基于FPGA的远程图像采集系统设计

作者：西安微电子技术研究所 张宝利 龚龙庆 田卫 方超    来源:电子产品世界  2009-11-09

　　引言

　　图像信息的获取和传输是图像处理系统的重要组成部分，直接影响图像处理系统的性能。图像信息的采集包括对图像数据、各种附带参数信息以及状态控制信号的采集，一般图像信号和状态参数信号以及控制信号是独立产生的，因此需要设计一种系统能够将外部设备产生的图像数据和状态控制信号同步采集，并能长距离高速传输，综合考虑到图像采集系统所要求的实时性，可靠性，以及FPGA在数字电路的设计中的优势，为此本文讨论了一种利用FPGA实现基于LVDS的图像数据采集传输技术。

　　系统设计

　　高速图像数据的采集传输系统如图1 所示，主要包括图像数据源的形成、数据信息的处理和缓存以及帧数据的转发三部分。其中，图像数据源的形成过程中，成像设备作为图像数据的来源，它为系统提供高分辨率的可见光和红外图像，考虑系统的实时性和高可靠性因素，采用LVDS传输接口实现数据长距离高速传输，解决了传输瓶颈问题，图像数据在进入FPGA之前需通过数据格式转换接口(采用MAX9218实现)将串行的数据转换为并行数据并缓存。



　　数据信息的处理由协处理器FPGA完成，主要包括图像数据及相关参数信息的采集、缓存、组帧和图像数据的转发。其中图像数据的组帧过程最为复杂， FPGA根据图像源中帧同步、行同步、图像选择信号接收解串图像，存储至缓存区，并将图像附带的参数信息写入缓存后部，经组帧状态机形成所需的图像数据帧。

　　图像数据帧形成后，转发存储至乒乓结构的帧存储器，其容量为：512×512×8bit=2Mb。同时硬件逻辑自动将图像和配套参数信息数据通过LVDS图像发送接口发送至数据链，图像数据再次以串行的LVDS方式传输到后续设备进行处理。

　　系统实现

　　FPGA及外围硬件电路

　　在接口转换电路模块中，图像数据接收端和发送端均需采用LVDS串行方式进行传输，所以在接收端将串行输入的数据并行接收进FPGA进行处理和在发送端将并行的数据串行输出时,需要进行并串和串并转换。

　　本设计选用MAXIM公司点对点LVDS串行/解串器芯片MAX9247/MAX9218实现数据收发。

　　在MAX9218接收端，需要进行数据格式转换,将串行数据源变成并行格式供FPGA处理，同样在图像数据链路终端发送方MAX9247对输入的图像数据也有特定的时序要求，涉及到数据位和控制位的交替传输,需要由FPGA完成数据格式的转换, 并产生相应的控制信号DE_IN。

　　可编程器件FPGA选用Xilinx公司Virtex-4系列XC4VLX25。实现的功能主要是：根据输入的行帧同步，采图像同步和图像选择信号来实现图像数据的接收，并缓存到FPGA内部的接收RxFIFO中，进行帧头帧尾识别、时序转换，控制信号的生成，并且根据自定义的通讯协议，从数据流中分解出数据帧，同时将原始图像数据和状态数据打包到同一帧数据包中，输出至数据链路终端。



　　图像数据链路层

　　由图3数据的流向来分析，从LVDS接口板输出的串行图像数据由14个数据位(数字图像数据为D0--D13，低位在前高位在后)、帧同步、行同步、时钟同步、图像选择信号、采图同步信号组成。图像数据同步时钟采用7.375MHz，DE_IN由图像的帧同步信号产生，帧、行同步均为高电平有效，图像选择信号用来区分红外和可见光图像，红外图像为256×320b，可见光图像为512×512b，19位图像数据信号经过MAX9218解串后的数据和控制位接入FPGA。

　　FPGA设计时，针对红外和可见光两种不同类型的图像数据进行采集传输，设置一个模式寄存器ModeReg来实现图像选择，可以填0或1，用来区分红外和可见光，当采集可见光时，每输出一帧有效图像数据，需输出两个帧信号，第一帧内(A帧)只输出采图同步信号，不输出图像数据、行信号等，第二帧(B帧)中不输出采图同步信号，只输出图像数据、行信号等;当采集红外图像时，只需输出一帧，图像选择信号在第一个帧信号的下降沿跳变，至第二个帧信号下降沿有效，高电平表示红外图像，低电平表示可见光图像。具体时序参考图3。



　　经过FPGA组帧完成的帧数据同时要转发到终端数据链路和外部帧存储器中，供后续设备调用。为了实现后续设备提取图像信息时的实时性，外部存储模块采用由乒乓开关控制的两个片外帧存储器，应用FPGA实现双帧存交替切换，将图像数据存储在两个独立的FIFO中，FIFO采用IDT公司的IDT72V2103，此器件快速的存取允许图像实时存储转发。在FPGA的控制下,FIFO空间的一帧数据送出后，然后开始将FIFO1 空间的数据送出，同时又向FIFO中写入下一帧数据，这样可以保证后续图像处理设备不间断的提取图像数据，以实现快速处理，提高工作效率。