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嵌入式与SOC 《PLC技术应用200例》
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基于CameraLink的视频图像采集与传输系统The System of Video Image Collection and Transmission Based On CameraLink
沈鸽1王美娇2嵇晓强3,4
SHEN Ge WANG Mei-jiao JI Xiao-qiang
摘要:本文介绍了CameraLink接口标准的特点和原理,设计了一种基于CameraLink协议的图像数据采集与传输系统以提高工程项目的稳定性。该系统以FPGA作为核心处理单元,进行整体时序控制,实现数字图像的采集,信号转换,输入输出缓存和数据传输等功能。同时实现对相机工作模式的控制以及与计算机的接口通讯,可同时采集多个相机的数据。该设计简便,可靠,通过实际测试,采用以上控制接口系统在视频图像采集与传输控制方面能达到稳定的效果,各项指标均能满足实际工程项目设计要求。
关键词:CameraLink接口;图像采集;图像传输;相机控制
中图分类号:TP274.3文献标识码:A
Abstract:The principle and characteristic of CameraLink interface protocol were introduced in this paper.An image data collection and transmission system based on CameraLink is designed in order to improve the reliability and stability in the project.FPGA is the core processing unit in system that controlled the integral time sequence and realized digital image collection,signal transferring,data storing for input/output interface,and data transmission.Simultaneously controlled the working mode of camera and communicating with the computer interface.The design is simple and reliable.The result through practical testing is indicated that the system in the video image acquisition and transmission control is stable and reliable,and the indicators met the actual project requirements.
Key words:CameraLink interface;Image collection;Image transmission;Camera control
文章编号:1008-0570(2011)08-0099-02
1引言
目前,数字图像设备已广泛应用到航空航天、军事、医疗、交
通等领域。由于视频图像信号的传输速率高,数据量大,数据处
理相关性高,在传输过程中其精度和传输距离易受影响,又要考
虑到与计算机的兼容问题,这对实时数据采集、高速缓存的控制
与传输提出了更高的要求。而一些点对点物理层接口和其他一
些原有的数据传输标准,都在速度、噪声、功耗等方面有着其不
足之处,在高速应用方面不能满足要求。因此采用新的接口技术
来解决数据传输瓶颈问题显得日益突出。CameraLink技术以其
固有的低电压、低功耗和有利于高速传输等特点,正逐渐成为宽
带高速系统设计的首选接口标准。目前,CameraLink技术在通信
领域的应用更是日益普及,正在发挥着不可替代的作用。
本文考虑到工程实际要求,设计了一种以FPGA为核心处
理模块基于CameraLink协议的数据采集与传输系统。本系统通
过FPGA进行整体时序控制,实现针对采集所得的高速数字图
像的控制与处理。
2CameraLink接口协议
CameraLink标准是专门为数字摄像机的数据传输提出的
接口标准。采用这种标准后,使得数字摄像机的数据接口输出采
用较少的线数、连接电缆,更容易制造,更具有通用性,而且也使
得数据的传输距离比普通传输方式更远。
CameraLink技术由ChannelLink标准发展而来,同样是每条
链路需两根导线的LVDS传输技术。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
中,只需5对LVDS线完成28位数据的同步传输。在此基础上,
