Camera Link协议和FPGA的数字图像信号源设计

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1 引言
　　目前，各种图像设备已广泛应用到航空航天、军事、医疗等领域。图像信号源作为地面图像采集装置测试系统中的一部分，其传输方式及信号精度都是影响系统性能的重要因素。由于图像信号的传输速率高，数据量大，在传输过程中，其精度和传输距离易受影响。为了提高信号传输距离和精度设计了由FPGA内部发出图像数据，并通过FPGA进行整体时序控制；输出接口信号转换成符合Camera Link标准的低电压差分信号(LVDS)进行传输。该图像信号源已成功应用于某弹载记录器的地面测试台系统中。
　　2 Camera Link接口及图像数据接口信号 　　Camera Link标准是由国家半导体实验室(National Semiconductor)提出的一种Channel Link技术标准发展而来的，该接口具有开放式的接口协议，使得不同厂家既能保持产品的差异性，又能互相兼容。它在传统LVDS传输数据的基础上又加载了并转串发送器和串转并接收器，可在并行组合的单向链路、串行链路和点对点链路上，利用SER／DES(串行化／解串行化)技术以高达4.8 Gb／s的速度发送数据。CameraLink标准使用每条链路需两根导线的LVDS传输技术。驱动器接收28个单端数据信号和1个时钟信号，这些信号以7：1的比例被串行发送，也就是5对LVDS信号通道上分别传输4组LVDS数据流和1组LVDS时钟信号，即完成28位数据的同步传输只需5对线，而且在多通道66 MHz像素时钟频率下传输距离可达6 m。
　　Camera Link是在Channel Link的基础上增加了一些相机控制信号和串行通信信号，定义出标准的接头也就是标准化信号线，让Camera及影像卡的信号传输更简单化，同时提供基本架构(Base Configuration)、中阶架构(Medium Configuration)及完整架构(Full Configuration)三种：基本架构属单一Camera Link元件，为单一接头；中阶架构属双组Camera Link元件，为双组接头；完整架构属三组Camera Link元件，为三组接头。
　　传输数据时使用的视频同步信号固定不变，分别为： 帧同步信号FVAL：当FVAL为高电平时，正输出一帧有效数据；行同步信号LVAL：当LVAL为高电平时，正输出一个有效像元行(在两个有效像元行中间，LVAL会跳过几个无效的像素点，可在实际应用时设定跳过的像素点数)；数据有效信号DVAL：当FVAL和LVAL为高时，DVAL为高电平，正输出有效的数据；SPARE为备用信号。
　　设计中使用了FVAL和LVAL信号，当FVAL和LVAL信号都为高电平时，图像信号源数据在像素时钟信号PIXCLK的控制下依次发送。其接口信号时序如图1所示。

　　3图像信号源的设计实现
　　3.1设计方案
　　检测图像数据记录装置性能、图像信号源的标准图像生成有两种方法。一种是用FPGA直接生成信号，输出图像为0～255的灰度值图像；另一种是通过上位机软件下载图像到信号源中，FPGA产生视频同步信号和进行整体逻辑控制。
　　设计中采用了FPGA与Camera Link接口器件DS90CR-285相结合的方案，其图像信号源数据、像素时钟信号及视频同步信号由FPGA内部模块产生，经过DS90CR285器件转换成LVDS信号，接收端使用配套器件DS90CR286进行解调。考虑到FPGA的现场可编程特性，使用灵活方便，能够降低硬件电路设计难度。
　　所以，该方案选择FPGA作为主模块。Camera Link接口器件DS90CR285是专用电平转换器件，能将28位CMOS／TTL电平数据和一位像素时钟信号分别转换成4组LVDS数据流及一对LVDS时钟信号进行传输，由于采用差分传输方式，提高了传输距离及信号精度。
　　3.2硬件结构
　　图2给出图像信号源的硬件结构框图，主要由图像信号源和外围电路组成。前者是设计的核心，它选用Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列FPGAXC2S50，用以设计系统时序、图像数据及产生相应的信号；后者主要包括晶体振荡器、电平转换器件DS90CR285及输入输出接口。

　　系统上电后，晶体振荡器输出时钟信号，FPGA内部主控模块将自动产生与Camera Link协议相匹配的信号传输时序。FPGA内部产生的像素时钟信号、帧同步信号、行同步信号和图像数据一起进入DS90CR285，并通过该电平转换器件转换成LVDS信号，每对LVDS信号之间采用双绞线传输，以消除耦合干扰。图2中曲线部分即为Camera Link接口。
　　3.3 FPGA程序设计
　　设计中采用VHDL硬件描述语言进行时序设计。系统时钟为125 MHz，信号源像素时钟信号PIXCLK为系统时钟6分频，即21 MHz。本图像信号源数据格式为640×480，帧频为53 Hz，即每秒传输53帧图像。行同步信号LVAL和帧同步信号FVAL均由像索时钟信号进行计数产生，其时序如图3所示。


                           
                        
                           
                                　　其中P1为71个PIXCLK时钟周期：A为640个PIXCLK；即一行包含640个像素点；Q为94个PIXCLK；P2为23个PIXCLK，帧同步信号FVAL为低电平的时间是38 074个PIXCLK。一帧图像包含480行有效数据，可计算出传输一帧图像信号的时间为480×(A+Q)+38 074=390 394个PIXCLK时钟周期，帧频为21 MHz÷390 394=53 Hz，满足设计要求。
　产生行同步信号、帧同步信号和图像数据部分程序代码如下：

　　上述代码中，lval为行同步信号；fval为帧同步信号；U12_data为图像数据。
　　3.4实验结果
　　将程序下载到FPGA进行实现。图4给出该图像信号源产生的视频同步信号，即帧同步电压信号Ufval和同步电压信号Ulval。由图4中可见，符合设计时序的要求。

　　4结语
　　根据提供的方案，使用FPGA设计的图像信号源结构简单，实现方便，而且具有很强的可扩展性。基于Camera Link接口协议的图像信号采用LVDS方式传输，增加了传输距离，提高了传输过程中的信号精度。在地面测试台系统的应用中，该图像信号源运行稳定、可靠，各项指标均能满足各项设计要求。