高速CCD图像采集存储系统的硬件设计.doc

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1、 本文由holymelon1986贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 30 卷 第 6 期 2007 年 12 月 电 子 器 件 Chinese Journal Of Electron Devices Vol. 30 No. 6 Dec. 2007 Design of High Speed CCD Image Data Acquisition Hardware System L I A i l i ng 1, 2 , ZH A N G B o heng , BI A N Chuan p i ng 1 1 1. X i an I ns

2、ti tu te of Op t ics and P rec isi on M ech anics , S haanxi X i an 710068, Chi na; 2. G rad uate Sch ool of Chi nese A cade my of S ci ence , B ei Ji ng 100039, Chi na Abstract: A high speed im age dat a acquisition syst em w as pro posed . Because of t he larg e amount o f CCD image data, t he sys

3、t em ado pt ed f ibre channel hard disk t o sto re the dat a and final ly achiev e a high speed of 850M B/ s. N ow It has been w ell applied in t he co urse of CCD im age dat a acquisition. Key words: CCD Camera; LVDS; Camlink; CLF C ; F ibr e Channel EEACC: 7220 高速 CCD 图像采集存储系统的硬件设计 李爱玲1, 2 , 张伯珩1

4、, 边川平1 1. 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710068; 2. 中国科学院 研究生院, 北京 100039 摘 要: 针对某高速 CCD 相机图像数据量大的特点, 设计采用 L VD S 格式信号输出, 转换成 Camlink 格式后实 现海量数据的 高速、 稳定传输, 提出了一种新型的高速数据采集存储系统的 设计方案, 该方案 采用 F ibre Channel 接口硬盘 实现对 图像数 据 的高速存储, 最高存储速度可达 850 M byte/ s, 现已在 CCD 相机系统图像采集实验中得到应用. 关键词: CCD 相机; LV DS; Camlink; CLF C;

5、 F ibre Channel 中图分类号: TN911. 73 文献标识码: A CCD 相机被广泛应用于光电扫描、 空间遥感、 非接 触工业控制、 天文星体跟踪、 光学图象处理等 领域, CCD 相机所获取的目标信息, 是我们所需要的宝贵信 息, 对其所获取的图像数据进行实时采集、 存储和处 理, 高速、 高精度的大量获取目标数据并进行实时信号 处理, 对目标的检测和识别非常重要. 目前国内已有很多科研机构具备自行开发基于 PCI 总线采集卡的实力, 但在海量数据采集卡的开 发方面还有待发展. 当前有一种发展趋势是利用成 熟的 F PGA 技术和大规模集成芯片技术组合, 通过 高速大容量的

6、 F IF O 或者双端口 RAM 作为数据缓 存器, 从而实现数据的高速采集. 这种采集卡一般都 通过 P CI 接口与计算机系统连接, 卡上带有 PCI 桥 控制器, 使得使用者能够通过计算机对采集卡方便 的进行控制. 还有一些采集卡甚至将 DMA 控制器 和 SCSI 控制器等设备都集成在其 中, 可以将 采集 文章编号: 1005 9490( 2007) 06 2145 03 到的数据不经过计算机总线而直接存储到 SCSI 接 口或其他接口的高速硬盘中, 真正实现了采集与存 储的结合, 并且不受计算机系统的限制 1 . 1 采集系统的设计实现 CCD 图像数据的采集与普通视频信号的采集

7、相 比, 其最大的特点是数据传输速率高, 传输通道多. 通 用的 CCD 图像数据采集方法是在计算机中插入高速 数据采集卡, 采集卡与 CCD 相机之间通过点对点物 理层接口( 如 RS 422、 485) 以及其他的数据传输 RS 标准进行数据传输, 高速数据采集卡接收到数据通过 PCI 总线将数据写入计算机内存, 然后利用采集卡的 存储功能将数据通过 IDE( 电子集成驱动器) 接口写 入计算机硬盘. 首先, 物理层接口无法满足数据的传 输速度; 其次, 传输通道的增多, 引起传输导线数量增 加, 系统功耗、 噪声也随之增大; 再次, 采用通过 IDE 收稿日期: 2007 04 22 作

