圖像采集系統(tǒng)的Camera Link標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)

引 言
    高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對(duì)相機(jī)采集得到的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行傳輸、實(shí)時(shí)處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)視頻采集卡和計(jì)算機(jī)之間的通信。系統(tǒng)連接相機(jī)的接口用的是Camera Link接口，通過(guò)Camera Link接口把實(shí)時(shí)圖像高速傳輸?shù)紽PGA圖像采集卡中進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，并通過(guò)PCI接口實(shí)現(xiàn)采集卡和計(jì)算機(jī)之間的通信。本文主要研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) Cam-era Link接口技術(shù)。
    Camera Link是專門為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸提出的接口標(biāo)準(zhǔn)，是2000年10月由一些攝像頭供應(yīng)商和圖像采集公司聯(lián)合推出的。Camera Link標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)和攝像頭之間的連接。本設(shè)計(jì)選用Dalsa公司的DS-21-02M30相機(jī)，該相機(jī)支持Camera Link接口。相機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)Camera Link接口傳輸?shù)揭粔KAltera公司的FPGAStratixII中進(jìn)行處理。在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速緩存，可以在FPGA中設(shè)計(jì)各種圖像處理程序?qū)D像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

1 DS-21-02M30相機(jī)簡(jiǎn)介
    DS-21-02M30相機(jī)可提供高靈敏度的8／10位圖像。為了同時(shí)獲得卓越的分辨率和灰度級(jí)，DS-21-02M30相機(jī)圖像分辨率為1 600×1 200，像素尺寸為7．4 μm×7．4 μm，像素?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)鐘為40 MHz，最高幀頻可達(dá)60幀／s。通過(guò)設(shè)定像素?cái)?shù)據(jù)格式命令，可以設(shè)定像素?cái)?shù)據(jù)為8位、10位。功耗低于15 W，供電電源電壓為12～25 V。
    通過(guò)異步串口向DS-21-02M30相機(jī)發(fā)送ASCII碼控制命令和診斷命令，可以控制相機(jī)輸出圖像的增益、補(bǔ)償、幀頻、曝光時(shí)間、曝光模式和測(cè)試圖像的輸出，還可以對(duì)相機(jī)進(jìn)行診斷。串口協(xié)議：1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位；通信波特率為9 600 bps(相機(jī)默認(rèn))，通過(guò)設(shè)定波特率命令可將其設(shè)定為19 200 bps、57 600 bps和115 200 bps。
    DS-21-02M30相機(jī)共有4種曝光模式，可以通過(guò)設(shè)定曝光模式命令來(lái)為相機(jī)選擇合適的曝光模式。
    模式2：內(nèi)部觸發(fā)方式(相機(jī)的默認(rèn)曝光模式)。幀頻和曝光時(shí)間可用相應(yīng)的命令控制。
    模式3：最大曝光時(shí)間的外部觸發(fā)方式。
    模式4：外部觸發(fā)方式。幀頻和曝光時(shí)間都由外部觸發(fā)信號(hào)控制，即外部觸發(fā)信號(hào)的高電平階段為曝光時(shí)間，外部觸發(fā)信號(hào)的頻率為幀頻。
    模式6：外部觸發(fā)方式控制幀頻，曝光時(shí)間可用相應(yīng)內(nèi)部命令控制。
    DS-21-02M30相機(jī)的命令以ASCII碼的形式發(fā)
送。向相機(jī)發(fā)送命令時(shí)，以回車符作為結(jié)束。相機(jī)上電后，相機(jī)背后的指示燈閃爍，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送“CameraInitialization in process，Please Wait…OK>”字符串。當(dāng)收到“OK>”字符串時(shí)，表明相機(jī)要開始傳送圖像數(shù)據(jù)，相機(jī)背后的指示燈不再閃爍。當(dāng)相機(jī)收到有效的命令時(shí)，會(huì)返回“OK>”字符串作為應(yīng)答；否則，返回“Error x：Error Massage>”字符串作為應(yīng)答。其中，x為錯(cuò)誤標(biāo)號(hào)，Error Massage表示對(duì)錯(cuò)誤的具體說(shuō)明。相機(jī)的應(yīng)答字符串以符號(hào)“>”作為結(jié)束符。

