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。
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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。
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