Camera Link協議和FPGA的數字圖像信號源設計

1 引言

　　目前，各種圖像設備已廣泛應用到航空航天、軍事、醫療等領域。圖像信號源作為地面圖像采集裝置測試系統中的一部分，其傳輸方式及信號精度都是影響系統性能的重要因素。由于圖像信號的傳輸速率高，數據量大，在傳輸過程中，其精度和傳輸距離易受影響。為了提高信號傳輸距離和精度設計了由FPGA內部發出圖像數據，并通過FPGA進行整體時序控制；輸出接口信號轉換成符合Camera Link標準的低電壓差分信號(LVDS)進行傳輸。該圖像信號源已成功應用于某彈載記錄器的地面測試臺系統中。

　　2 Camera Link接口及圖像數據接口信號

　　Camera Link標準是由國家半導體實驗室(National Semiconductor)提出的一種Channel Link技術標準發展而來的，該接口具有開放式的接口協議，使得不同廠家既能保持產品的差異性，又能互相兼容。它在傳統LVDS傳輸數據的基礎上又加載了并轉串發送器和串轉并接收器，可在并行組合的單向鏈路、串行鏈路和點對點鏈路上，利用SER／DES(串行化／解串行化)技術以高達4.8 Gb／s的速度發送數據。CameraLink標準使用每條鏈路需兩根導線的LVDS傳輸技術。驅動器接收28個單端數據信號和1個時鐘信號，這些信號以7：1的比例被串行發送，也就是5對LVDS信號通道上分別傳輸4組LVDS數據流和1組LVDS時鐘信號，即完成28位數據的同步傳輸只需5對線，而且在多通道66 MHz像素時鐘頻率下傳輸距離可達6 m。

　　Camera Link是在Channel Link的基礎上增加了一些相機控制信號和串行通信信號，定義出標準的接頭也就是標準化信號線，讓Camera及影像卡的信號傳輸更簡單化，同時提供基本架構(Base Configuration)、中階架構(Medium Configuration)及完整架構(Full Configuration)三種：基本架構屬單一Camera Link元件，為單一接頭；中階架構屬雙組Camera Link元件，為雙組接頭；完整架構屬三組Camera Link元件，為三組接頭。

　　傳輸數據時使用的視頻同步信號固定不變，分別為： 幀同步信號FVAL：當FVAL為高電平時，正輸出一幀有效數據；行同步信號LVAL：當LVAL為高電平時，正輸出一個有效像元行(在兩個有效像元行中間，LVAL會跳過幾個無效的像素點，可在實際應用時設定跳過的像素點數)；數據有效信號DVAL：當FVAL和LVAL為高時，DVAL為高電平，正輸出有效的數據；SPARE為備用信號。

　　設計中使用了FVAL和LVAL信號，當FVAL和LVAL信號都為高電平時，圖像信號源數據在像素時鐘信號PIXCLK的控制下依次發送。其接口信號時序如圖1所示。

　　3圖像信號源的設計實現

　　3.1設計方案

　　檢測圖像數據記錄裝置性能、圖像信號源的標準圖像生成有兩種方法。一種是用FPGA直接生成信號，輸出圖像為0～255的灰度值圖像；另一種是通過上位機軟件下載圖像到信號源中，FPGA產生視頻同步信號和進行整體邏輯控制。

　　設計中采用了FPGA與Camera Link接口器件DS90CR-285相結合的方案，其圖像信號源數據、像素時鐘信號及視頻同步信號由FPGA內部模塊產生，經過DS90CR285器件轉換成LVDS信號，接收端使用配套器件DS90CR286進行解調?？紤]到FPGA的現場可編程特性，使用靈活方便，能夠降低硬件電路設計難度。

　　所以，該方案選擇FPGA作為主模塊。Camera Link接口器件DS90CR285是專用電平轉換器件，能將28位CMOS／TTL電平數據和一位像素時鐘信號分別轉換成4組LVDS數據流及一對LVDS時鐘信號進行傳輸，由于采用差分傳輸方式，提高了傳輸距離及信號精度。

　　3.2硬件結構

　　圖2給出圖像信號源的硬件結構框圖，主要由圖像信號源和外圍電路組成。前者是設計的核心，它選用Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列FPGAXC2S50，用以設計系統時序、圖像數據及產生相應的信號；后者主要包括晶體振蕩器、電平轉換器件DS90CR285及輸入輸出接口。

　　系統上電后，晶體振蕩器輸出時鐘信號，FPGA內部主控模塊將自動產生與Camera Link協議相匹配的信號傳輸時序。FPGA內部產生的像素時鐘信號、幀同步信號、行同步信號和圖像數據一起進入DS90CR285，并通過該電平轉換器件轉換成LVDS信號，每對LVDS信號之間采用雙絞線傳輸，以消除耦合干擾。圖2中曲線部分即為Camera Link接口。

　　3.3 FPGA程序設計

　　設計中采用VHDL硬件描述語言進行時序設計。系統時鐘為125 MHz，信號源像素時鐘信號PIXCLK為系統時鐘6分頻，即21 MHz。本圖像信號源數據格式為640×480，幀頻為53 Hz，即每秒傳輸53幀圖像。行同步信號LVAL和幀同步信號FVAL均由像索時鐘信號進行計數產生，其時序如圖3所示。

　　其中P1為71個PIXCLK時鐘周期：A為640個PIXCLK；即一行包含640個像素點；Q為94個PIXCLK；P2為23個PIXCLK，幀同步信號FVAL為低電平的時間是38 074個PIXCLK。一幀圖像包含480行有效數據，可計算出傳輸一幀圖像信號的時間為480×(A+Q)+38 074=390 394個PIXCLK時鐘周期，幀頻為21 MHz÷390 394=53 Hz，滿足設計要求。

　產生行同步信號、幀同步信號和圖像數據部分程序代碼如下：

　　上述代碼中，lval為行同步信號；fval為幀同步信號；U12_data為圖像數據。

　　3.4實驗結果

　　將程序下載到FPGA進行實現。圖4給出該圖像信號源產生的視頻同步信號，即幀同步電壓信號Ufval和同步電壓信號Ulval。由圖4中可見，符合設計時序的要求。

　　4結語

　　根據提供的方案，使用FPGA設計的圖像信號源結構簡單，實現方便，而且具有很強的可擴展性。基于Camera Link接口協議的圖像信號采用LVDS方式傳輸，增加了傳輸距離，提高了傳輸過程中的信號精度。在地面測試臺系統的應用中，該圖像信號源運行穩定、可靠，各項指標均能滿足各項設計要求。