基于FPGA和MV-D1024E相機的圖像采集系統

摘要：分析了MV-D1024E系列高幀頻CMOS相機的工作時(shí)序和參數，闡述了CAMERA-LINK接口協(xié)議，并對高速數據流的存儲與處理機制進(jìn)行分析，利用FPGA實(shí)現了相機的數據接口和控制，并設計靈活的USB接口，利用PC機作為參數輸入和顯示界面。完成一個(gè)從圖像采集到存儲、顯示的高幀頻圖像采集系統的設計。該系統可靠性好、集成度高、功耗低，且滿(mǎn)足不依賴(lài)于PC機的圖像采集系統的應用要求。
關(guān) 鍵 詞：MV-D1024E；FPGA；CAMERA-LINK；圖像采集系統

1 引言
圖像采集是數字圖像處理、圖像識別和機器視覺(jué)的基礎，其應用領(lǐng)域非常廣泛。主要采用CCD或CMOS等光電轉換器件把光學(xué)影像轉化為數字信號，然后利用相應的接口將數據輸入到處理器中進(jìn)行圖像的數字分析和處理。MV-D1024E是基于CMOS的高幀頻系列相機，具有CAMERA-LINK接口。CAMERA-LINK是一種丁業(yè)應用的高速數據連接協(xié)議，可為CCD或CMOS等數字式相機與圖像采集系統間提供簡(jiǎn)單、靈活的通信接口。
通常情況下，圖像采集系統以CCD或CMOS等數字式相機為基礎，還需要采集卡來(lái)完成數據采集，常見(jiàn)的采集卡有基于DSP實(shí)現的和基于FPGA實(shí)現的，MV-D1024E系列相機也有廠(chǎng)家提供的采集卡，它接收到CAMERA-LINK的數據，經(jīng)采集卡簡(jiǎn)單處理。數據通過(guò)PCI總線(xiàn)傳輸到PC機。但此類(lèi)基于PCI總線(xiàn)的數據采集方法有一定缺陷，數據只能通過(guò)PCI接口連接到PC機，圖像處理的功能只能由PC機完成。就使系統不能脫離PC機運行，在很多圖像處理的應用場(chǎng)合，需要脫離PC機，并要求系統的體積小、重量輕、功耗低和便攜性好。隨著(zhù)可編程邏輯器件的廣泛應用，現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)以其可靠性好、集成度高、功耗低和運算速度高等優(yōu)勢，在高速實(shí)時(shí)圖像采集系統得到廣泛應用。這里采用FPGA控制MV-D1024E系列相機的數據接口，實(shí)現了脫離PC機的圖像采集卡功能。為方便系統和用戶(hù)輸入，設計了基于USB的PC機接口。通過(guò)USB接口，同樣可用于脫離PC機的系統。

2 圖像采集系統結構框圖
圖像采集系統由CAMERA-LINK接口、USB通信接口控制、相機控制及相機數據緩沖存儲控制等模塊組成，其系統框圖如圖1所示。

核心控制器選用Altera的Cyclone系列EPlC6Q240C8。通過(guò)PC機設定相機的曝光時(shí)間、幀頻及顯示窗口大小等參數，由USB將控制命令傳送給FPGA內的USB接口控制模塊，其內部集成的相機控制模塊根據所接收到的參數，將已固化在FPGA內部ROM中的相機對應的控制代碼傳送至CAMERA-LINK模塊處理，然后通過(guò)內部串行模塊將控制代碼發(fā)送給相機。相機得到控制命令后開(kāi)始工作，通過(guò)封裝在其內部的CAMERA-LINK模塊將罔像數據、時(shí)鐘信號、幀頻信號、行頻信號、數據有效信號發(fā)到FPGA的CAMERA-LINK模塊，經(jīng)過(guò)FPGA中的數據緩沖存儲模塊將高速數據流進(jìn)行乒乓操作，然后將數據傳送給PC顯示及存儲處理。

3 圖像采集系統的設計
3．1 EP1C6Q240C8簡(jiǎn)介
FPGA主器件是Ahera公司Cvclone系列的EPlC6Q240C8，具有5 980個(gè)邏輯單元和120 000個(gè)典型門(mén)資源和185個(gè)可編程I／O端口，最高工作時(shí)鐘可到300MHz以上，核心供電電壓1．5 V，I／O緩沖供電電壓3．3 v，通過(guò)JTAG接口實(shí)現系統配置。使用的配置器件EPC4串行ROM容量約為4 Mbit，可重復編程50次左右，JTAG接口符合IEEE Std．1149．1標準。
3．2 MV-D1024E相機及CAMERA-LINK接口簡(jiǎn)介
MV-D1024E是高速高動(dòng)態(tài)的CMOS相機系列，采用CMOS主動(dòng)像元技術(shù)，具有12位的采樣分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下幀頻能達到150幀／s，曝光時(shí)間由10 μs～0．41 s，25 ns步進(jìn)可調，采用CAMERA-LINK接口，用串行口配置相機。CAMERA-LINK是美國國家半導體公司的驅動(dòng)平板顯示器的Channel Link技術(shù)的一種擴展技術(shù)，其傳輸率非常高，可達1 Gb／s，提供高分辨率和各種幀頻的數字化數據，數據輸出采用了LVDS格式，速度快而且抗噪較好。根據應用要求，其支持基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等數字格式，該接口具有開(kāi)放式的接口協(xié)議，兼容性好。它適用于CCD或CMOS等數字式相機與圖像采集系統間的通信接口。如圖2所示，當FVAL、LVAL和DVAL同時(shí)為高電平時(shí)，在相機時(shí)鐘PCLK上升沿時(shí)數據總路線(xiàn)上才有數據。

3．3 相機接口及控制模塊設計
MV-D1024E系列相機具有12 bit的數據輸出，附加相機的時(shí)鐘PCLK、幀頻信號FVAL、行頻信號LVAL和數據有效信號DVAL。圖3為用FPGA設計生成的相機接口模塊，該模塊完成相機數據及各時(shí)鐘信號的接入，并集成串行接口模塊，將用戶(hù)對相機的控制信號發(fā)送到相機。完成相機的參數設置功能。