（通信与信息系统专业论文）基于camera+link接口的cmos数字相机技术研究.pdf

摘要 随着c m o s 图像传感器制造工艺的不断提高，数字相机的分辨率 和帧频也不断提高，这使得相机和图像采集卡之间的通信速率变的异常 重要。c 锄e r al i n k 是一种基于视频应用发展而来的接口，它解决了视 频数据输出和采集之间的速度匹配问题，打破了流媒体通信的速度瓶 颈。 本文首先对c m o s 与c c d 图像传感器的特点及其在数字相机中的 应用前景进行了讨论。然后着重对c a m e r a l i n k 接口进行了全面的描述， 同时也详细介绍了在c a t n e r a l i l l l 【接口中所使用的l v d s 技术及其在设 计应用中的一些技巧。最后针对c m o s 图像传感器并口c 黜e r a l i i l l 【接口 的特点设计了一款比较完整的数字相机，并且利用安装在p c 机上的 c 锄e ml i n k 接口图像采集卡采集和处理视频数据。 实验结果表明，该c m o s 相机基本达到预想功能，能够对实物呈 现比较清晰的图像。 关键词：c m o s图像传感器c a m e r al i n kl v d s数字相机 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n ti l e v e l o d m e n to fm a n u f h c t i l r et c c h m c so ft 1 1 ec 【o s i m a g es e n s o r ，l cr e s o l u t i o na n d 疳锄ef k q u e n c yi m p r o v ec o n s t a n u yt o o ， w h i c hm a k e st h er a t eo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc 锄e r aa n df r 眦eg r a b b e r b e c o m em o r ei m d o n a n t c 枷e r al i n kj sak i n do fi 力e r f a c e w 1 1 i c hi s d e v e l o p e da l o n gw i t ht t l ev i d e oa p p l i c a t i o n ，a n di ts o l v e st h eq u e s t i o no f r a t e m a t c h i n gb e t 、e e nv i d e od a t ao u t p u 仕i n ga n d 掣a b b i n 趾db r e a k st h em t e b o t t l e n e c ki ns t r e 锄m e d i a i nt 1 1 i st h e s i sid i s c u s s e dt 1 1 ec t 啪c t e r i s t i co ft h ec m o sa n dc c d i m a g es e n s o r t h e n t i l e i ra p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt 1 1 ef i e l do ft 1 1 e d i g i t a l c 砌e r a ic 枷e do nd e t a i l e dd e s c r i d t i o nf b c u s e do n l ec 锄e r al i n k i n t e r f a c e m e a n w h i l e ia l s oi m m d u c e dt h el v d st c c l l l l 0 1 0 9 yw h i c hi su s e d i nt 1 1 ec a l l l e ml i n ki n t e r f a c e a n dt h es k i j i si nd e s i g n i n ga n du s i n g f m a l l y ， id e s i g n e dam o r ei n t e g r a t e dd i g i t a lc 锄e r aa c c o r d i n gt om ed l a r a c t e r i s t i c s o f c m d si m a g es e n s o ra n dc a m e r al i n k 血t c r f a c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt 1 1 ec m o sc 跚e r ao b t a i n se x p e c t e d 劬c t i o n sa n di sc a p a b l eo f p r e s e n t i n gac l e a rp i c t u r eo f a no b j e c t k e yw o r d s ：c m o si m a g es e n s o r c a m e r al i n kl v d s d i g i t a ic a m e r a 第一章引言 1 1 研究基于c a m e r al i n l ( 接口c m 0 s 相机的意义 置身于数字化时代中，数字技术时时刻刻都在影响着我们的生活， 视听和通信领域的数字化进程如火如荼。