基于PCI總線的高速CCD圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

　　偵察與監(jiān)視在軍事斗爭(zhēng)中的地位舉足輕重。在各種偵察/監(jiān)視技術(shù)中，航空偵察占有重要的地位，可見(jiàn)光偵察是一種重要的偵察形式，無(wú)人偵察機(jī)顯示出了廣闊的發(fā)展前景，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代航空偵察與監(jiān)視技術(shù)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。

　　航空偵察一個(gè)主要的途徑就是利用高性能高速攝像機(jī)進(jìn)行航空拍照，采集各種圖像信息。然而，數(shù)字化的偵察圖像分辨率高、信息量大，使后續(xù)的處理、傳輸、存儲(chǔ)等過(guò)程的實(shí)現(xiàn)變得極為困難，從而給機(jī)載圖像/視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，本文基于某型高速相機(jī)，利用低成本FPGA，構(gòu)建了一個(gè)高性能的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，完成對(duì)高分辨率、高幀率偵察圖像的采集和存儲(chǔ)。

2某型高速相機(jī)簡(jiǎn)介

　　系統(tǒng)選擇的高速相機(jī)是一款高分辨率、高速度線掃數(shù)字相機(jī)，其圖像傳感器采用先進(jìn)的CCD（Charge-CoupledDevice）圖像傳感器，采用了世界尖端水平的高靈敏度掃描成像技術(shù)——高速率的TDI（TimeDelayandIntegration）技術(shù)、多重曝光技術(shù)并加強(qiáng)藍(lán)色響應(yīng)，從而使該型相機(jī)可提供比單輸出線掃相機(jī)更好的靈敏度特性，總的數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)200MB/s。

　　相機(jī)接口主要包括后面板上的六個(gè)接口：其中四個(gè)為數(shù)據(jù)輸出接口，每個(gè)接口包括16位數(shù)據(jù)信號(hào)，1位數(shù)據(jù)同步信號(hào)，1位同步時(shí)鐘信號(hào)，信號(hào)的電平輸出格式為L(zhǎng)VDS電平格式;另外兩個(gè)接口分別為控制信號(hào)接口和電源接口。在控制信號(hào)的作用下，相機(jī)同步輸出包含同步時(shí)鐘信號(hào)（STROBE）和水平同步信號(hào)（LVAL）在內(nèi)的8×8bit標(biāo)準(zhǔn)的灰度圖像數(shù)據(jù)，圖像分辨率可選擇為4096×30｀72（本系統(tǒng)采用分辨率）和2048×3072。

　　相機(jī)控制接口信號(hào)中，行觸發(fā)信號(hào)（EXSYNC）至關(guān)重要。它負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的觸發(fā)輸出，行觸發(fā)信號(hào)的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)并指示數(shù)據(jù)有效。相機(jī)觸發(fā)要求此信號(hào)存在下降沿，最小觸發(fā)頻率為300HZ。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理

　　本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)主要包括電平轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)接收預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)三個(gè)部分。圖1為系統(tǒng)硬件原理框圖。在總線結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)采用了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PCI總線">PCI總線結(jié)構(gòu)，PCI9054是PLX公司推出的一種32位33MHz的PCI總線主控I/O加速器，它采用多種先進(jìn)技術(shù)，使復(fù)雜的PCI接口應(yīng)用設(shè)計(jì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　從資源和成本方面考慮，F(xiàn)PGA選用Altera公司的低成本Cyclone系列芯片-EP1C6Q240C8。存儲(chǔ)介質(zhì)則選用SCSI磁盤(pán)陣列，它能滿足高速、大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)。

圖1系統(tǒng)原理框圖

　　系統(tǒng)工作原理：

　　系統(tǒng)上電，首先完成一系列初始化工作：PC通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)配置PCI9054的寄存器，使之處于正常工作模式（C模式）[2];FPGA上電，配置用戶電路（此時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯和PCI9054都處于等待狀態(tài)）。

　　PC應(yīng)用程序啟動(dòng)后，向PCI9054發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，PCI9054收到數(shù)據(jù)傳輸指令，通過(guò)LOCALBUS通知FPGA開(kāi)始工作：FPGA產(chǎn)生行觸發(fā)信號(hào)（EXSYNC），觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行拍照、傳輸數(shù)據(jù)。然后，PCI9054進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列。FPGA內(nèi)部邏輯和PC應(yīng)用程序通過(guò)行計(jì)數(shù)判斷一幀圖像傳輸完畢，相繼進(jìn)入等待狀態(tài)。但是，PC應(yīng)用程序在接收完一幀圖像，進(jìn)入等待狀態(tài)后，延續(xù)一定時(shí)間，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸指令通知FPGA開(kāi)始下一幀圖像傳輸。

