基于PXIE總線的高速CCD數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

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　　為實現(xiàn)高速電容耦合器件(CCD)數(shù)字圖像采集傳輸，提出一種基于PXIE總線和Camera Link協(xié)議的高速圖像采集系統(tǒng)設(shè)計方案。設(shè)計了Camera Link硬件接口電路，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)信號的接口設(shè)計、控制信號的接口設(shè)計、串行通信信號接口設(shè)計;同時采用Xilinx公司的Vir-tex-5 LX50T型FPGA作為PXIE傳輸控制器，并對IP核進(jìn)行了開發(fā)，減少了外圍電路設(shè)計難度。創(chuàng)新性地運用直接內(nèi)存訪問的工作方式對PXIE傳輸速度進(jìn)行優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，PXIE配置為8通道時，讀取數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 504 MB/s，寫入速率達(dá)到了1 490 MB/s，可以滿足高速CCD數(shù)據(jù)的傳輸要求。

　　電容耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件。由于其具有信號輸出噪聲低、動態(tài)范圍大、量子效率和電荷轉(zhuǎn)移效率高等特點，加之多年來新型半導(dǎo)體材料技術(shù)的不斷積累和大規(guī)模集成技術(shù)的日臻完善，CCD技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。隨著上述領(lǐng)域?qū)?shù)字圖像的分辨率以及傳輸速度的要求越來越高，人們對高速圖像采集系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和可靠性也提出了新的要求。本文提出了一種基于PXIE總線和Camera Link協(xié)議的高速CCD圖像采集系統(tǒng)設(shè)計方案，并詳細(xì)說明了部分模塊的具體實現(xiàn)方式。

　　1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計

　　1.1 Camera Link協(xié)議及PXIE協(xié)議介紹

　　(1)Camera Link協(xié)議簡介

　　Camera Link是一種基于視頻應(yīng)用發(fā)展而來的通信接口。它是NI等13家公司基于Channel Link技術(shù)聯(lián)合推出的一種新型接口，簡化了相機與其他設(shè)備的連接。Camera Link的驅(qū)動端將28位并行數(shù)據(jù)以7：1方式轉(zhuǎn)化為4組LVDS數(shù)據(jù)流和1組LVDS時鐘信號，串行發(fā)送至接收端進(jìn)行處理。其最高傳輸速率可達(dá)2.38 Gb/s。圖1為Camera Link工作原理圖。

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　　Camera Link接口協(xié)議提供4類信號：相機控制信號、圖像數(shù)據(jù)信號、電源和串行通信信號。其接口有3種結(jié)構(gòu)，分別是初級配置(Base)、中級配置(Medium)和高級配置(Full)。Camera Link使用端口定義來區(qū)分這些配置。3M 26-pin MDR(Mini D Ribbon)連接器之所以被選擇與Camera Link配套使用是因為它優(yōu)秀的設(shè)計和先前Channel Link高速傳輸?shù)某晒?jīng)驗。

　　(2)PXIE協(xié)議簡介

　　PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出。PXIE基于Compact PCI標(biāo)準(zhǔn)，增加了時鐘和同步觸發(fā)總線，但其核心仍然是PCI總線。PXI Express相對PXI最顯著的改進(jìn)和優(yōu)勢就在于它融入PCI Express的特點，采用串行傳輸，點到點的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同于PXI在所有總線設(shè)備間分享帶寬，PXI Express為每一個設(shè)備提供單獨的傳輸通道。同時它所增加的時鐘和同步觸發(fā)信號以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測量、通信、工業(yè)自動化等領(lǐng)域擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢。本文采用PXIE-8x，最高傳輸速度達(dá)到1400Mb/s。