CameraLink又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,让相机及采集卡的信号传
输更简单化,同时提供初级、中级、高级三种构架。
CameraLink信号分为图像数据信号,相机控制信号,异步串
行通信信号以及电源信号。其中数据信号28位,分别定义为帧
有效信号、行有效信号、数据有效信号和保留信号,是数据传输
的同步控制信号以及port口传输的24位并行图像数据;相机控
制信号分别为外部同步信号、重置信号、向前信号和保留信号,
用于外界与相机的通讯;异步串行通信信号:SerTFG和SerTC,用
于相机和图像采集卡之间的异步串行通信。根据工程需要,系统
设计只考虑数据传输的同步信号以及相机控制信号。图1所示
即为CameraLink协议信号传输时序图。PIXCLK是像素输出同
步时钟;DOUT0-DOUT7为图像数据;FVAL为帧有效信号;LVAL
为行有效信号。只要FVAL,LVAL为高,时钟信号和数据正确时
就会有图像输出。
图1CameraLink协议信号传输时序
3系统硬件平台
3.1硬件平台的构成
整个系统的硬件结构由以下几部分组成,如图2所示。分别
为图像采集模块、图像输出模块、相机控制模块以及主控模块。
(1.空军航空大学;2.长春理工大学
3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;
4.中国科学院研究生院)
沈鸽:助理馆员
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技
术创新
《微计算机信息》2011年第27卷第8期
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《现场总线技术应用200例》
嵌入式与SOC
整个系统工作流程为:相机输出的信号经过CameraLink 电缆传输到板上的MDR26接插件,由LVDS 线路接收器DS90CR288将其转换成并行的TTL/CMOS 信号,并分离出图像数据和3个控制信号LVAL,DVAL,FVAL,进入FPGA 的双端口RAM 中,实现数据的短时存储。FPGA 通过DS90LV049对相机的工作模式进行控制,使其工作在外触发模式,便于将辅助数据加载在每帧图像数据的第0行中。FPGA 处理后通过LVDS 线路发送器
DS90CR287将其转换成并行的LVDS 信号。
由CameraLink 采集卡采集并显示出来。
图2系统硬件结构图
3.2具体实现方案3.2.1图像采集模块由数字相机、MDR26连接器、DS90CR288接收器组成。采用国外某款相机,是一款高分辨率和高性能的面阵CCD 相机,其分辨率为2048*2048,帧频为16Hz,80MHz 时钟,输出的数据格式为CameraLink 基本配置。根据CameraLink 接口协议要求,相机输出的信号为低压差分信号(LVDS)模式。由于FPGA 支持的I/O 接口标准为CMOS/TTL,所以该信号需经转换芯片转换后才能被FPGA 处理。DS90CR288接收器即用于完成LVDS 信号到并行TTL/CMOS 信号的转换。DS90CR288接收相机经MDR226连接器传输的5对LVDS 信号,将其转换成28位并行数据以及1路时钟信号CLK_IN,同时分离出24位图像数据(RxOUT0~RxOUT23),4位图像数据同步信号(RxOUT24~Rx －OUT27),分别对应Spare 、LVAL 、FVAL 和DVAL,进入FPGA 的双
口RAM 中缓存。
另外,对于高速差分信号,需要终端电阻来实现对差分传输线的最大匹配,以减少终端信号的反射,确保信号的完整性,提高信号的传输质量。因此,在DS90CR288的差分线对间跨接一个90~130Ω的电阻。
3.2.2图像输出模块
主要是LVDS 线路发送器DS90CR287,用于将FPGA 输出的TTL 类型的图像数据、帧有效、行有效控制信号转换成Cam －eraLink 采集卡能够接收的5对LVDS 差分信号。DS90CR287和DS90CR288是一对收发器,用来在LVDS 和TTL 信号之间的转换。每个CameraLink 驱动器都有从TX0至TX27的28个数据位输入引脚,相应的接收器有从RX0至RX27的28个数据输出引脚。CameraLink 协议端口位分配中定义了图像数据位是怎样分配到端口的。DS90CR287输出的数据由图像采集卡采集后在显示器上显示。采集卡选用国外某款CameraLink 采集卡,可以完成视频和图像采集。只要帧、行、数据有效信号FVAL 、
LVAL 、
和DVAL 为高,时钟信号有效,并且数据(RxOUT0~Rx －OUT23)有输入即可采集到图像。
3.2.3相机控制模块
FPGA 接收MDR26模块传输的相机信号,同时产生控制信号CC1,CC2,CC3,CC4,来完成对相机功能的控制。由于Camer －aLink 接口的4路控制信号为LVDS 信号,因此需要通过转换芯
