基于FPGA和FLASH ROM的圖像信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：以XC2V1500-FPGA為硬件架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種圖像信號(hào)發(fā)生器，作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前處理機(jī)的信號(hào)源，為波前處理機(jī)的調(diào)試和算法驗(yàn)證提供支持。系統(tǒng)采用大容量的NAND型FLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量為1 GB。圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線預(yù)存入FLASH ROM，在FPGA控制邏輯作用下循環(huán)讀出，并通過(guò)Camera Link接口輸出。該Camera Link接口支持base，medium，full三種模式，輸出像素時(shí)鐘頻率可以達(dá)到70 MHz。
關(guān)鍵詞：FPGA；FLASH ROM；圖像信號(hào)發(fā)生器；USB；Camera Link

0 引言
在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，哈特曼波前傳感器檢測(cè)到的波前信息通過(guò)高速CCD相機(jī)采集輸出，然后由波前處理機(jī)完成斜率計(jì)算、波前復(fù)原運(yùn)算和控制運(yùn)算。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)研制時(shí)，為了縮短研制周期，哈特曼傳感器和波前處理機(jī)需要同步進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制，以便同步完成后進(jìn)行系統(tǒng)集成調(diào)試。
然而，通常都要等到哈特曼傳感器研制完成，并且配合必要的光學(xué)系統(tǒng)之后，才能輸出子光斑圖像給波前處理機(jī)進(jìn)行調(diào)試。這樣給波前處理機(jī)的研制周期帶來(lái)了很大壓力。因此，如果可以建立一個(gè)模擬前端系統(tǒng)哈特曼傳感器作為子光斑圖像輸出的信號(hào)源，則可以簡(jiǎn)化波前處理機(jī)對(duì)調(diào)試環(huán)境的要求、縮短其研制周期。本文以XC2V1500-FPGA和K9F1G16UOM-FLASH ROM為載體，設(shè)計(jì)了一種模擬哈特曼傳感器中CCD相機(jī)圖像輸出的信號(hào)發(fā)生器。該系統(tǒng)不僅能為波前處理機(jī)的調(diào)試提供信號(hào)源，而且還可以為已經(jīng)研制完成的波前處理機(jī)提供算法驗(yàn)證的支持。

1 系統(tǒng)原理及組成
該圖像信號(hào)發(fā)生器的基本原理如下：通過(guò)模擬產(chǎn)生CCD相機(jī)輸出控制時(shí)序，將特定圖像進(jìn)行循環(huán)播放輸出。目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)可通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行加載，并且需要進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。這樣在完成圖像加載之后，系統(tǒng)一經(jīng)啟動(dòng)就能夠?qū)D像數(shù)據(jù)按照要求進(jìn)行輸出。目標(biāo)圖像按要求均是灰度圖像，可以是單幀、也可以是多幀，可以是從相機(jī)采集而來(lái)，也可以是通過(guò)Matlab仿真模擬得到的。選擇載入不同的目標(biāo)圖像序列，則系統(tǒng)可以完成不同的需求任務(wù)。
系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由主控模塊、USB接口模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和Camera Link接口模塊組成。

主控模塊由一片XC2V1500-FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。CY7C68013A芯片組成USB接口模塊，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與系統(tǒng)的通信功能。8片并行K9F1G16UOM-FLASHROM芯片組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可提供1 GB的存儲(chǔ)空間、良好的讀寫速度。對(duì)于Camera Link接口模塊，采用3片DS90CR287、1片DS90LV019和1片DS90LV048A來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以支持Carnera Link接口的初級(jí)配置(Base)、中級(jí)配置(Medium)和高級(jí)配置(Full)。Camera Link接口是一種應(yīng)用最廣泛的高幀頻相機(jī)接口，具有差分傳輸、傳輸速率高的特點(diǎn)。
系統(tǒng)的任務(wù)可以分為兩個(gè)過(guò)程：首先PC機(jī)通過(guò)USB總線和FPGA將目標(biāo)圖像序列寫入FLASH；然后由于FLASH是一種非易失存儲(chǔ)器，接下來(lái)系統(tǒng)一旦啟動(dòng)后FPGA就能夠模擬產(chǎn)生CCD相機(jī)時(shí)序、將FLASH中的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)輸出。這兩個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)可加載不同的FPGA程序來(lái)完成。