图像采集系统的Camera Link标准接口设计

引 言
    高速数据采集系统可对相机采集得到的实时图像进行传输、实时处理，同时实现视频采集卡和计算机之间的通信。系统连接相机的接口用的是Camera Link接口，通过Camera Link接口把实时图像高速传输到FPGA图像采集卡中进行数据实时处理，并通过PCI接口实现采集卡和计算机之间的通信。本文主要研究数据采集系统 Cam-era Link接口技术。
    Camera Link是专门为数字摄像机的数据传输提出的接口标准，是2000年10月由一些摄像头供应商和图像采集公司联合推出的。Camera Link标准简化了计算机和摄像头之间的连接。本设计选用Dalsa公司的DS-21-02M30相机，该相机支持Camera Link接口。相机数据通过Camera Link接口传输到一块Altera公司的FPGAStratixII中进行处理。在FPGA中进行数据的高速缓存，可以在FPGA中设计各种图像处理程序对图像进行实时处理。

1 DS-21-02M30相机简介
    DS-21-02M30相机可提供高灵敏度的8／10位图像。为了同时获得卓越的分辨率和灰度级，DS-21-02M30相机图像分辨率为1 600×1 200，像素尺寸为7．4 μm×7．4 μm，像素数据输出时钟为40 MHz，最高帧频可达60帧／s。通过设定像素数据格式命令，可以设定像素数据为8位、10位。功耗低于15 W，供电电源电压为12～25 V。
    通过异步串口向DS-21-02M30相机发送ASCII码控制命令和诊断命令，可以控制相机输出图像的增益、补偿、帧频、曝光时间、曝光模式和测试图像的输出，还可以对相机进行诊断。串口协议：1位开始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位；通信波特率为9 600 bps(相机默认)，通过设定波特率命令可将其设定为19 200 bps、57 600 bps和115 200 bps。
    DS-21-02M30相机共有4种曝光模式，可以通过设定曝光模式命令来为相机选择合适的曝光模式。
    模式2：内部触发方式(相机的默认曝光模式)。帧频和曝光时间可用相应的命令控制。
    模式3：最大曝光时间的外部触发方式。
    模式4：外部触发方式。帧频和曝光时间都由外部触发信号控制，即外部触发信号的高电平阶段为曝光时间，外部触发信号的频率为帧频。
    模式6：外部触发方式控制帧频，曝光时间可用相应内部命令控制。
    DS-21-02M30相机的命令以ASCII码的形式发
送。向相机发送命令时，以回车符作为结束。相机上电后，相机背后的指示灯闪烁，同时通过串口发送“CameraInitialization in process，Please Wait…OK>”字符串。当收到“OK>”字符串时，表明相机要开始传送图像数据，相机背后的指示灯不再闪烁。当相机收到有效的命令时，会返回“OK>”字符串作为应答；否则，返回“Error x：Error Massage>”字符串作为应答。其中，x为错误标号，Error Massage表示对错误的具体说明。相机的应答字符串以符号“>”作为结束符。

2 Camera Link结构与原理
    Camera Link是专门为数字摄像机的数据传输提出的接口标准，专为数字相机制定的一种图像数据、视频数据控制信号及相机控制信号传输的总线接口，数据传输速率最高可达2．38 Gbps。该标准规定了接口模式、相机信号、端口配置、图像数据位配置、连接器引脚定义及连接线、标准接收器芯片组。采用这种标准后，使得数字摄像机的数据接口输出采用更少的线数，连接电缆更容易制造，更具有通用性，而且数据的传输距离比普通传输方式更远。其最主要的特点是采用了LVDS(Low VoltageDifferential Signaling，低压差分信号)技术，使摄像机的数据传输速率大大提高。
    在Careera Link标准出现之前，业界有一些标准(如较流行的IEEE-1394：接口)作为一种数据传输的技术标准。IEEE-1394被应用到众多的领域，数字相机、摄像机等数字成像领域也有很广泛的应用。IEEE-1394接口具有廉价，速度快，支持热拔插，数据传输速率可扩展，标准开放等特点。但随着数字图像采集速度的提高、数据量的增大，原有的标准已无法满足需求。为了简化数据的连接，实现高速、高精度、灵活、简单的连接，在 NationalSemiconductor公司开发的Channel Link总线技术基础上，由多家相机制造商共同制定推出了Camera Link标准。基于Camera Link的数字相机的采集速度和数据量均好于基于IEEE-1394标准。
    Camera Link是一种基于物理层的LVDS的平面显示解决方案。图1为Camera Link总线发送端与接收端的连接框图，也是该总线的基本模式。总线发送端，将28位并行数据转换为4对LVDS串行差分数据传送出去，还有一对LVDS 串行差分数据线用来传输图像数据输出同步时钟；而总线接收端，将串行差分数据转换成28位并行数据，同时转换出同步时钟。这样不但减少了传输线的使用量，而且由于采用串行差分传输方式，还减少了传输过程中的电磁干扰。

3 高速数据采集卡Camera Link接口设计
    高速数据采集系统的基本框图如图2所示。FPGA给相机发出控制信号，相机中的数据通过Careera Link接口传送到图像采集卡；数据由FPGA读入，缓存在SDRAM中。可以在FPGA中根据用户的需求实现高速的图像处理，根据图像处理的结果可以由 FPGA完成用户所需的控制。图像采集卡通过PCI接口和计算机相连接，通过计算机可以配置图像采集卡和相机，计算机也可以从采集卡中获得图像处理数据。接下来详细研究FPGA和相机间的Camera Link接口技术。

3．1 DS-21-02M30相机的Camera Link接口
    Camela Link总线标准规定：在完整模式下，最多可以使用8个端口(Port A～Port H)传输数据，每个端口为8位数据。DS-21-02M30相机使用Port A～Port C端口，用的是基本模式(Base)。相机后端有一个MDR26连接口，分别对应A、B、C三个端口各8位数据，加上FVAL、LVAL、DVAL和SP 四位数据控制信号，共28位并行数据位。
3．2 Camera Link接口的硬件设计
    Camera Link的硬件连接框图如图3所示。硬件电路包括3部分：相机通过MDR26连接图像采集卡；CameraLink接口的LVDS信号和CMOS信号转换电路；FPGA接收相机数据和发送控制部分。

    为了对相机进行外部触发方式控制以及向相机发送命令，用四通道CMOS信号转换为LVDS差分信号的芯，片。DS90LV047作为图像采集卡，向相机发送外同步触发信号和转换命令。由于DS-21-02M30相机只用到CC1，FPGA构成的图像采集卡，对相机的控制通过CC1和SerTC信号实现。为了接收相机向图像处理系统发送的应答字符串，选用DS90LV048芯片作为图像处理系统接收器。 DS90LV048芯片是四通道LVDS差分信号转换为CMOS信号的驱动器。

4 总 结
    基于FPGA的高速图像采集系统，通过Camera Link接口和相机连接；从相机获得高分辨率的实时图像，并传输到FPGA中进行实时图像处理并输出。本文结合DS-21-02M30相机的基本功能，详细研究了Camera Link接口技术，并给出了相机和高速图像采集卡之间CameraLink接口设计，为正在研制的实时高速图像采集卡奠定了基础。