圖像采集系統(tǒng)的Camera Link標準接口設(shè)計

引 言
高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對相機采集得到的實時圖像進行傳輸、實時處理，同時實現(xiàn)視頻采集卡和計算機之間的通信。系統(tǒng)連接相機的接口用的是Camera Link接口，通過Camera Link接口把實時圖像高速傳輸?shù)紽PGA圖像采集卡中進行數(shù)據(jù)實時處理，并通過PCI接口實現(xiàn)采集卡和計算機之間的通信。本文主要研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) Cam-era Link接口技術(shù)。
Camera Link是專門為數(shù)字攝像機的數(shù)據(jù)傳輸提出的接口標準，是2000年10月由一些攝像頭供應(yīng)商和圖像采集公司聯(lián)合推出的。Camera Link標準簡化了計算機和攝像頭之間的連接。本設(shè)計選用Dalsa公司的DS-21-02M30相機，該相機支持Camera Link接口。相機數(shù)據(jù)通過Camera Link接口傳輸?shù)揭粔KAltera公司的FPGAStratixII中進行處理。在FPGA中進行數(shù)據(jù)的高速緩存，可以在FPGA中設(shè)計各種圖像處理程序?qū)D像進行實時處理。

1 DS-21-02M30相機簡介
DS-21-02M30相機可提供高靈敏度的8／10位圖像。為了同時獲得卓越的分辨率和灰度級，DS-21-02M30相機圖像分辨率為1 600×1 200，像素尺寸為7．4 μm×7．4 μm，像素數(shù)據(jù)輸出時鐘為40 MHz，最高幀頻可達60幀／s。通過設(shè)定像素數(shù)據(jù)格式命令，可以設(shè)定像素數(shù)據(jù)為8位、10位。功耗低于15 W，供電電源電壓為12～25 V。
通過異步串口向DS-21-02M30相機發(fā)送ASCII碼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、曝光時間、曝光模式和測試圖像的輸出，還可以對相機進行診斷。串口協(xié)議：1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1位停止位；通信波特率為9 600 bps(相機默認)，通過設(shè)定波特率命令可將其設(shè)定為19 200 bps、57 600 bps和115 200 bps。
DS-21-02M30相機共有4種曝光模式，可以通過設(shè)定曝光模式命令來為相機選擇合適的曝光模式。
模式2：內(nèi)部觸發(fā)方式(相機的默認曝光模式)。幀頻和曝光時間可用相應(yīng)的命令控制。
模式3：最大曝光時間的外部觸發(fā)方式。
模式4：外部觸發(fā)方式。幀頻和曝光時間都由外部觸發(fā)信號控制，即外部觸發(fā)信號的高電平階段為曝光時間，外部觸發(fā)信號的頻率為幀頻。
模式6：外部觸發(fā)方式控制幀頻，曝光時間可用相應(yīng)內(nèi)部命令控制。
DS-21-02M30相機的命令以ASCII碼的形式發(fā)
送。向相機發(fā)送命令時，以回車符作為結(jié)束。相機上電后，相機背后的指示燈閃爍，同時通過串口發(fā)送“CameraInitialization 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(shù)據(jù)，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(yīng)答；否則，返回“Error x：Error Massage>”字符串作為應(yīng)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(yīng)答字符串以符號“>”作為結(jié)束符。

2 Camera Link結(jié)構(gòu)與原理
Camera Link是專門為數(shù)字攝像機的數(shù)據(jù)傳輸提出的接口標準，專為數(shù)字相機制定的一種圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)控制信號及相機控制信號傳輸?shù)目偩€接口，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達2．38 Gbps。該標準規(guī)定了接口模式、相機信號、端口配置、圖像數(shù)據(jù)位配置、連接器引腳定義及連接線、標準接收器芯片組。采用這種標準后，使得數(shù)字攝像機的數(shù)據(jù)接口輸出采用更少的線數(shù)，連接電纜更容易制造，更具有通用性，而且數(shù)據(jù)的傳輸距離比普通傳輸方式更遠。其最主要的特點是采用了LVDS(Low VoltageDifferential Signaling，低壓差分信號)技術(shù)，使攝像機的數(shù)據(jù)傳輸速率大大提高。
在Careera Link標準出現(xiàn)之前，業(yè)界有一些標準(如較流行的IEEE-1394：接口)作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)標準。IEEE-1394被應(yīng)用到眾多的領(lǐng)域，數(shù)字相機、攝像機等數(shù)字成像領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用。IEEE-1394接口具有廉價，速度快，支持熱拔插，數(shù)據(jù)傳輸速率可擴展，標準開放等特點。但隨著數(shù)字圖像采集速度的提高、數(shù)據(jù)量的增大，原有的標準已無法滿足需求。為了簡化數(shù)據(jù)的連接，實現(xiàn)高速、高精度、靈活、簡單的連接，在 NationalSemiconductor公司開發(fā)的Channel Link總線技術(shù)基礎(chǔ)上，由多家相機制造商共同制定推出了Camera Link標準?；贑amera Link的數(shù)字相機的采集速度和數(shù)據(jù)量均好于基于IEEE-1394標準。