高速攝像及同步采集系統(tǒng)技術(shù)指標

利用近年來提出的一些高速度、高性能的接口，采用現(xiàn)在應(yīng)用很廣的 Nand Flash大容量存儲芯片提出一種板載存儲的高速圖像采集系統(tǒng)。

利用高速接口和存儲器，設(shè)計出一種高速圖像采集系統(tǒng)方案。整個高速圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，包括數(shù)據(jù)輸入采集模塊、顯示模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊和核心控制芯片 FPGA。

FPGA 是系統(tǒng)的控制核心，所有模塊都由 FPGA 聯(lián)系起來，圖像數(shù)據(jù)每一步的流向都是由 FPGA 來控制的。

數(shù)據(jù)輸入采集模塊的作用是接收數(shù)字相機傳輸來的圖像視頻信號并且傳到FPGA 上以供后續(xù)操作。采集接口只有一種，就是當下非常流行的高速相機接口Camera Link。Camera Link 接口接收相機傳輸來的 LVDS 信號轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部使用的 TTL 信號送給 FPGA。

顯示模塊是一種可選擇的輔助作用，用于在采集過程中觀察所采集到的圖像或者采集后重放存儲芯片內(nèi)儲存的圖像信息。顯示模塊的接口是 DVI 接口，使用時連接 DVI 顯示器方可工作。

存儲模塊是此高速圖像采集系統(tǒng)的核心，F(xiàn)PGA 接收到采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過高速緩存，最終儲存在系統(tǒng)內(nèi)。使用DDR2 SDRAM 來進行數(shù)據(jù)緩存，最終存儲在 NAND Flash 存儲器內(nèi)。 所存數(shù)據(jù)最終是要上傳到計算機來進行處理或者存儲的，數(shù)據(jù)輸出模塊就是這個作用。

與計算機連接使用的是 USB3.0 接口，USB 接口是計算機上最常見的接口，新版本的 USB3.0 也在各方面性能有了很大的提高。

本 系 統(tǒng) 使 用 的 FPGA 是 Xilinx 公 司 生 產(chǎn) 的 Spartan-6 系 列 芯 片XC6SLX25-3FG484C。Spartan 系列是 Xilinx 公司面向普通工業(yè)、商業(yè)的領(lǐng)域的低成本系列芯片。新一代 Spartan-6 系列不僅擁有業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)集成能力，同時還能實現(xiàn)適用于大批量應(yīng)用的最低總成本。與上一代 Spartan 系列相比，該系列芯片功耗僅為其 50%，且速度更快，連接功能更加豐富全面。

電源是系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的一部分，如果電源不穩(wěn)定，就會對電路的正常工作造成影響，不但電路運行會出現(xiàn)問題，而且會影響器件的使用壽命。在電源設(shè)計上，為了保證每個器件都能正確獲得其所需電壓，就要考慮電源傳輸過程中的阻抗，也要顧及盡量消除電源噪聲等影響。

采集模塊就是 Camera Link 接收部分，使用的是 National Semiconductor 公司的 LVDS 接收芯片 DS90CR288A，此芯片接收四對 LVDS 信號并轉(zhuǎn)化為 28 位LVTTL/LVCMOS 數(shù)據(jù)，最高支持 85MHz 像素時鐘，也就是 2.38Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速度。芯片典型應(yīng)用如圖所示，左半部分是相機內(nèi)的 TTL/CMOS 信號轉(zhuǎn)化為 LVDS 信號輸出，右半部分是本系統(tǒng)接收連接線傳來的四對相機 LVDS 信號和一對時鐘信號經(jīng)過 Camera Link 接口后，由 DS90CR288A 芯片轉(zhuǎn)化回 28 路LVTTL/LVCMOS 信號。

顯示模塊的視頻接口使用的是 DVI 接口，在系統(tǒng)設(shè)計中既包含 DVI 視頻輸入接口，也包含了 DVI 視頻輸出接口。其中輸入接口的目的是在系統(tǒng)調(diào)試過程中，利用 DVI 輸入的圖像數(shù)據(jù)進行后面存儲功能的調(diào)試，就不詳細介紹了。而 DVI輸出接口的作用則是對采集模塊 Camera Link 采集來的圖像數(shù)據(jù)進行顯示，可以采集來實時顯示，也可以用來顯示之前存儲在系統(tǒng)中的圖像信息以作驗證之用。

存儲模塊是 FPGA 接收到 Camera Link 接口采集來的圖像數(shù)據(jù)先經(jīng)過 DDR2 SDRAM 緩存，然后存入 NAND Flash 中。所以該模塊主要包含 DDR2 SDRAM 和NAND Flash 兩個部分。

圖像采集系統(tǒng)的作用是把采集到的數(shù)據(jù)上傳到計算機上，本設(shè)計雖然著重于使用方便的圖像采集板載存儲，但最后肯定要把圖像上傳到計算機進行存儲、處理、分析等工作。USB 接口幾乎是現(xiàn)在最流行的計算機接口，USB3.0 的提出也解決了之前版本速度偏低的問題，可以將圖像數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)接嬎銠C上。