摘  要： 介紹了一種基于FPGA和Camera link協(xié)議的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,。設(shè)計(jì)中將接口信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低壓差分信號(hào)(LVDS)進(jìn)行傳輸,，提高了信號(hào)的精度和傳輸距離。闡述了具體的硬件接口電路設(shè)計(jì)以及接口信號(hào)程序設(shè)計(jì),，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
關(guān)鍵詞： FPGA；camera link,；接口電路

　多年來(lái),，科學(xué)和工業(yè)數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)一直缺乏一種標(biāo)準(zhǔn)的通信方式,。圖像采集卡和相機(jī)各自的制造商都使用不同的連接器開(kāi)發(fā)產(chǎn)品,，使得廠(chǎng)家對(duì)于電纜生產(chǎn)變得困難并且對(duì)消費(fèi)者造成很大的困惑。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高,，一種在數(shù)碼相機(jī)與圖像采集卡之間的連接標(biāo)準(zhǔn)將變得更加必要,。Camera link是NI公司聯(lián)合多個(gè)攝像頭及圖像采集卡公司共同推出的一種機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的通信接口。該接口擴(kuò)展了Channel link的基礎(chǔ)技術(shù),，提供了一種對(duì)于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)更有效的規(guī)范,。
　有很多關(guān)于Camera link接口方面的研究，但基于色選系統(tǒng)并與FPGA結(jié)合的技術(shù)資料十分缺乏,。本文主要介紹了Camera link接口的通信協(xié)議以及一種以FPGA為主控芯片并且基于Camera link接口的圖像采集,、處理、顯示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，并就方案中的Camera link模塊結(jié)合色選機(jī)實(shí)例進(jìn)行具體介紹,。
1 Camera link協(xié)議[1-2]
　國(guó)家半導(dǎo)體公司基于在物理層的LVDS(低壓差分信號(hào))開(kāi)發(fā)了Channel link技術(shù)作為平板顯示器的一種解決方案。該技術(shù)后來(lái)被擴(kuò)展成一個(gè)通用數(shù)據(jù)的傳輸方法,，而Camera link就是在Channel link基礎(chǔ)上形成的,。
Channel link由一對(duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器組成。該驅(qū)動(dòng)器有28 bit的單端數(shù)據(jù)信號(hào)和1個(gè)單端時(shí)鐘,。這些信號(hào)以7：1的比例串行化成4個(gè)數(shù)據(jù)流和1個(gè)鎖相時(shí)鐘,，并通過(guò)5個(gè)LVDS對(duì)驅(qū)動(dòng)。該接收器接收4個(gè)LVDS數(shù)據(jù)流和1個(gè)LVDS時(shí)鐘并把它們轉(zhuǎn)化成28 bit數(shù)據(jù)和1個(gè)時(shí)鐘信號(hào),。Channel link的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達(dá)2.38 Gb/s)滿(mǎn)足當(dāng)前傳輸速率不斷增加的趨勢(shì),。圖1為Channel link連接示意圖。

　Camera link接口的視頻數(shù)據(jù)信號(hào)包括24 bit的圖像數(shù)據(jù)和4 bit的圖像使能信號(hào),，它們通過(guò)Camera link總線(xiàn)傳輸,。4個(gè)視頻同步信號(hào)分別定義為：
　幀有效信號(hào)FVAL,，當(dāng)FVAL為高電平時(shí)，輸出一幀有效數(shù)據(jù),；行有效信號(hào)LVAL,，當(dāng)LVAL為高電平時(shí)，輸出一個(gè)有效像元行,；數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL,，當(dāng)FVAL和LVAL為高時(shí)，DVAL為高電平,，輸出有效數(shù)據(jù),；SPARE為自定義控制信號(hào)。
　為了便于相機(jī)控制,，Camera link保留4對(duì)LVDS信號(hào),，分別是Camera Control 1(CC1)、Camera Control 2(CC2),、Camera Control 3(CC3),、Camera Control 4(CC4)，它們定義了相機(jī)的輸入和圖像采集卡的輸出,。相機(jī)制造商可以自定義這些信號(hào),，以滿(mǎn)足它們特定產(chǎn)品的需要。比如DALSA相機(jī)控制配置一般為：CC1——EXSYNC(低電平有效),；CC2——PRIN,；CC3——Direction；CC4——Not used,。
Camera link分配兩對(duì)LVDS信號(hào)用于攝像頭和圖像采集卡之間的異步串行通信,。攝像頭和圖像采集卡需至少支持9 600波特率。這兩個(gè)信號(hào)分別是：Ser TFG(相機(jī)串行輸出端至圖像采集卡串行輸入端)和Ser TC(圖像采集卡串行輸出端至相機(jī)串行輸入端),。并且其串行接口具有以下特點(diǎn)：一個(gè)起始位,，一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位,，無(wú)握手,。
　Camera link接口有3個(gè)端口配置，分別為Base,、Medium,、Full，它們各自需要的芯片數(shù)目和連接器的數(shù)目各不相同,，具體如表1所示,。一個(gè)端口定義為一個(gè)8 bit字。最低有效位(LSB)是第0位，最高有效位(MSB)是第7位,。Camera link接口采用的A-H的8個(gè)端口,。

