行處理。其最高傳輸速率可達(dá)2．38 Gb／s。圖1為Camera Link工作原理圖。

Camera Link接口協(xié)議提供4類(lèi)信號(hào)：相機(jī)控制信號(hào)、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)、電源和串行通信信號(hào)。其接口有3種結(jié)構(gòu)，分別是初級(jí)配置(Base)、中級(jí)配置(Medium)和高級(jí)配置(Full)。Camera Link使用端口定義來(lái)區(qū)分這些配置。3M 26-pin MDR(Mini D Ribbon)連接器之所以被選擇與Camera Link配套使用是因?yàn)樗鼉?yōu)秀的設(shè)計(jì)和先前Channel Link高速傳輸?shù)某晒?jīng)驗(yàn)。
(2)PXIE協(xié)議簡(jiǎn)介
PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出。PXIE基于Compact PCI標(biāo)準(zhǔn)，增加了時(shí)鐘和同步觸發(fā)總線，但其核心仍然是PCI總線。PXI Express相對(duì)PXI最顯著的改進(jìn)和優(yōu)勢(shì)就在于它融入PCI Express的特點(diǎn)，采用串行傳輸，點(diǎn)到點(diǎn)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同于PXI在所有總線設(shè)備間分享帶寬，PXI Express為每一個(gè)設(shè)備提供單獨(dú)的傳輸通道。同時(shí)它所增加的時(shí)鐘和同步觸發(fā)信號(hào)以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測(cè)量、通信、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文采用PXIE-8x，最高傳輸速度達(dá)到1400Mb／s。
1．2 總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2中，DS90CR288A為NI公司高性能串并轉(zhuǎn)換器，將Camera Link接口協(xié)議的4路LVDS信號(hào)和1路LVDS時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為28位LVCMOS／LVTTL數(shù)據(jù)和一路時(shí)鐘信號(hào)，DS90LV047A為NI公司的3 VLVDS 4路單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動(dòng)器。DS90LV049為NI公司的3V LVDS雙向線路驅(qū)動(dòng)器和雙向線路接收器。
系統(tǒng)工作流程為：
首先，采集卡通過(guò)DS90LV047A對(duì)CCD相機(jī)發(fā)出的控制指令。CCD相機(jī)在接到指令后，將采集到的圖像數(shù)據(jù)分為4路LVDS數(shù)據(jù)信號(hào)和1路LVDS時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)接口連接器MDR26，輸送到圖像采集卡；圖像采集卡將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成38路并行信號(hào)和1路隨路時(shí)鐘傳送給FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)據(jù)量很大，為保證數(shù)據(jù)低誤碼率及提高可靠性，使用了2塊Micron 2 GB DDR2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和乒乓處理。FPGA根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行高速的圖像處理。采集卡通過(guò)PXIE-8x將圖像數(shù)據(jù)上傳至PC(上位機(jī))上進(jìn)行后期處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PC(上位機(jī))對(duì)圖像采集卡的控制。圖像數(shù)據(jù)最終通過(guò)PC將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SSD(Solid-state Drive)電子盤(pán)上，以供隨時(shí)調(diào)用。在讀／寫(xiě)速度等關(guān)鍵性能上，SSD電子盤(pán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)，因此選用SSD電子盤(pán)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。采集卡還采用DS90LV049(LVDS雙線路驅(qū)動(dòng)器，帶有雙線路接收器)來(lái)實(shí)現(xiàn)采集卡與相機(jī)間的串行通信，用戶(hù)可以根據(jù)需要對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行配置。