片将FPGA 发出的COMS/TTL 控制命令信号转化为LVDS 信号。系统采用LVDS 收发器DS90LV047来完成,利用CC1进行对相机的外触发操作,根据工程需要,将其帧频改为1Hz,提供给后续系统。
3.2.4主控模块
FPGA 作为整个系统的核心单元,选用Altera 公司的Cy －
clone Ⅰ的EP1C2,主要完成CameraLink 接口通信、
图像数据输入输出缓存、
外设接口控制逻辑、相机控制等。具体实现过程如下:相机获取的图像数据经DS90286接收器得到的8位图像数据和3个控制信号LVAL,DVAL,FVAL,进入FPGA 的双口RAM 中缓存,按照实际需求将辅助数据加载到图像数据中。同时,FPGA 内部产生控制相机信号,经DS90LV047转成LVDS 信号后回送给相机,控制相机的工作状态。这样,相机按照FPGA 外触发模式工作。由外触发决定图像的帧周期,系统中外触发时间为1s 。得到的图像数据加入辅助数据后送给输出单元,最后在显示器上显示出来。整个系统,相机、采集卡的接口都是基于CameraLink 协议的。
4实验结果与分析
采用Verilog HDL 硬件描述语言进行时序设计。将程序下载到FPGA 进行验证。系统时钟为80MHz,由像素时钟提供。控制相机外触发的信号由此时钟得到。通过Quartus ⅱ自带的在线逻辑分析仪SignalTap ⅱ得到的行同步信号LVAL 、帧同步信号FVAL 以及像素时钟型号如图3所示。相机工作在外触发模式后,图像数据在FPGA 缓存后加载帧头。根据时序图及最终的结果图可知,整个系统设计合理,符合工程实际接口需要。
图3SignalTap ⅱ获取的相机正常工作的输入数据时序图
5结论
本文介绍了CameraLink 协议的原理及特点,设计了一种基于CameraLink 协议的视频图像采集与传输系统,利用FPGA 作为核心单元,控制整个系统的时序,实现符合CameraLink 协议的数字相机,采集卡之间的通信与控制。同时实现对图像数据的采集,信号转换,缓存,实时处理,输出等。该系统稳定可靠,精度高,不易受干扰,具有较强的通用性、实用性和扩展性,在解决高速视频图像数据传输这个瓶颈问题上得到了广泛的应用。
本文作者创新观点:采用了CameraLink 协议以及FPGA 为控制核心的视频图像采集与传输系统,该系统稳定可靠,精度高,不易受干扰,具有较强的通用性、实用性和扩展性,灵活性大大增强。
作者对本文版权全权负责,无抄袭。参考文献
[1]王小艳,张会新,孙永生,杨倩.CameraLink 协议和FPGA 的数字图像信号源设计[J].国外电子元器件,2008,5:59-61.
[2]李-,王云伟,石俊.基于Camera Link 标准的图像采集处理系统及其应用[J].西安工程科技学院学报,2007,6:363,463,563.
[3]陈伟,宋燕星.基于LVDS 技术的高速数字图像传输系统[J].电子测量技术,2008,11:271,371,471.
[4]李宁,汪骏发.基于Camera Link 的高速数据采集系统[J].红外,2005,7:31-37.(下转第203页)
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间复杂度计算过程如下:
一.初始化请求基向量I
N
,生成系统标志向量I N。若节点数为
N,则初始化请求集长度为
n=log2,生成对应的A N需要计算n*(n-1)/2次。
二.插入节点,修改系统状态向量TN。一共要纳入(-)
个节点,因此共需要计算
*(-1)/2
由以上分析可知,所以需判断n*(n-1)/2+*(-1)/2≈
n/2次,其中n=log2。
从以上分析可知,本文的算法的诗句复杂度为O(N),而折半
循环编码算法的时间复杂度为O(N2/2),由此可见,在节点数N
相对较大时,本算法的效率就远大于折半循环编码算法,能以更
短的时间生成所需请求集,易于实际应用。
4.3空间复杂度
本算法主要用了请求基向量I
N
和系统标志向量T
N
,当节点
数N比较大时,I
N
的长度可近似为,而T
N
的长度为N,所以本
算法的空间复杂度可近似为O(+N)。而在同等节点数时,折
半循环编码算法的空间复杂度为O(N2/2),为本算法空间复杂度
的N倍,这样,当N比较大时,本算法就从很大程度上节省了内
存开销,更易于程序运行使用。
5结语
公平、健壮和易于实现的分布式互斥算法是研究人员追求
的最终目标,本文在折半循环编码算法基础上,在提高循环编码
初始化节点的数量和引进松弛差集的概念两方面进行合理的改
进,由于本算法提高循环编码初始化的个数,大大缩短了请求集
的生成时间,从而用更少的时间达到折半循环编码算法所达到效
果,因此本算法是一个性能很高的分布式互斥请求集生成算法。
本文无抄袭,作者全权负责版权事宜。
参考文献
[1]M Maekawa.A algorithm for mutual exclusion in decentral－
ized systems[J].ACM Trans Computer Systems,1985,3(2):145-159.