8、者简介: 李爱玲( 1983 ) , 女 , 博士研究生, 主要研究方向为遥感 CCD 相机图像数据的采集与处理, lal opt. ac. cn; 张伯珩( 1942 ) , 博 士生导师, 主要研究方向为遥感 CCD 相机电路设计. 2146 电 子 器 件 第 30 卷 接口来存储数据的方式无法满足数据高速存储的要 求, 容易引起数据帧的丢失. 因此采用新的技术解决 多通道、 高速 CCD 图像 数据采集成为必然趋势 2 . Camlink 接口技术为解决这一瓶颈问题提供了可能. 本文通过应用 Camlink 接口技术, 提出了一种适用于 高速、 海量 CCD 图像数据的采集系统. 通过

9、调试, 该 系统运行正常, 完全能满足图像数据稳定、 高速传输 的要求, 并实现图像数据的高速存储. 在本系统中, CCD 相机输出的数字信号为 4 通 道 8 bit 并行同步 L VDS 格式数据, 数据时钟为 25 MH z, 每通道的数据量 58. 01 87. 46 M by t e/ s, 如 此高的数据吞吐量要求系统设计具有高速传输的特 性. 根据以上分析要求, 设计了采集系统的硬件结构 框图如图 1 所示. 所示, 发送端将 28 bit 的 CM OS/ T T L 数据转换成 4 路 L VDS 数据流, 第五路 LVDS 数据流传送稳定的 锁相时钟信号. 每一个时钟周期,

10、 完成一次 28 bit 数 据的采样和传输. 在接收端, 数据流被还原为 28 bit 的 CM OS/ T T L 数据, 接收和发送完全同步. 图3 Channel link 标准接口模块 电路图 图 1 采集系统结构框图 如图 2 所示, CCD 视频处理电路差分输出采集 系统所需的像元时钟 DCL K、 行同步 LVA L 等 2 路 信号和 4 路 8bit 图像数据, 经由 M LC( LVDS Cam L ink 信号转 换器) 转换 成符合采 集卡接 口标准 的 Cam Link M edium 信号格式. 然后在 CLF C 采集卡 接口处, 该 CamL ink 格式的输

11、入数据经过 CL FC 接 收后可以不经过 PCI 总线, 而是直接在磁盘控制器 的控制下, 存储到 Fiber Channel 接口硬盘, 使得存 储和实时显示同时进行成为可能. 通过应用程序可 以实现实时显示图像功能, 也可以将已存到 F C 硬 盘中图像数据导出到计算机硬盘进行处理和应用. Camlink 采用数据线复用的方法, 实实在在地 减少了传输电缆的导线数目. 这样可以使电缆加工 容易, 屏蔽要求降低, 电缆接插件体积减小、 强度增 加, 电缆价格也随之降低. 单个的 Camlink 芯片组可 以传送高达 2. 38 Gbit/ s 数据带宽, Camlink 标准允 许采用两个

12、这样的芯片组, 如此高的数据传输能力 不仅能满足目前应用, 而且在将来相当长时间内不 会落后. 在本系统中, 为了实现图像数据的高速稳定 传输, 我们充分利用了 Cam link 的以上优点, 设计了 L VDS Cam link 信号转换器. 在本系统中, 转换器 M L C 的结构 图如图 4 所 示, M L C 首先接收来自信号模拟源的 LVDS 输出 图4 转换器硬件结构图 图2 输出信号时序图 数据传输设计 Cam link 接口 采用美 国 Nat io nal Semiconduc t o r 公 司 的 Channel link 技 术 作 为 基础, Channel lin

13、k 技术是 低电压差分信号 LVDS 技术在数 字领 域的最新成果, 它使用并行 串行的发送和 串行 并 行的接收, 数据传输率可以达到 2. 38 Gbit / s. 如图 3 1. 1 信号, 经过 LVDS 接收器件 DS90C032, 还原为 T T L 信号. Camlink 驱动芯片选用 National Semiconductor 公司的 DS90CR287, 它的输入信号和电源的电压要求 均为 3. 3 V, 为了做到两种信号的电平匹配, 在中间 增 加 了 多 片 IDT 74LVCC4245A 总 线 驱 动 器. IDT 74L VCC4245A 有两个电源输入端, 一端

14、只能加 5 V 电源, 另一端可以加 5 V 或 3. 3 V, 因此当它一端的 输入电平是 5 V 信号时, 另一端可以是 5 V 或 3. 3 V 信号. IDT 74LVCC4245A 是双向器件, 在接收端也可 第6期 李爱玲, 张伯珩等: 高速 CCD 图像采集存储系统的硬件设计 2147 以再转换成 5 V 电平的信号. 经过 DS90CR287 后, 输 出的 Channel link 信号, 最终通过符合 Camlink 标准 的 MDR26 接口连接到采集卡. 数据的采集与存储 为了保证 CCD 图像数据在不出现丢帧现象的同 时以更高速度被存储到硬盘, 我们采用了 IO In