　　電平格式轉(zhuǎn)換

　　PCI9054芯片電平格式為3.3VLVTTL格式，相機(jī)輸出信號(hào)的電平格式為L(zhǎng)VDS格式，基于系統(tǒng)總體需要，有必要在進(jìn)行圖像預(yù)處理前將LVDS相機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVTTL格式電平。

　　數(shù)據(jù)接收預(yù)處理

　　FPGA完成圖像預(yù)處理功能。FPGA是以并行運(yùn)算為主導(dǎo)的芯片，處理速度更快。數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程包括：數(shù)據(jù)緩沖、位并轉(zhuǎn)換。

　　數(shù)據(jù)緩沖[3]：相機(jī)利用4個(gè)通道輸出圖像數(shù)據(jù)，每個(gè)端口的數(shù)據(jù)傳輸以本端口時(shí)鐘為參考，傳輸過(guò)程中由于各種差異如傳輸電纜的長(zhǎng)度不同，使得各個(gè)端口的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生相對(duì)的相位漂移，從而使四個(gè)端口數(shù)據(jù)輸出不完全同步，這不利于圖像數(shù)據(jù)的同步采集。為消除數(shù)據(jù)異步，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了由4個(gè)FIFO組成的數(shù)據(jù)緩沖器組。每個(gè)端口的有效數(shù)據(jù)寬度為16bit，傳送一行4096個(gè)數(shù)據(jù)需用512個(gè)時(shí)鐘周期，因此FIFO深度設(shè)為512個(gè)字。相機(jī)送來(lái)的4個(gè)LVAL信號(hào)為各對(duì)應(yīng)通道寫(xiě)使能信號(hào)，4個(gè)STROBE信號(hào)作為對(duì)應(yīng)通道寫(xiě)時(shí)鐘。FIFO輸出端采用系統(tǒng)時(shí)鐘（15MHz）作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘，并設(shè)計(jì)一個(gè)讀請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)FIFO半滿時(shí)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)緩存的數(shù)據(jù)以與系統(tǒng)時(shí)鐘同步的64bit寬度格式輸出。

　　位并轉(zhuǎn)換：PCI9054芯片LOCAL端的有效數(shù)據(jù)位數(shù)有兩種選擇：8bit和32bit（可更改9054寄存器設(shè)置，為了保證數(shù)據(jù)采集速度，本系統(tǒng)設(shè)置為32bit）。但是相機(jī)的輸出數(shù)據(jù)通過(guò)緩沖之后仍然為64bit，為了滿足PCI9054數(shù)據(jù)采集位數(shù)要求，必須將64bit數(shù)據(jù)進(jìn)行位并轉(zhuǎn)換，變成32bit傳輸。本系

　　統(tǒng)設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部將數(shù)據(jù)的高32bit和低32bit分別送入二選一BUSMUX的輸入端，系統(tǒng)時(shí)鐘的電平選

　　擇數(shù)據(jù)輸出。64bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成32bit數(shù)據(jù)傳輸，但數(shù)據(jù)率變成原來(lái)的兩倍（30M/s）。

　　數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)

　　對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的持續(xù)存儲(chǔ)速度是個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)采用微機(jī)為主體，在其PCI總線上掛載一塊SCSI的接口卡和9054接口卡，9054接口卡用于數(shù)據(jù)采集，SCSI接口卡上掛載兩個(gè)SCSI硬盤(pán)，組成RAID-0的硬盤(pán)陣列，這樣可以大大提高硬盤(pán)的持續(xù)存儲(chǔ)速度。利用PCI9054進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸路徑為：PCI總線-內(nèi)存-硬盤(pán)陣列?，F(xiàn)有兩種傳輸方案可供選擇：第一種為單線采集存儲(chǔ)，顯然，這種方案會(huì)降低數(shù)據(jù)的的采集速度。本系統(tǒng)選用第二種方案：流水線存儲(chǔ)，如圖2所示。理論上，流水線方式的數(shù)據(jù)采集速度應(yīng)該是單線采集的兩倍。

圖2流水線存儲(chǔ)時(shí)序示意圖

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