相比之下，光学和化学一统天 下的传统照相业务数字化的身影姗姗来迟。然而，数字化势不可挡，进 入9 0 年代，随着i t 技术与产业的发展，计算机网络技术与应用的普及， 一个崭新的数字影像产品一数字相机便以它特有的“风姿”吸引了世人 的瞩目，很快成为古道新贵。数字化的潮流着实让古老的照相业经受了 一场彻底的洗礼，数字相机使传统的摄影技术发生了革命性变革。近年 来，全世界数字相机销售量持续以4 0 以上的增长率成长；与此同时， 传统光学相机市场的增长已趋停滞。在日本等发达国家，数字相机开始 了替代传统相机的过程。在中国也出现了媒体宣传和评测数字相机的热 潮，其应用开始从公安、新闻、医疗、科研和国防等专业领域向民用领 域转化；可以说，在中国数字相机的市场已经启动，并且正在逐渐上升 【l 】 数字相机( d i g i t a lc a m e m ) ，也称数码相机。它是一种真正意义上 的非胶片新型相机。它采用c c d ( c h a r g ec o u p l i n gd e v i c e ) 电荷耦合 器件或c m o s( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补金属 氧化物半导体) 作为光电转换器件，以c c d 图像传感器作为光电转换 器件的相机，称为c c d 相机，以c m 0 s 图像传感器作为光电转换器件 的相机，称为c m o s 相机。 使用数字相机时，只要对着被摄景物按动快门，由光电转换器件感 光阵列感应从镜头传来的光图像，然后由光电转换器件将光信号转换成 一一对应的模拟电信号，再经模数转换后把模拟电信号转变成数字信 号，最后使用数字相机中固化的程序( 压缩算法) 按照指定的文件格式， 将图像以二进制数字的形式存入存储介质( 存储器、存储卡或软盘) 中。 通过接口可把这些照片输送到计算机中存入丈件，或直接把软盘插入计 算机，在适当的软件支持下，从屏幕上显示照片，并可根据需要对其进 行放大，修饰处理，还可以用彩色喷墨打印机或激光打印机将照片放大 打印出来。数字相机的输出信号也可以直接传送给数字录相机存入录像 带或传送给光盘刻录机存入光盘。此外，随着网络影像技术的迅速发展， 数字照片上网传输业已成为了一种时尚。数字照片不仅可以作为电子邮 件在互联网上传送或用于制作互联网上的主页，而且网上“邮政影像专 递”业务在国内也开始启动。 c m 0 s 是互补金属氧化物半导体器件，它的光电转换功能与c c d 相似，区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同。c m o s 具有信息 读取方式简单、输出信息速率快、耗电省、体积小、重量轻、集成度高、 价格低等特点，是未来数字相机理想的成像芯片，但要选到c c d 芯片 的成像质量，仍有很长的路要走。目前数字相机多采用c c d 面阵光电 转换器件，由于其制造成本很高，而且由于数字相机的制造商大多采用 专用的c c d ，所以其价格一直居高不下。近几年，c m o s 面阵光电转 换器件得到发展，这对开发实用、价廉、小体积的数字相机非常有用。 c m o s 器件与c c d 相比，c m 0 s 很容易与a d 电路、数字信号电路等 电路集成在一起，c m 0 s 芯片生产成本低，成品率高，并且明显降低了 功耗。此外还能完成其他许多功能，如模数转换、负载信号处理、白 平衡处理及相机控制等，还有，c c d 只能单一地锁存落到成千上万个 采样点上的光线的状态，而c m o s 则可能在不会大幅度提高成本的前 提下增加c m o s 的密度和位深度。鉴于上述原因，很多业界分析家认 为，将来终究有一天，所有的低档数字相机都将是基于c m o s 器件的。 目前c m o s 成像器件在解析度和色彩还原方面还不尽如人意，图像有 噪声，准确捕获动态图像的能力还不强。后来人们发现在全面的改善电 路设计、器件结构和工艺流程以后，c m 0 s 图像芯片的质量指标是可以 进一步改善并达到c c d 图像质量水平的。最近设计的高速c m 0 sa p s 能实现在2 3 8 6 1 7 2 8 分辨率下的2 4 0 f p s 的帧频，这一突破性的进展， 必将加快c m o s 图像传感器取代c c d 的步伐1 2 j o 表1 1 为c m 0 s 摄像 头与c c d 摄像头性能的比较。 