基于PXIE总线的高速CCD数字图像采集系统设计

摘要：为实现高速电容耦合器件(CCD)数字图像采集传输，提出一种基于PXIE总线和Camera Link协议的高速图像采集系统设计方案。设计了Camera Link硬件接口电路，实现了视频数据信号的接口设计、控制信号的接口设计、串行通信信号接口设计；同时采用Xilinx公司的Vir-tex-5 LX50T型FPGA作为PXIE传输控制器，并对IP核进行了开发，减少了外围电路设计难度。创新性地运用直接内存访问的工作方式对PXIE传输速度进行优化。实验结果表明，PXIE配置为8通道时，读取数据速率达到1 504 MB／s，写入速率达到了1 490 MB／s，可以满足高速CCD数据的传输要求。
关键词：PXIE；Camera Link；IP核；CCD DMA

电容耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)，是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。由于其具有信号输出噪声低、动态范围大、量子效率和电荷转移效率高等特点，加之多年来新型半导体材料技术的不断积累和大规模集成技术的日臻完善，CCD技术目前广泛应用于国民经济、国防建设、科学研究等各个领域。随着上述领域对数字图像的分辨率以及传输速度的要求越来越高，人们对高速图像采集系统的性能、稳定性和可靠性也提出了新的要求。本文提出了一种基于PXIE总线和Camera Link协议的高速CCD图像采集系统设计方案，并详细说明了部分模块的具体实现方式。

1 系统工作原理及总体设计
1．1 Camera Link协议及PXIE协议介绍
(1)Camera Link协议简介
Camera Link是一种基于视频应用发展而来的通信接口。它是NI等13家公司基于Channel Link技术联合推出的一种新型接口，简化了相机与其他设备的连接。Camera Link的驱动端将28位并行数据以7：1方式转化为4组LVDS数据流和1组LVDS时钟信号，串行发送至接收端进行处理。其最高传输速率可达2．38 Gb／s。图1为Camera Link工作原理图。

Camera Link接口协议提供4类信号：相机控制信号、图像数据信号、电源和串行通信信号。其接口有3种结构，分别是初级配置(Base)、中级配置(Medium)和高级配置(Full)。Camera Link使用端口定义来区分这些配置。3M 26-pin MDR(Mini D Ribbon)连接器之所以被选择与Camera Link配套使用是因为它优秀的设计和先前Channel Link高速传输的成功经验。
(2)PXIE协议简介
PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出。PXIE基于Compact PCI标准，增加了时钟和同步触发总线，但其核心仍然是PCI总线。PXI Express相对PXI最显著的改进和优势就在于它融入PCI Express的特点，采用串行传输，点到点的总线拓扑结构。不同于PXI在所有总线设备间分享带宽，PXI Express为每一个设备提供单独的传输通道。同时它所增加的时钟和同步触发信号以及拥有特殊的接口物理特性使得其在测量、通信、工业自动化等领域拥有更大的技术优势。本文采用PXIE-8x，最高传输速度达到1400Mb／s。
1．2 总体设计
系统总体结构图，如图2所示。

图2中，DS90CR288A为NI公司高性能串并转换器，将Camera Link接口协议的4路LVDS信号和1路LVDS时钟转换为28位LVCMOS／LVTTL数据和一路时钟信号，DS90LV047A为NI公司的3 VLVDS 4路单端转差分驱动器。DS90LV049为NI公司的3V LVDS双向线路驱动器和双向线路接收器。
系统工作流程为：
首先，采集卡通过DS90LV047A对CCD相机发出的控制指令。CCD相机在接到指令后，将采集到的图像数据分为4路LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号，通过接口连接器MDR26，输送到图像采集卡；图像采集卡将串行数据转换成38路并行信号和1路随路时钟传送给FPGA进行数据处理。由于数据量很大，为保证数据低误码率及提高可靠性，使用了2块Micron 2 GB DDR2对数据进行缓存和乒乓处理。FPGA根据用户的需求进行高速的图像处理。采集卡通过PXIE-8x将图像数据上传至PC(上位机)上进行后期处理，同时实现PC(上位机)对图像采集卡的控制。图像数据最终通过PC将数据存储在SSD(Solid-state Drive)电子盘上，以供随时调用。在读／写速度等关键性能上，SSD电子盘远远优于传统机械硬盘，因此选用SSD电子盘为数据存储介质。采集卡还采用DS90LV049(LVDS双线路驱动器，带有双线路接收器)来实现采集卡与相机间的串行通信，用户可以根据需要对CCD相机进行配置。

2 关键模块设计
2．1 Camera Link接口设计
根据系统功能要求，Camera Link接口设计包括3个部分，即为视频数据信号接口设计，控制信号接口设计，串行通信命令接口设计。
2．1．1 视频数据信号的接口设计
视频数据信号为FVAI，LVAL，DVAL和SP，它们分别是帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号，4路均为LVDS数据信号，外加1对LVDS时钟信号，在此采用了National Semiconductor公司的DS90CR288A芯片，将5路LVDS信号转换为28路数据信号。具体连接图如图3所示。