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

摘要：為實現(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)計方案。設(shè)計了Camera Link硬件接口電路，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)信號的接口設(shè)計、控制信號的接口設(shè)計、串行通信信號接口設(shè)計；同時采用Xilinx公司的Vir-tex-5 LX50T型FPGA作為PXIE傳輸控制器，并對IP核進行了開發(fā)，減少了外圍電路設(shè)計難度。創(chuàng)新性地運用直接內(nèi)存訪問的工作方式對PXIE傳輸速度進行優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，PXIE配置為8通道時，讀取數(shù)據(jù)速率達到1 504 MB／s，寫入速率達到了1 490 MB／s，可以滿足高速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70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件。由于其具有信號輸出噪聲低、動態(tài)范圍大、量子效率和電荷轉(zhuǎn)移效率高等特點，加之多年來新型半導(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)用于國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。隨著上述領(lǐng)域?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/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越高，人們對高速圖像采集系統(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)計方案，并詳細說明了部分模塊的具體實現(xiàn)方式。

1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計
1．1 Camera Link協(xié)議及PXIE協(xié)議介紹
(1)Camera Link協(xié)議簡介
Camera Link是一種基于視頻應(yīng)用發(fā)展而來的通信接口。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，簡化了相機與其他設(shè)備的連接。Camera Link的驅(qū)動端將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時鐘信號，串行發(fā)送至接收端進行處理。其最高傳輸速率可達2．38 Gb／s。圖1為Camera Link工作原理圖。

Camera Link接口協(xié)議提供4類信號：相機控制信號、圖像數(shù)據(jù)信號、電源和串行通信信號。其接口有3種結(jié)構(gòu)，分別是初級配置(Base)、中級配置(Medium)和高級配置(Full)。Camera Link使用端口定義來區(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配套使用是因為它優(yōu)秀的設(shè)計和先前Channel Link高速傳輸?shù)某晒?jīng)驗。
(2)PXIE協(xié)議簡介
PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出。PXIE基于Compact PCI標準，增加了時鐘和同步觸發(fā)總線，但其核心仍然是PCI總線。PXI Express相對PXI最顯著的改進和優(yōu)勢就在于它融入PCI Express的特點，采用串行傳輸，點到點的總線拓撲結(jié)構(gòu)。不同于PXI在所有總線設(shè)備間分享帶寬，PXI Express為每一個設(shè)備提供單獨的傳輸通道。同時它所增加的時鐘和同步觸發(fā)信號以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測量、通信、工業(yè)自動化等領(lǐng)域擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢。本文采用PXIE-8x，最高傳輸速度達到1400Mb／s。
1．2 總體設(shè)計
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信號和1路LVDS時鐘轉(zhuǎn)換為28位LVCMOS／LVTTL數(shù)據(jù)和一路時鐘信號，DS90LV047A為NI公司的3 VLVDS 4路單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動器。DS90LV049為NI公司的3V LVDS雙向線路驅(qū)動器和雙向線路接收器。
系統(tǒng)工作流程為：
首先，采集卡通過DS90LV047A對CCD相機發(fā)出的控制指令。CCD相機在接到指令后，將采集到的圖像數(shù)據(jù)分為4路LVDS數(shù)據(jù)信號和1路LVDS時鐘信號，通過接口連接器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路并行信號和1路隨路時鐘傳送給FPGA進行數(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對數(shù)據(jù)進行緩存和乒乓處理。FPGA根據(jù)用戶的需求進行高速的圖像處理。采集卡通過PXIE-8x將圖像數(shù)據(jù)上傳至PC(上位機)上進行后期處理，同時實現(xiàn)PC(上位機)對圖像采集卡的控制。圖像數(shù)據(jù)最終通過PC將數(shù)據(jù)存儲在SSD(Solid-state Drive)電子盤上，以供隨時調(diào)用。在讀／寫速度等關(guān)鍵性能上，SSD電子盤遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)機械硬盤，因此選用SSD電子盤為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。采集卡還采用DS90LV049(LVDS雙線路驅(qū)動器，帶有雙線路接收器)來實現(xiàn)采集卡與相機間的串行通信，用戶可以根據(jù)需要對CCD相機進行配置。