表1 1c m o s 摄像头与c c d 摄像头的性能比较 c m o s 摄像头c c d 摄像头 模拟数字转换片内舍有 片外另配 时序及控制电路片内含有片外另配 自动增益控制片内舍有片外另配 信息处理片内舍有片外另配 彩色编码片内舍有片外另配 系统功耗小于1 5 0 m w大于1 5 w 灵敏度( 在焦距f - 1 4 m m 2 l x1 l x 情况下) 信躁比4 6 d b 5 0 d b 噪声6 0 e r m s6 0 e m l s 动态范围大干7 0 d b大干7 0 d b 可见，c m o s 图像传感器是信息获取与处理领域里图像处理技术中 比较重要的一部分，是p c 机多媒体大世界今后不可缺少的外设，也是 保安监控产业中的核心器件。在知识经济和信息社会已经到来的今天， 它在我们的社会生活和个人生活中会有数不胜数的应用 3 】口 l _ 2 研究基于c a m e r al i n k 接口c m o s 相机的背景 短短的几年，数字相机就由几十万像素，发展到4 0 0 、5 0 0 万像素 甚至更高。帧频由每秒2 0 、3 0 帧，发展到几百帧。像素、帧频和图像 存储器容量的不断增长要求相机接口传输速率要不断提高，这样就迫使 接口标准也要不断的推陈出新。以前的数字相机多采用虽然普及但是很 古老的r s 一2 3 2 标准的串口传输，传输8 m b 的数据需要2 0 分钟或更多， 这样的速度是让人难以忍受的。目前许多数字相机采用了更加快速的传 输方式，如k o d a k 公司的数字相机产品普遍采用了u s b 方式上传图片。 虽然已经有一些厂商在使用或开发一些更快的传输方法，如i e e e l 3 9 4 、 s c ei 、i i 等，传输速率也从相应地提高到4 8 0 m b p s ，并且将来会提升 到8 0 0m b p s 、1g b p s 、1 6g b p s ，甚至3 2g b p s 。但即使是现今使用的 u s b 2 o 方式，用来传输大容量存储内容或实时传输高分辨率、高帧频 相机输出的数据也是比较慢的。 c 锄e ml i n k 是一种基于视频应用发展而来的通信接口，它由美国 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司基于c h 锄e ll i n k 技术发展而来。在现阶段， 应用c h a l l n e ll i n k 技术可实现高达2 3 8g b p s 的传输速率，足以满足当 今数字相机对数据传输速率的要求。 另外，基于c a m e r al i n k 接口的数字相机在工业生产领域有着重要 应用。在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及 零件识别应用。例如零配件批量加工的尺寸检查，自动装配的高级性检 查，电子装配线的元件自动定位，i c 上的字符识别等。通常人眼无法 连续、稳定地完成这些带有高度重复性和智能性的工作，其它物理量传 感器也难有用武之地。由此人们开始考虑利用光电成像系统采集被控目 标的图像，而后经计算机或专用的图像处理模块进行数字化处理，根据 图像的像素分布、亮度和颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判 别。可见基于c a m e r a l i n k 接口的数字相机在科学研究、军事及民用工 业中的重要作用，是今后科研及工业级数字相机发展的方向。 l _ 3c a m e r a l i n k 接口c m o s 相机发展现状及趋势 c m o s 图像传感器作为c m o s 相机的核心，其技术的发展决定了 c m o s 相机的走势。 1 - 3 1 国外c m o s 图像传感器发展现状 由于c m o s 工艺的成熟和固体图像传感器技术的研究成果，c m o s 图像传感器发展很快，国外各大公司和科研机构已经开发出多种类型的 c m o s 图像传感器和咀c m 0 s 图像传感器为核心的摄像系统。低分辨 率的有p i n k l l i l l 公司生产的广泛应用于娱乐和玩具行业的c m 0 s 图像传 感器芯片、英国v l s i s i o n 公司生产的用于儿童娱乐时即时拍照的新 概念相机、韩国汉城国立大学电子工程学院集成系统实验室利用2 5 6 6 4 像素c m o s 图像传感器阵列开发的指纹识别系统等。在中、高分辨率 领域中，美国贝尔实验室研制的2 5 6 2 5 6 元c m o s 有源像素传感器 ( c m o s a p s ) 的像素尺寸为2 0 啪2 0 啪，在单一5 v 电压下工作，动 态范围可达7 2 d b ，英国v l s i 公司生产的7 8 5 5 8 6 像素c m o s 图像传 感器，美国喷气推进实验室为国家航空和宇宙航空局设计制造了用于彩 色相机的1 0 2 4x1 0 2 4 像素c m 0 s a p s l 4j 。美国斯坦福大学电子工程系 信息系统实验室采用o 3 5 u m 、4 层金属、单层多晶硅n 阱c m o s 工艺 研制出了具有宽动态范围的6 4 0 5 1 2 像素c m o s a p s 。