多通道_高速CCD图像数据的实时采集
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多通道、高速CCD图像数据的
实时采集
王琳琅1,2,张伯珩1,边川平1,达选福1,2
(1.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安710068;2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:针对CCD图像数据输出通道多、输出速率高的特点,通过应用基于Channellink技术(LVDS串
行/解串技术)的Camlink标准接口传输方案,提出一种具有稳定性、通用性、灵活性等特点的高速数据
采集系统,在某两通道高速面阵CCD的图像数据采集中得到了很好的应用。
关键词:CCD;多通道;高速;LVDS;Camlink;SCSI中图分类号:TN915.43文献标识码:A文章编号:1007-7022(2004)12-0022-03
MulticenterHighSpeedCCDImageDataRealtimeAcquisition
WANGLinlang1,2,ZHANGBoheng1,BIANChuanping1,DAXuanfu1,2
(1.Xi anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ShaanxiXi an710068,China;
2.GraduateSchoolofChineseAcademeofScince,BeiJing100039,China)Abstract:Contraposedmulticenter,highspeedimagedataofCCD,AsystemofhighspeedacquiringCCD
imagedataisproposedonbaseofCamlinktechnique,thissystemisstable,universe,flexibleandhasbeen
appliedinacertainsystemoftwotap,highspeedframeCCD.Keywords:CCD;Multicenter;HighSpeed;LVDS;Camlink;SCSI
CCD图像数据的采集与普通视频信号的采集相
比,其最大的特点是数据传输速率高,传输通道多。通
用的CCD图像数据采集方法是在计算机中插入高速
数据采集卡,采集卡与CCD相机之间通过点对点物理层接口(如RS-422、RS-485)以及其他的数据传输
标准进行数据传输,高速数据采集卡接收到数据通过
PCI总线将数据写入计算机内存,然后利用采集卡的
存储功能将数据通过IDE(IntegratedDriveElectronics,电子集成驱动器)接口写入计算机硬盘。这种方法
虽然简单、可靠,但对多通道、高速图像数据的采集有一定的局限性。首先,物理层接口无法满足数据的传输速度;其次,传输通道的增多,引起传输导线数量增
加,系统功耗、噪声也随之增大;最次,采用通过IDE
接口来存储数据的方式无法满足数据高速存储的要求,容易引起数据帧的丢失。因此采用新的技术解决多
通道、高速CCD图像数据采集成为必然趋势。Camlink
接口技术为解决这一瓶颈问题提供了可能。本文通过
应用Camlink接口技术,提出了一种适用于高速、多通道CCD图像数据的采集系统。通过调试,该系统运行
正常,完全能满足图像数据稳定、高速传输的要求,并
作者简介:王琳琅(1976),女,硕士研究生,主要研究方向为遥感CCD相机的控制与图像数据的采集;张伯珩(1942),男,博士生导师,主要研究方向为遥感CCD相机的电子电路的设计与实现。22!中国有线电视∀2004(12)
CHINACABLETELEVISION#技术交流#
实现图像数据的高速存储。
1设计思想与系统组成
某面阵帧转移CCD使用的像元数为256∃288,每像元的数据为12bit。视频处理电路分两通道并行
差分输出12位数据,像元时钟频率为30MHz,则单通
道图像数据输出速率达45MB/s。如果采用通道合并,则传输通道的数据吞吐量达30∃2∃12=720
Mbps。如此高的数据吞吐量要求系统设计具有高速
传输的特性,以确保数据能以大于720Mbps的速率在
传输通道中无失真地传输,同时系统设计应具有稳定性、灵活性、通用性等特点。稳定性是指不仅要保证数
据的无失真传输,而且要保证数据连续无丢帧存储。
灵活性体现在系统的信号输入路数,系统的存储容量、磁盘连接方式等具有模块化与可重组性,系统稍做变
通即可用于其他高速视频图像的采集。通用性体现在
系统能适应于多个通道,不同速率的CCD图像数据采
集,即要求系统能实现通道合并,并有较宽的数据传输频带。
根据上述分析,系统组成如图1所示,CCD视频
处理电路差分输出24bit图像数据。控制时序电路输出CCD视频处理电路所需时序外,还差分输出采集系
统所需的像元时钟、行同步、帧同步等3路信号。这
54路信号经过接口转换电路转换为5组LVDS数据
流,连接到专门用于高频传输的MDR26针连接器。从连接器按一定规范接出电缆,送入同样带有MDR
26针连接器的PCI高速数据采集卡,采集卡接收到
LVDS数据流后经解复用芯片将LVDS数据流转换成TTL/CMOS数据,采集卡上的SCSI控制芯片将数据
帧连续地写入SCSI硬盘,同时采集卡能以一定的速
率将数据帧通过PCI总线直接读入计算机内存,以用于图像的实时显示。
