CCD系統下基于FPGA的PCI圖像采集卡設計與實(shí)現

摘要：文章設計了一種基于FPGA的CCD圖像數據采集卡。以FPGA作為圖像數據采集卡的核心，通過(guò)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核的基礎上實(shí)現了Initiator下的DMA傳輸；并基于VxWorks平臺編寫(xiě)PCI圖像采集卡的驅動(dòng)程序。經(jīng)測試和驗證，PCI圖像采集卡穩定可靠，能夠實(shí)現數據流為60Mb／s的CCD系統圖像數據的高速傳輸。
關(guān)鍵詞：圖像采集；PCI總線(xiàn)；FIFO；DMA傳輸；VxWorks

0 引言
CCD是一種高性能光電轉換式圖像傳感器。由于其幾何精度高、穩定性好、噪聲小，廣泛用于遙感遙測，天文測量等領(lǐng)域?，F實(shí)中許多利用單片機作為控制核心，并配備其他一些外圍電路實(shí)現CCD的數據采集，這種方式速度慢、集成度低。
由于CCD相機的精度和分辨率的不斷提高，以及對CCD成像系統本身可靠性要求的不斷提高，對數據采集系統采集速度、可靠性，以及易用性提出了更高的要求。本文設計的基于FPGA的PCI數據采集及回放系統，系統設計以Xilinx的FPGA為核心，以L(fǎng)VDS芯片傳輸過(guò)來(lái)的CCD數據為源頭，運用成熟的PCI總線(xiàn)傳輸技術(shù)，實(shí)現了高速數據采集的功能。在VxWorks平臺下編寫(xiě)了相應的驅動(dòng)程序。經(jīng)測試和驗證，該系統穩定可靠，傳輸速率高，滿(mǎn)足應用的要求。

1 系統的總體結構以及原理
整個(gè)系統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、垂直驅動(dòng)器、A／D轉換器、FPGA、電源管理電路以及高速串行總線(xiàn)接口LVDS組成。CCD鏡頭把光線(xiàn)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換。在驅動(dòng)器的控制下完成像素電荷的轉移，輸出模擬信號，再經(jīng)過(guò)A／D轉換芯片把模擬信號轉換成數字信號，經(jīng)LVDS輸出到后端。

采集后端的硬件主要由LVDS芯片、用作緩存圖像數據的SRAM芯片、電源管理模塊、FPGA組成。FPGA是整個(gè)后端采集模塊的核心模塊，FP GA不僅要完成數據的采集、組織、傳輸，還要根據PCI規范配置成標準的PCI設備，進(jìn)行數據與主機之前的傳送。由于數據傳輸要求60Mb／s的速度，所以簡(jiǎn)單的單次傳輸不能滿(mǎn)足系統的整體需求。FPGA必須能支持DMA方式的數據傳送。為了使PCI圖像采集卡有更大的通用性，在修改最小的驅動(dòng)代碼的情況下跨平臺地使用，須把FPGA配置成能作為主動(dòng)發(fā)起DMA請求的PCI設備，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、以及軟件的設計與實(shí)現。