基于PXIE總線(xiàn)的高速CCD數字圖像采集系統設計

摘要：為實(shí)現高速電容耦合器件(CCD)數字圖像采集傳輸，提出一種基于PXIE總線(xiàn)和Camera Link協(xié)議的高速圖像采集系統設計方案。設計了Camera Link硬件接口電路，實(shí)現了視頻數據信號的接口設計、控制信號的接口設計、串行通信信號接口設計；同時(shí)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(jìn)行了開(kāi)發(fā)，減少了外圍電路設計難度。創(chuàng )新性地運用直接內存訪(fǎng)問(wèn)的工作方式對PXIE傳輸速度進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗結果表明，PXIE配置為8通道時(shí)，讀取數據速率達到1 504 MB／s，寫(xiě)入速率達到了1 490 MB／s，可以滿(mǎn)足高速CCD數據的傳輸要求。
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(lái)的新型半導體光電成像器件。由于其具有信號輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、量子效率和電荷轉移效率高等特點(diǎn)，加之多年來(lái)新型半導體材料技術(shù)的不斷積累和大規模集成技術(shù)的日臻完善，CCD技術(shù)目前廣泛應用于國民經(jīng)濟、國防建設、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)上述領(lǐng)域對數字圖像的分辨率以及傳輸速度的要求越來(lái)越高，人們對高速圖像采集系統的性能、穩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(xiàn)和Camera Link協(xié)議的高速CCD圖像采集系統設計方案，并詳細說(shuō)明了部分模塊的具體實(shí)現方式。

1 系統工作原理及總體設計
1．1 Camera Link協(xié)議及PXIE協(xié)議介紹
(1)Camera Link協(xié)議簡(jiǎn)介
Camera Link是一種基于視頻應用發(fā)展而來(lái)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(jiǎn)化了相機與其他設備的連接。Camera Link的驅動(dòng)端將28位并行數據以7：1方式轉化為4組LVDS數據流和1組LVDS時(shí)鐘信號，串行發(fā)送至接收端進(jìn)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(lèi)信號：相機控制信號、圖像數據信號、電源和串行通信信號。其接口有3種結構，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(lái)區分這些配置。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)秀的設計和先前Channel Link高速傳輸的成功經(jīng)驗。
(2)PXIE協(xié)議簡(jiǎn)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(shí)鐘和同步觸發(fā)總線(xiàn)，但其核心仍然是PCI總線(xiàn)。PXI Express相對PXI最顯著(zhù)的改進(jìn)和優(yōu)勢就在于它融入PCI Express的特點(diǎn)，采用串行傳輸，點(diǎn)到點(diǎn)的總線(xiàn)拓撲結構。不同于PXI在所有總線(xiàn)設備間分享帶寬，PXI Express為每一個(gè)設備提供單獨的傳輸通道。同時(shí)它所增加的時(shí)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(dòng)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 總體設計
系統總體結構圖，如圖2所示。

圖2中，DS90CR288A為NI公司高性能串并轉換器，將Camera Link接口協(xié)議的4路LVDS信號和1路LVDS時(shí)鐘轉換為28位LVCMOS／LVTTL數據和一路時(shí)鐘信號，DS90LV047A為NI公司的3 VLVDS 4路單端轉差分驅動(dòng)器。DS90LV049為NI公司的3V LVDS雙向線(xiàn)路驅動(dòng)器和雙向線(xiàn)路接收器。
系統工作流程為：
首先，采集卡通過(guò)DS90LV047A對CCD相機發(fā)出的控制指令。CCD相機在接到指令后，將采集到的圖像數據分為4路LVDS數據信號和1路LVDS時(shí)鐘信號，通過(guò)接口連接器MDR26，輸送到圖像采集卡；圖像采集卡將串行數據轉換成38路并行信號和1路隨路時(shí)鐘傳送給FPGA進(jìn)行數據處理。由于數據量很大，為保證數據低誤碼率及提高可靠性，使用了2塊Micron 2 GB DDR2對數據進(jìn)行緩存和乒乓處理。FPGA根據用戶(hù)的需求進(jìn)行高速的圖像處理。采集卡通過(guò)PXIE-8x將圖像數據上傳至PC(上位機)上進(jìn)行后期處理，同時(shí)實(shí)現PC(上位機)對圖像采集卡的控制。圖像數據最終通過(guò)PC將數據存儲在SSD(Solid-state Drive)電子盤(pán)上，以供隨時(shí)調用。在讀／寫(xiě)速度等關(guān)鍵性能上，SSD電子盤(pán)遠遠優(yōu)于傳統機械硬盤(pán)，因此選用SSD電子盤(pán)為數據存儲介質(zhì)。采集卡還采用DS90LV049(LVDS雙線(xiàn)路驅動(dòng)器，帶有雙線(xiàn)路接收器)來(lái)實(shí)現采集卡與相機間的串行通信，用戶(hù)可以根據需要對CCD相機進(jìn)行配置。