2 Camera Link結(jié)構(gòu)與原理
    Camera Link是專門為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸提出的接口標(biāo)準(zhǔn)，專為數(shù)字相機(jī)制定的一種圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)控制信號(hào)及相機(jī)控制信號(hào)傳輸?shù)目偩€接口，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2．38 Gbps。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接口模式、相機(jī)信號(hào)、端口配置、圖像數(shù)據(jù)位配置、連接器引腳定義及連接線、標(biāo)準(zhǔn)接收器芯片組。采用這種標(biāo)準(zhǔn)后，使得數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)據(jù)接口輸出采用更少的線數(shù)，連接電纜更容易制造，更具有通用性，而且數(shù)據(jù)的傳輸距離比普通傳輸方式更遠(yuǎn)。其最主要的特點(diǎn)是采用了LVDS(Low VoltageDifferential Signaling，低壓差分信號(hào))技術(shù)，使攝像機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率大大提高。
    在Careera Link標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之前，業(yè)界有一些標(biāo)準(zhǔn)(如較流行的IEEE-1394：接口)作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-1394被應(yīng)用到眾多的領(lǐng)域，數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)等數(shù)字成像領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用。IEEE-1394接口具有廉價(jià)，速度快，支持熱拔插，數(shù)據(jù)傳輸速率可擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)開放等特點(diǎn)。但隨著數(shù)字圖像采集速度的提高、數(shù)據(jù)量的增大，原有的標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法滿足需求。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的連接，實(shí)現(xiàn)高速、高精度、靈活、簡(jiǎn)單的連接，在 NationalSemiconductor公司開發(fā)的Channel Link總線技術(shù)基礎(chǔ)上，由多家相機(jī)制造商共同制定推出了Camera Link標(biāo)準(zhǔn)?；贑amera Link的數(shù)字相機(jī)的采集速度和數(shù)據(jù)量均好于基于IEEE-1394標(biāo)準(zhǔn)。
    Camera Link是一種基于物理層的LVDS的平面顯示解決方案。圖1為Camera Link總線發(fā)送端與接收端的連接框圖，也是該總線的基本模式?？偩€發(fā)送端，將28位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4對(duì)LVDS串行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送出去，還有一對(duì)LVDS 串行差分?jǐn)?shù)據(jù)線用來(lái)傳輸圖像數(shù)據(jù)輸出同步時(shí)鐘；而總線接收端，將串行差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成28位并行數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)換出同步時(shí)鐘。這樣不但減少了傳輸線的使用量，而且由于采用串行差分傳輸方式，還減少了傳輸過(guò)程中的電磁干擾。

3 高速數(shù)據(jù)采集卡Camera Link接口設(shè)計(jì)
    高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。FPGA給相機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，相機(jī)中的數(shù)據(jù)通過(guò)Careera Link接口傳送到圖像采集卡；數(shù)據(jù)由FPGA讀入，緩存在SDRAM中。可以在FPGA中根據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)高速的圖像處理，根據(jù)圖像處理的結(jié)果可以由 FPGA完成用戶所需的控制。圖像采集卡通過(guò)PCI接口和計(jì)算機(jī)相連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以配置圖像采集卡和相機(jī)，計(jì)算機(jī)也可以從采集卡中獲得圖像處理數(shù)據(jù)。接下來(lái)詳細(xì)研究FPGA和相機(jī)間的Camera Link接口技術(shù)。

3．1 DS-21-02M30相機(jī)的Camera Link接口
    Camela Link總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在完整模式下，最多可以使用8個(gè)端口(Port A～Port H)傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)端口為8位數(shù)據(jù)。DS-21-02M30相機(jī)使用Port A～Port C端口，用的是基本模式(Base)。相機(jī)后端有一個(gè)MDR26連接口，分別對(duì)應(yīng)A、B、C三個(gè)端口各8位數(shù)據(jù)，加上FVAL、LVAL、DVAL和SP 四位數(shù)據(jù)控制信號(hào)，共28位并行數(shù)據(jù)位。
3．2 Camera Link接口的硬件設(shè)計(jì)
    Camera Link的硬件連接框圖如圖3所示。硬件電路包括3部分：相機(jī)通過(guò)MDR26連接圖像采集卡；CameraLink接口的LVDS信號(hào)和CMOS信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；FPGA接收相機(jī)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制部分。

    為了對(duì)相機(jī)進(jìn)行外部觸發(fā)方式控制以及向相機(jī)發(fā)送命令，用四通道CMOS信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS差分信號(hào)的芯，片。DS90LV047作為圖像采集卡，向相機(jī)發(fā)送外同步觸發(fā)信號(hào)和轉(zhuǎn)換命令。由于DS-21-02M30相機(jī)只用到CC1，F(xiàn)PGA構(gòu)成的圖像采集卡，對(duì)相機(jī)的控制通過(guò)CC1和SerTC信號(hào)實(shí)現(xiàn)。為了接收相機(jī)向圖像處理系統(tǒng)發(fā)送的應(yīng)答字符串，選用DS90LV048芯片作為圖像處理系統(tǒng)接收器。 DS90LV048芯片是四通道LVDS差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為CMOS信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器。

4 總 結(jié)
    基于FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)，通過(guò)Camera Link接口和相機(jī)連接；從相機(jī)獲得高分辨率的實(shí)時(shí)圖像，并傳輸?shù)紽PGA中進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理并輸出。本文結(jié)合DS-21-02M30相機(jī)的基本功能，詳細(xì)研究了Camera Link接口技術(shù)，并給出了相機(jī)和高速圖像采集卡之間CameraLink接口設(shè)計(jì)，為正在研制的實(shí)時(shí)高速圖像采集卡奠定了基礎(chǔ)。