15、dus t ries 公司最新的采集卡 DVR Express CLFC, 它的突 出特点是采用 FC 接口硬盘对图像进行存储, 最高可 以达到 850 Mbyt e/ s. 其硬件结构如图 5 所示. 1. 2 根据以上分析, 我们对存储部分的设计最终采 用了 FC 接口技术和 RAID3 磁盘阵列技术. 根据数 据量需要, 采用了 4 块日立公司最新推出的 FC 接 口硬盘组成磁盘阵列, 实验证明, 存储部分设计很好 地满足了整个系统的需要. 图 6 辨别率靶的采集图像 2 图 5 CL FC 采集卡结构框图 结论 通过符合 Camlink 标准的 M DR26 接口, Cam l ink

16、 格式的图像数据在接口处被还原为 T T L 信号, FP GA 集成 了缓 存、 电平 转换、 A 控制 器等 功 DM 能, 完成和 PCI 总线之间的数 据和控制命令传递. 图像数据直接在磁盘控制器的控制下, 存储到 F iber Channel 接口硬盘, 这样可以大大的节省图像数据 对 PCI 总线的占有率, 从而提高整个采集系统的速 度. F C 技术的应用, 使得本系统的采集速度与以往 的采集系统相比较得到很大提高. Fiber Channel 光纤通信( FC) 是一种通过光纤实现 的基于块的数据流传输方式, 传输率可达 1 Gbit/ s, 多 模光纤传输距离为 500 m,

17、 单模光纤距离为 1 km. Fiber Channel 技术的最大特点是将网络和设备或服务器和 设备的通信协议与物理传输介质隔离开, 这样多种协 议可以在同一个物理连接上同时传送. FC 传输速度 快, 它可以提供接近于设备处理速度的吞吐量, 提供从 266 Mbit/ s 到 4 Gbit/ s 的传输带宽, 支持超过 10 km 的 传输距离; 它是一种通用传输机制, 支持 HIPPI IPI SCSI IP AT M 等多种高级协议. FC 技术对于视频图 像和海量数据的存储及传输极为理想, 现已成为视频 传输与存储领域具有强大生命力的新技术. 与 SCSI 硬 盘接口相比较, FC

18、接口硬盘有以下优点: Fiber Channel 通道比 SCSI 总线有更巨大的存储容量; 与 SCSI 接口 相比, Fiber Channel 接口允许使用更长的电缆, 而接口 6 体积更小 . 本系统通过调试, 已成功地应用于某高速 CCD 相 机系统的图像数据采集, 如图 6 所示为该系统采集到 的 CCD 相机室内拍摄辨别率靶的图像. 通过软件对存 储数据的恢复分析, 数据正确, 无丢帧现象, 无数据错 误. 系统通用灵活, 稳定可靠, 能满足多种 CCD 图像数 据的实时采集, 为多通道高速 CCD 图像数据的实时采 集提供了解决方案, 因而有着广泛的应用前景. 参考文献: 1

19、2 3 4 5 6 李爱玲. 数字图像信号的模 拟与采集技 术研究. 中 国科学院 西 安光学精密机械研究所, 硕士毕业学位论文, 2006. 王琳琅, 张伯珩, 边川平. 多通道、 高速 CCD 图像数据的实时 采 集, 中国有线电视. 2004. 12. 22 24. 达选福, 张伯珩, 边川平. 高速 CCD 图像数据存储技术. 光子 学 报, 2003. 32. 1393 1395. 王冰, 靳学明. LV DS 技术及其 在多信道 高速数据 传输中的 应 用. 电子技术应用, 2003. 3. 55 56. 林强, 熊华刚, 张其善. 光 纤通道综 述, 计算机 应用技术. 2006

20、. 2. 9 13. 杨进, 魏轶伟, 何宁, 熊 剑平, 贾惠波. 基于光 纤通道的高速 数 据传输系统主机接口设计, 计 算机工 程与应 用. 2002. 22. 137 138, 176. 7 8 李春兰, 陈宇, 丁铁 夫. 探地 雷达中 PCI 总线 高速数 据采集 卡 的设计. 电子工程师. 2004. 7. 4 23. Cam era Link T echnology Brief. Documen t ID N umb er: DD 000601, R evision Dat e: M arch 28, 2001. S ubject to Change Wit h ou t N ot ice, Basl er V ision Techn ologies.