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圖像采集系統(tǒng)的Camera Link標準接口設計
21IC中國電子網
引 言
高速數據采集系統(tǒng)可對相機采集得到的實時圖像進行傳輸、實時處理，同時實現視頻采集卡和計算機之間的通信。系統(tǒng)連接相機的接口用的是Camera Link接口，通過Camera Link接口把實時圖像高速傳輸到FPGA圖像采集卡中進行數據實時處理，并通過PCI接口實現采集卡和計算機之間的通信。本文主要研究數據采集系統(tǒng) Cam-era Link接口技術。
Camera Link是專門為數字攝像機的數據傳輸提出的接口標準，是2000年10月由一些攝像頭供應商和圖像采集公司聯合推出的。Camera Link標準簡化了計算機和攝像頭之間的連接。本設計選用Dalsa公司的DS-21-02M30相機，該相機支持Camera Link接口。相機數據通過Camera Link接口傳輸到一塊Altera公司的FPGAStratixII中進行處理。在FPGA中進行數據的高速緩存，可以在FPGA中設計各種圖像處理程序對圖像進行實時處理。
1 DS-21-02M30相機簡介
DS-21-02M30相機可提供高靈敏度的8／10位圖像。為了同時獲得卓越的分辨率和灰度級，DS-21-02M30相機圖像分辨率為1 600×1 200，像素尺寸為7．4 μm×7．4 μm，像素數據輸出時鐘為40 MHz，最高幀頻可達60幀／s。通過設定像素數據格式命令，可以設定像素數據為8位、10位。功耗低于15 W，供電電源電壓為12～25 V。
通過異步串口向DS-21-02M30相機發(fā)送ASCII碼控制命令和診斷命令，可以控制相機輸出圖像的增益、補償、幀頻、曝光時間、曝光模式和測試圖像的輸出，還可以對相機進行診斷。串口協議：1位開始位，8位數據位，無奇偶校驗位，1位停止位；通信波特率為9 600 bps(相機默認)，通過設定波特率命令可將其設定為19 200 bps、57 600 bps和115 200 bps。
DS-21-02M30相機共有4種曝光模式，可以通過設定曝光模式命令來為相機選擇合適的曝光模式。
模式2：內部觸發(fā)方式(相機的默認曝光模式)。幀頻和曝光時間可用相應的命令控制。
模式3：最大曝光時間的外部觸發(fā)方式。
模式4：外部觸發(fā)方式。幀頻和曝光時間都由外部觸發(fā)信號控制，即外部觸發(fā)信號的高電平階段為曝光時間，外部觸發(fā)信號的頻率為幀頻。
模式6：外部觸發(fā)方式控制幀頻，曝光時間可用相應內部命令控制。
DS-21-02M30相機的命令以ASCII碼的形式發(fā)
送。向相機發(fā)送命令時，以回車符作為結束。相機上電后，相機背后的指示燈閃爍，同時通過串口發(fā)送“CameraInitialization in process，Please Wait…OK>”字符串。當收到“OK>”字符串時，表明相機要開始傳送圖像數據，相機背后的指示燈不再閃爍。當相機收到有效的命令時，會返回“OK>”字符串作為應答；否則，返回“Error x：Error Massage>”字符串作為應答。其中，x為錯誤標號，Error Massage表示對錯誤的具體說明。相機的應答字符串以符號“>”作為結束符。
2 Camera Link結構與原理
Camera Link是專門為數字攝像機的數據傳輸提出的接口標準，專為數字相機制定的一種圖像數據、視頻數據控制信號及相機控制信號傳輸的總線接口，數據傳輸速率最高可達2．38 Gbps。該標準規(guī)定了接口模式、相機信號、端口配置、圖像數據位配置、連接器引腳定義及連接線、標準接收器芯片組。采用這種標準后，使得數字攝像機的數據接口輸出采用更少的線數，連接電纜更容易制造，更具有通用性，而且數據的傳輸距離比普通傳輸方式更遠。其最主要的特點是采用了LVDS(Low VoltageDifferential Signaling，低壓差分信號)技術，使攝像機的數據傳輸速率大大提高。
在Careera Link標準出現之前，業(yè)界有一些標準(如較流行的IEEE-1394：接口)作為一種數據傳輸的技術標準。IEEE-1394被應用到眾多的領域，數字相機、攝像機等數字成像領域也有很廣泛的應用。IEEE-1394接口具有廉價，速度快，支持熱拔插，數據傳輸速率可擴展，標準開放等特點。但隨著數字圖像采集速度的提高、數據量的增大，原有的標準已無法滿足需求。為了簡化數據的連接，實現高速、高精度、靈活、簡單的連接，在 NationalSemiconductor公司開發(fā)的Channel Link總線技術基礎上，由多家相機制造商共同制定推出了Camera Link標準。基于Camera Link的數字相機的采集速度和數據量均好于基于IEEE-1394標準。
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位并行數據轉換為4對LVDS串行差分數據傳送出去，還有一對LVDS 串行差分數據線用來傳輸圖像數據輸出同步時鐘；而總線接收端，將串行差分數據轉換成28位并行數據，同時轉換出同步時鐘。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，還減少了傳輸過程中的電磁干擾。
3 高速數據采集卡Camera Link接口設計
高速數據采集系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。FPGA給相機發(fā)出控制信號，相機中的數據通過Careera Link接口傳送到圖像采集卡；數據由FPGA讀入，緩存在SDRAM中�？梢栽贔PGA中根據用戶的需求實現高速的圖像處理，根據圖像處理的結果可以由 FPGA完成用戶所需的控制。圖像采集卡通過PCI接口和計算機相連接，通過計算機可以配置圖像采集卡和相機，計算機也可以從采集卡中獲得圖像處理數據。接下來詳細研究FPGA和相機間的Camera Link接口技術。
3．1 DS-21-02M30相機的Camera Link接口
Camela Link總線標準規(guī)定：在完整模式下，最多可以使用8個端口(Port A～Port H)傳輸數據，每個端口為8位數據。DS-21-02M30相機使用Port A～Port C端口，用的是基本模式(Base)。相機后端有一個MDR26連接口，分別對應A、B、C三個端口各8位數據，加上FVAL、LVAL、DVAL和SP 四位數據控制信號，共28位并行數據位。
3．2 Camera Link接口的硬件設計
Camera Link的硬件連接框圖如圖3所示。硬件電路包括3部分：相機通過MDR26連接圖像采集卡；CameraLink接口的LVDS信號和CMOS信號轉換電路；FPGA接收相機數據和發(fā)送控制部分。
為了對相機進行外部觸發(fā)方式控制以及向相機發(fā)送命令，用四通道CMOS信號轉換為LVDS差分信號的芯，片。DS90LV047作為圖像采集卡，向相機發(fā)送外同步觸發(fā)信號和轉換命令。由于DS-21-02M30相機只用到CC1，FPGA構成的圖像采集卡，對相機的控制通過CC1和SerTC信號實現。為了接收相機向圖像處理系統(tǒng)發(fā)送的應答字符串，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差分信號轉換為CMOS信號的驅動器。
4 總 結
基于FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)，通過Camera Link接口和相機連接；從相機獲得高分辨率的實時圖像，并傳輸到FPGA中進行實時圖像處理并輸出。本文結合DS-21-02M30相機的基本功能，詳細研究了Camera Link接口技術，并給出了相機和高速圖像采集卡之間CameraLink接口設計，為正在研制的實時高速圖像采集卡奠定了基礎。
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