图1系统框图2系统实现多通道、高速CCD图像数据采集系统的关键技术是数据的高速传输、高速采集与存储。
2.1数据的高速传输LVDS是一种高速低功耗低摆幅的差分信号技术,使用非常低的幅度信号(约350mV)通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。低的摆幅降低了信
号的上升沿与下降沿时间,使信号能以1.923Gbps的
理论极限速率无失真地在媒介上进行传输。同时差分传输时接收器只关心两信号差值,噪声被抵消,因此差
分数据传输方式比单线数据传输方式对共模输入噪声
有更强的抵抗能力。LVDS技术的这些优点为数据在传输通道中高速稳定传送提供了保证。但对于多通道
传输系统而言,如果信号经过差分后采用双绞线并行
传输,则系统传输导线多,系统复杂度增大,稳定性降
低。因此在本系统中,我们在LVDS基础上采用Channellink技术(LVDS串行/解串技术)。
Channellink技术是Camlink接口技术的核心,是
通过复用器芯片与解复用器芯片来组成TTL/CMOS数据通道,数据通道中数据以LVDS数据流的方式进
行传输。图2为Channellink技术的原理图。
图2Channellink工作原理28位TTL/CMOS数据经过复用器芯片在一个时
钟周期内转化为混合的4组LVDS数据流,同时在第
5组LVDS链路上将移位时钟信号发送出去。时钟信号的每个周期都对28位数据进行采样和发送。例如
在85MHz发送时钟频率下,每个LVDS通道的发送
速率可达7∃85MHz=595Mpbs,数据吞吐量高达595∃4=2.38Gbps。这种数据线多路合成技术不仅
解决了数据的传输速率问题,而且使系统的传输导线数量压缩了80%,减少了连接件的物理尺寸,节约了
系统成本。为了满足相机图像数据传输速率不断增长的需
要,充分利用Channellink技术在高速数据传输中的
优势,国外很多图像数据采集卡生产厂家与相机制造厂家共同协商,对LVDS串行芯片输出数据流进行具
体的定义,从而在相机输出与采集卡连接上形成了一种标准,这种接口标准称为Camlink接口。Camlink接23!中国有线电视∀2004年第12期王琳琅等:多通道、高速CCD图像数据的实时采集
口标准的出现使得CCD输出与带有Camlink接口的
采集卡之间可用一根统一的电缆来实现数据的高速传
输,从而保证了系统的稳定性、通用性、灵活性。
图3DS90CR287LVDS输出图在本系统中,为了实现数据的通道合并和高速传
输,充分利用了Camlink接口在图像数据传输中的优
势,将CCD差分输出的图像数据和控制电路输出的控制时序转换为TTL/CMOS信号,送入国家半导体公
司的Channellink芯片DS90CR287,DS90CR287支持
20~85MHz的像元时钟,带宽最高可达297.5MB/s,
数据吞吐量达2.38Gbps,不仅能完全满足本系统的需求,而且还能适用于像元时钟低于85MHz的其他
图像数据的传输。图3为DS90CR287在一个时钟周
期内输出的LVDS数据流。
将DS90CR287输出信号按一定规范接到用于高频传输的MDR26针连接器,从而形成标准的Cam
link数据接口,为实现数据高速传输提供了保证。
2.2数据高速采集与存储数据通过Camlink接口送入采集卡,采集卡上的
解复用芯片将LVDS数据流转换为TTL/CMOS信号进行存储。通用采集卡的存储方式是将图像数据通过
PCI总线写入计算机内存,然后利用采集卡的存储功
能将数据通过IDE接口写入计算机硬盘。随着计算机的发展,IDE接口硬盘的瞬时传输速率和总线传输
速率已超过133MB/s,但持续传输速率还不到15
MB/s。因此IDE接口硬盘不能满足本系统存储速度要求。SCSI接口硬盘较IDE接口硬盘更适合高速数
据的存储,首先,SCSI接口完全通过独立、高速的SCSI控制器来控制数据的读写操作,在工作时可以减轻
CPU的负担,提高系统的整体速率。其次,SCSI接口
具有较宽的带宽,目前最新的SCSI接口类型Ultra320SCSI所支持的最大总线速率达320Mb/s,比IDE接口的总线速率快得多。因此,本系统决定采用带有
SCSI控制器的DVRExpressCL-160高速采集卡来
实现高速图像数据的采集与存储。DVRExpressCL-160高速采集卡是IOINDUS
TRIES推出的适用于计算机环境的PCI图像采集卡,
它的Camlink输入接口为数据的高速传输提供了条件,它自带的SCSI接口为数据的高速存储提供了保
证,通过Camlink输入接口输入的数据可以直接存储
到SCSI硬盘。每一个采集卡最多可以挂接15个SC
SI硬盘,对各个硬盘标以不用的ID,再通过安装采集卡驱动软件,配置相应的相机文件,即可成功地实现系
统的高速数据采集与存储。
3结论本系统通过调
试,已成功地应用于
两通道高速面阵
CCD图像数据采集,通过软件对存储数
据的恢复分析,数据
正确,无丢帧现象,无数据错误。系统
通用灵活,稳定可
靠,能满足多种CCD
图像数据的实时采集,为多通道高速
CCD图像数据的实时采集提供了解决方案,因而有着
广泛的应用前景。此解决方案做出适当变通,也可用于CCD摄像机的视频图像采集与存储,这为实现现代
计算硬盘代替传统录像机磁带,促进电视台内部的数
字化,推动广播电视行业的技术进步起着重要作用。
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