CCD系統(tǒng)下基于FPGA的PCI圖像采集卡設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：文章設(shè)計了一種基于FPGA的CCD圖像數(shù)據(jù)采集卡。以FPGA作為圖像數(shù)據(jù)采集卡的核心，通過LVDS傳輸技術(shù)，異步FIFO，異步塊RAM，SRAM緩存乒乓操作等技術(shù)，在PCI核的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了Initiator下的DMA傳輸；并基于VxWorks平臺編寫PCI圖像采集卡的驅(qū)動程序。經(jīng)測試和驗證，PCI圖像采集卡穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流為60Mb／s的CCD系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。
關(guān)鍵詞：圖像采集；PCI總線；FIFO；DMA傳輸；VxWorks

0 引言
CCD是一種高性能光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器。由于其幾何精度高、穩(wěn)定性好、噪聲小，廣泛用于遙感遙測，天文測量等領(lǐng)域?，F(xiàn)實中許多利用單片機(jī)作為控制核心，并配備其他一些外圍電路實現(xiàn)CCD的數(shù)據(jù)采集，這種方式速度慢、集成度低。
由于CCD相機(jī)的精度和分辨率的不斷提高，以及對CCD成像系統(tǒng)本身可靠性要求的不斷提高，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集速度、可靠性，以及易用性提出了更高的要求。本文設(shè)計的基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集及回放系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計以Xilinx的FPGA為核心，以LVDS芯片傳輸過來的CCD數(shù)據(jù)為源頭，運用成熟的PCI總線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集的功能。在VxWorks平臺下編寫了相應(yīng)的驅(qū)動程序。經(jīng)測試和驗證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，傳輸速率高，滿足應(yīng)用的要求。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及原理
整個系統(tǒng)由模擬前端和采集后端組成，如圖1所示。前端主要由CCD鏡頭，CCD傳感器、垂直驅(qū)動器、A／D轉(zhuǎn)換器、FPGA、電源管理電路以及高速串行總線接口LVDS組成。CCD鏡頭把光線聚焦在CCD傳感器的感光面上，CCD傳感器完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。在驅(qū)動器的控制下完成像素電荷的轉(zhuǎn)移，輸出模擬信號，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換芯片把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)LVDS輸出到后端。

采集后端的硬件主要由LVDS芯片、用作緩存圖像數(shù)據(jù)的SRAM芯片、電源管理模塊、FPGA組成。FPGA是整個后端采集模塊的核心模塊，F(xiàn)P GA不僅要完成數(shù)據(jù)的采集、組織、傳輸，還要根據(jù)PCI規(guī)范配置成標(biāo)準(zhǔn)的PCI設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)與主機(jī)之前的傳送。由于數(shù)據(jù)傳輸要求60Mb／s的速度，所以簡單的單次傳輸不能滿足系統(tǒng)的整體需求。FPGA必須能支持DMA方式的數(shù)據(jù)傳送。為了使PCI圖像采集卡有更大的通用性，在修改最小的驅(qū)動代碼的情況下跨平臺地使用，須把FPGA配置成能作為主動發(fā)起DMA請求的PCI設(shè)備，從而屏蔽不同的橋芯片之間的差異。
本文主要關(guān)注采集后端，即PCI圖像采集卡的硬件、邏輯、以及軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。