[2]AGRAWALD.ABBADIAE.An efficient and fault-tolerant solu－
tion for distributed mutual exclusion[J].ACM Trans Computer Sys－
tems,1991,8(9):158-167.
[3]CHEUNG S Y,AMMAR M H.AHAMAD M.The grid protocol:a
high performance scheme for maintaining replicated data[J].IEEE
Trans Knowledge and Data Eng,1992,12(6):42-53.
[4]KUMAR A.Hierarchical quorum consensus:a new algorithm for
managing replicated data[J].IEEE Trans Computer Systems,1991,9
(6):996-1004.
[5]HARADA T.YAMASHITA M.Transversal merge operation:a no
dominated coterie construction method for distributed mutual ex－
clusion[J].Parallel and Distributed Systems,IEEE Transactions on
2005,2(2):183-192.
[6]Mei-an LI.A high performance distributed mutual exclusion al－
gorithm base on cyclic coding[J].Acta Electronica Sinica on
2005,33(8):1397-1402.
[7]陈志党,李美安等.一种新的分布式互斥请求集生成算法[J].微
计算机信息,2010,3-9:211-212.
[8]Wai-shing Luk.Two new quorum based algorithms for dis－
tributed mutual exclusion[A].Distributed Computing Systems,
1997,proceeding of the17th International Conference on[C],IEEE,
1997,100-106.
作者简介:郭玉波,(1984-),男,河南濮阳人,内蒙古农业大学助教,
主要研究为分布式计算。陈志党(1985-),男,安徽砀山人,内蒙古
农业大学研究生,主要研究为分布式计算,分布式操作系统,宽带
网络与通信等.王春申(1985-),女,吉林长岭人,内蒙古农业大学
研究生,主要研究为图像处理、图像复原等。林岚(1988-),女,广
东人,内蒙古农业大学研究生,主要研究为分布式计算,分布式操
作系统,宽带网络与通信等。
Biography:GUO Yu-bo,(1984-),male,Puyang,Henan people,
Inner Mongolia Agricultural University,teaching assistant,the
main research in distribute computing.
(010018内蒙古呼和浩特内蒙古农业大学计算机与信息工程
学院)郭玉波陈志党王春申林岚
(College of Computer and Information engineering of Inner
Mongolia Agricultural University,Huhehaote,Inner Mongoli-
a,010018,China)GUO Yu-bo CHEN Zhi-dang
WANG Chun-shen LIN Lan
通讯地址:(010018内蒙古呼和浩特内蒙古农业大学计算机与
信息工程学院)郭玉波
(收稿日期:2010.11.20)(修稿日期:2011.02.20)
(上接第100页)
[5]李志勇,袁魏华,杨镇华.基于TMS320C6711的Camera Link相
机控制的实现[J].电子器件,2007,6:379,479,579.
[6]朱齐丹,刘进业,康岭.Camera Link硬件接口电路设计[J].应用
科技,2008,10:57-60.
[7]邓兴汉,杨恢东等.基于FPGA的视频图像采集系统的设计与
实现[J].微计算机信息.2010,3-2:138-139
作者简介:沈鸽(1985,5-),女,吉林长春人,助理馆员,主要从事图
书馆管理自动化以及航空光电成像技术方面的研究。
Biography:SHEN Ge(1985,5-),Female,ChangChun City,JiLin
Province,the Han nationality,Aviation University Air Force,Li-
brary assistant,Management automatization and Aviation imaging.
(130022长春空军航空大学)沈鸽
(130012长春长春理工大学光电信息学院)王美娇
(130033长春中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
嵇晓强
(100039北京中国科学院研究生院)嵇晓强
(Aviation University Air Force,Changchun,130022,China)
SHEN Ge
(College of Optical and Electronical Information,Changchun
University of Science and Technology,Changchun,130012,
China)WANG Mei-jiao
(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,
Chinese Academy of Sciences Changchun,130033,China)
JI Xiao-qiang
(Graduate School of the Chinese Academy of Science,Beijing
100039,China)JI Xiao-qiang
通讯地址:(130022长春市南湖大路2222号)沈鸽
(收稿日期:2010.11.20)(修稿日期:2011.02.20)
地址:北京市海淀区中关村南大街乙12号天作1号
楼B座812室微计算机信息邮编:100081
电话:010-62132436010-82168297(T/F)
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