基于Medium型Camera Link的多通道图像实时显示系统设计
王旌尧;薛旭成;李祥之;赵庆磊;韩诚山
【摘 要】为了实现对相机拍摄到的图像数据的实时显示,提出了一种基于Medium型Camera Link的多通道图像实时显示系统设计方案,并完成系统的软硬件设计;Medium型Camera Link可以同时接收和发送两组数据,经过基于“乒乓RAM法”的数据同步处理后,利用2组RAM交替进行写、读操作,可以实现高频高速的数据同步传输;该系统的硬件部分用来接收相机端的实时图像数据输入并对数据进行高速传输,软件部分实现对数据的筛选,整理,格式转换等功能,能够完成对图像的实时显示.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)003
【总页数】3页(P930-932)
【关键词】图像;多通道;实时显示
【作 者】王旌尧;薛旭成;李祥之;赵庆磊;韩诚山
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院大学,北京 100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033
【正文语种】中 文
【中图分类】TP302
0 引言
为了保证大型相机系统的整体运行，图像接收系统必须保证对高清图像数据的实时传输和显示。随着科技的发展和需求的提高，对图像数据传输的速率要求也越来越高，但是为了保证精度，目前的图像采集卡普遍采用Camera Link 标准接口［1］，支持的时钟频率有限，并不能在所需求的高频时钟频率下正常工作。
为此，这里提出一种基于Medium 型Camera Link的多通道图像实时显示系统。同时使用多通道传输图像数据，将传输时钟频率要求大大降低，使得现有的图像采集卡也能够传输高频数据，实时显示高清图像。
1 系统结构及工作原理
本系统前端为图像采集系统，其中CCD 芯片实现将光信号转为电信号，由并串转换芯片将高清图像数据分两路串行传出。本系统中的串并转换芯片将两路串行数据转换回并行信号输入FPGA，由FPGA 实现数据的筛选，整理，格式转换，同步等功能［2］，最后将数据输入图像采集卡，将图像在PC 机上实时显示［3］。系统结构图如图1所示。
图1 多通道图像实时显示系统结构图
1.1 Camera Link接口协议
Camera Link是一种在机器视觉应用领域被广泛使用的串行通信协议，使用低压差分信号LVDS传输，速度快而且抗噪性能较好。本系统中，数据传输频率为100 MHz，但是采集卡支持的最高频率仅为85 MHz，应用传统的单路传输并不能实现图像的实时传输显示。
流程图转换为ns图
Medium 模式包括2对Channel Link信号发送驱动器与接收器和与之随同的用于相机控制和串行通信的LVDS 线对。同时使用2路的情况下，每路仅需要传输频率为50 MHz的信号，但是需要解决2路信号的同步问题。
1.2 多通道图像实时显示系统的软件实现流程
本系统中，每个数传接口的接口芯片采用TLK2711，它包括16bit 数据位，1bit 时钟以及控制信号TKMSB 和TKLSB。
图2 软件实现流程图
每个数传行的周期在数值上与CCD 积分时间相同。数据传输时，在TLK2711 的16 位数据位上传输有效数据，包括32个字长的帧头数据，1 024个字长的图像数据和2个字长的CRC－16校验，共占用时间10.580μs。
接收帧头帧尾数据时，TLMSB和TKLSB都为1；接收同步字符时，TKMSB 为1，TKLSB 为0；接收图像数据时，TKMSB和TKLSB 均为0。通过检测控制字符，改变FPGA的工作状态，达到数据同步传输的目的。软件实现流程图如图2所示。
2 系统硬件结构设计
数据传输系统包含在单块PCB 电路板内，主要包括串并转换芯片，FPGA，另外还包括Camera Link接口芯片，电平转换芯片，FPGA 配置芯片等，实现图像数据的筛选同步和高速传输。
图像显示系统主要包括PC机和图像采集卡，实现图像的实时显示。
2.1 器件选型
该系统设计的串并转换芯片选用TLK2711 芯片，使用8B10B编码，转码性能稳定，能够并化1.6～2.7Gbps的串行信号，转化为16路并行信号。
FPGA 选用Virtex－4系列的XC4VFX60，运算频率最高超过200 MHz，逻辑处理能力强大，使用XCF32PV 作为配置芯片。
图像采集卡选用Matrox Solios eV－CL采集卡，支持Medium 型Camera Link通信，最高支持85MHz的时钟频率，可以在50 MHz 频率下正常工作，满足设计需求［4］。Camera Link 接口芯片选用Camera Link 协议专用的LVDS 接口芯片DS90CR287。
系统接收由图像采集系统中串并转换芯片串化后的图像数据，要求高速、可靠、多通道。故连接器选用包含2组数字通道的MKHS连接器，能够安全有效地传递数据。
2.2 电源管理单元
系统供电分为1.2 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V，分别由4种LT164EQ 电平转换芯片提供，输出电压稳定。其中1.2V为FPGA 内核供电，1.8 V为配置芯片供电，2.5 V 为TLK2711网络供电，3.3V 为DS90CR287网络供电。
具体布线阶段，为避免相互干扰，将整块板分割平面为2.5 V和3.3V两部分敷铜连接，1.2V和1.8V网络单独走线。
2.3 串并转换子系统
系统使用TLK2711芯片，接入2.5V 供电网络，将从图像采集系统接收到的2Gbps串行信号转换成16路并行信号，数据速率为100MHz＊16bps。有效信号的建立时间tsu ≥1.5 ns，保持时间tk ≥0.4ns。每个TLK2711芯片接16位数据输入和16 位数据输出，可以实现数据接收或收发自校。TLK2711芯片的输入时钟由FPGA 提供，输出时钟为芯片利用输入时钟和输
入数据解码得到。
2.4 FPGA子系统
系统使用XC4VFX60芯片，接入100 MHz时钟，将并行化后的16位数据按照Camera Link协议转化为6路8位数据。本系统采用Medium 型的Camera Link，每路数据为12bit，按照Camera Link协议规则，转化为频率为50 MHz的6路8位数据，然后在软件执行时将6路8位数据重构为4路12位数据，作为图像显示时的4 个Port同时显示。图3 为Camera Link 接口的配置模式。
2.5 图像采集卡接口芯片子系统
系统使用DS90CR287芯片，每个芯片将3路8位信号转换为符合Camera Link协议的3对频率为50 MHz的LVDS差分信号，以及1对50 MHz时钟差分信号，作为PC 端图像采集卡的输入。
图3 Camera Link 接口的配置模式
3 系统软件设计
3.1 软件开发开具
该系统软件设计采用Xilinx公司ISE（Integrated Synthesis Environment）14.4 版本作为开发环境，其整合了电路设计、合成、功能模拟、芯片规划、时序模拟、Configuration下载等功能，并能在同一窗口内完成整合性开发。PC 端图像显示程序则是使用Matrox Solios eV－CL图像采集卡自带的Matrox Intellicam，能够实现图像的实时显示、录像、截图等功能。
3.2 软件系统总体设计
在硬件平台的基础上，利用Xilinx ISE软件开发具有可扩展性，可操作性的软件系统。系统软件部分采用模块化设计思想，主要包括主程序模块、串口通信模块、自校图形模块和图像接收模块。主程序模块负责整合整个系统的输入和输出，选择工作模式；串口通信模块负责接收由采集卡自带的RS－232通信串口实现通信，接收PC端发出的工作模式选择指令；自校图形模块输出固定的图像数据，在不需要图像采集系统的情况下对本系统进行自校；图像接收模块接收图像采集系统输入的数据，对数据进行筛选，整理，最后输出到图像采集卡进行显示［5］。

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