　當(dāng)Camera link端口配置為Base時(shí)，其端口的各個(gè)位與接口芯片管腳之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,，詳細(xì)的位配置信息見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3],。如果Camera link的端口配置為Medium或者Full時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意,，如果端口D和G需要時(shí),，應(yīng)使用和端口A相同的位配置管腳；如果端口E和H需要時(shí),，應(yīng)使用和端口B相同的位配置管腳,；如果端口F需要時(shí)，應(yīng)使用和端口C相同的位配置管腳,。
2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)
2.1 系統(tǒng)框圖
　該系統(tǒng)主要由圖像傳感器(CCD),、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A/D)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA),、Camera link接口芯片和圖像采集卡五部分組成,。CCD完成圖像的光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生圖像的模擬信號(hào),，A/D將圖像的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，然后數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào),，最后通過(guò)圖像采集卡把圖像信號(hào)發(fā)送給PC機(jī)并通過(guò)液晶顯示器顯示,。在這一過(guò)程中，F(xiàn)PGA主控模塊控制CCD,、A/D,、Camera link接口芯片，使系統(tǒng)正常工作,。系統(tǒng)框圖如圖2所示,。

2.2 Camera link接口電路[3-4]

　選用Altera公司Cyclone III系列的FPGA芯片EP3C25Q240C8為主控芯片，用以設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)序,、圖像數(shù)據(jù)和產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),。Camera link 接口主要完成CMOS/TTL信號(hào)至LVDS信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)有效信號(hào)的控制,。其硬件芯片采用NI公司的DS90CR285來(lái)實(shí)現(xiàn)Camera link硬件接口電路,。
　采用DS90CR285發(fā)送器實(shí)現(xiàn)LVDS的電平轉(zhuǎn)換，選用Base端口配置,，端口Port A,、Port B、Port C分別對(duì)應(yīng)24 bit RGB數(shù)據(jù)中的R、G,、B,。每一個(gè)發(fā)送時(shí)鐘里，28 bit輸入數(shù)據(jù)被采樣和傳輸,，其中包括：24 bit的圖像數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)TxIN0-TxIN23,；4 bit的圖像數(shù)據(jù)同步信號(hào)Spare、LVAL,、FVAL和DVAL分別對(duì)應(yīng)TxIN24-TxIN27,。
　Camera link連接器選用3M公司的MDR-26連接器。在LVDS信號(hào)設(shè)計(jì)中,，需要為L(zhǎng)VDS信號(hào)進(jìn)行終端匹配,，在接收器的差分線(xiàn)對(duì)間跨接一個(gè)100 Ω的電阻。其中,，攝像頭中的DS90CR285輸出信號(hào)與MDR-26管腳之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示,。

3 程序設(shè)計(jì)[4-6]
　設(shè)計(jì)采用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)。由于KLI-2113芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),，在其輸出有效像元之前,，CCD模擬寄存器依序輸出4個(gè)虛擬單元信號(hào)、12個(gè)啞元信號(hào),，接著輸出2 098個(gè)有效信號(hào),，在輸出有效像元之后再輸出12個(gè)用于檢測(cè)一個(gè)周期結(jié)束的檢測(cè)信號(hào)、兩個(gè)虛擬單元信號(hào),，共2 128個(gè)輸出信號(hào),，最后輸出若干個(gè)無(wú)效像元，完成一個(gè)CCD的工作周期,。
部分VHDL程序如下：
……
process(TxCLK)
      begin
    if TxCLK′event and TxCLK=′1′
   then if cnt12<tim
   then cnt12<=cnt12+1,；
else cnt12<=(others=>′0′)；
    end if,；
    if cnt12 > 15  and cnt12 < 2114
   then LVAL<=′1′,；
else LVAL<=′0′；
    end if,；
    end if,；
end process；
……
　將程序下載到FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn),，圖3給出了Quartus II仿真結(jié)果,。

　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于以FPGA為主控芯片，結(jié)合CCD,、AD,、Camera link接口,、圖像采集卡，實(shí)現(xiàn)了圖像的采集,、傳輸,、顯示等功能。將CCD拍攝的圖像的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成8 bit數(shù)字信號(hào),，由DS90CR285芯片轉(zhuǎn)換成5對(duì)的LVDS低壓差分信號(hào),，Camera link接口經(jīng)過(guò)圖像采集卡發(fā)送至PC端，可以正確顯示圖像,，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,，并且為以后關(guān)于圖像采集的研究提供一定經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
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