像素尺寸为 1 0 5 u m 1 0 5 啪，填充系数为2 9 ，工作电压为3 3 v ，暗电流为 1 6 0 p a c m 2 ，灵敏度为5 1 m v e 。，动态范围为6 5 5 5 3 6 ：1 ，最大帧频为2 5 0 帧秒。比利时英特大学微电子中心采用o 5 u m c m 0 s 工艺研制出2 0 4 8 2 0 4 8 像素c m o s a p s ，像素尺寸为7 5 u m 7 5 u m ，芯片尺寸为1 6 3 m m 1 6 3 m m ，灵敏度为3 5 m v 1 0 次光照，噪声为o 2 5 m v 均方根值，量子 效率4 o e ) 2 ( 4 0 0 n m 8 5 0 m ) ，功耗为1 0 0 m w 。日本佳能公司 开发成功3 2 5 万像素( 2 2 2 6 1 4 6 0 ) c m o s 图像传感器，像素尺寸为 1 0 5 u m 1 0 5 u m ，芯片尺寸为1 5 1 m m 2 2 7 m m ，并用该器件组装成功 e o s d 3 0 型c m o s 单反数字相机。美国f o v e o n 和国家半导体公司共同 采用o 1 8 啪c m o s 工艺首次开发成功了1 6 0 0 万像素( 4 0 9 6 4 0 9 6 ) c m o s 图像传感器，这是迄今为止全球集成度最高的器件，像素尺寸为 5 u m 5 m n ，芯片尺寸为2 2 m m 2 2 m m 。 目前，生产制造c m o s 图像传感器比较有名的厂家有p h o t o b i t ， o m n j s i o n ，a 画l e m ( 即先前的h p ) ，r o c k w e l l ，f i l l f j c t o r y 以及s t 等 公司。国外除了研制和生产c m o s p p s 、c m o s a p s 外，还开发成功 了c m 0 s 视觉图像传感器、c m o s 指纹传感器、c m 0 s 凹状图像传感 器、对数变换c m o s a p s 和具有微透镜阵列结构的c m o s a p s 等。其 中发展最快而且已实现商品化的有c m 0 s p p s 和c m o s a p s 。其中用 c m o s a p s 开发成功的数字相机、微型和超微型摄相机已广泛用于安 全监控、医疗诊断和旅游业。例如，加拿大d a l s a 公司已利用 c m o s a p s 成功开发出一系列c a m e r a l i n k 接口相机产品，具有代表性 的有m v - d 1 0 2 4 系列的1 6 0 c l 、2 8 c l 、8 0 c l 等信号，以及比利时 c c 锄公司的c c h s l 3 e 、c c h s l l 3 0 0 等型号。这些产品高分辨率、高帧 频( 4 8 0 帧秒) 的特点使之广泛应用于工业机器视觉、交通管理、高精 度测量、医疗成像和显微成像等领域。另外，加拿大c o r e c oi m a g i n g 、 丹麦p u l n i x 等公司也利用c m o s 图像传感器开发了很多优秀的产品。 1 3 2 国内c m o s 图像传感器研制状况 在国内，西安交通大学、浙江大学、复旦大学、中国纺织大学、重 庆大学、台湾大学、丈哗科技香港有限公司等单位都开展了c m 0 s 图 像传感器的研制和应用开发工作，并取得了较大的进展。西安交通大学 开元微电子科技有限公司使用美国c o r n p 船sd e s 迢na u t o m a i t o n 公司的 e d a 软件开发出一系列c m o s 单片摄相机a s i c 芯片m 1 0 、m 一2 0 a 、 m 2 0 b 、m 2 0 c 。器件的分辨率、稳定性、信噪比等都比目前进口芯片 有较大改善，并且在集成度方面有了进一步提高。用上述c m 0 s 单片 摄相机a s i c 芯片m 1 0 组装成的微型摄像头是综合国际9 0 年代视觉技 术的新一代c m o s 摄像器件。微型摄像头可输出p a l 制黑白图像全电 视信号，直接在显示器( 监视器、电视机等) 上显示。也可以作为计算 机多媒体应用的图像输入部件，并能通过录相机录下图像。 单片c m o s 摄相机a s i c 芯片m 1 0 集成了摄像器件的所有功能， 包括1 3 英寸c m o s 图像传感器阵列、扫描读出电路、放大电路、全电 视信号产生电路等。m 1 0 还具有自动曝光控制、自动增益控制和黑白电 平自动校正等功能。用m 1 0 组装成的u p 1 0 微型摄像头与传统的c c d 摄像头相比，在体积、功耗与价格上占有很大的优势。 u p 1 0 微型摄像头最突出的优点是对人眼不可见的红外光特别敏 感，例如一个点燃的烟头及红外线遥控器的发射光，对着摄像镜头则显 示屏就会出现很强的白光，白天或黑夜都没有什么区别，对于防盗监控 来讲，甚为适宜。可以利用红外光源照射被监视区域，即使在伸手不见 五指的黑夜也能让盗贼无所遁形。该微型摄像头可广泛应用于工厂、学 校、矿区、住宅区、港口、工地、库房、家庭、别墅、果场、养殖场、 超级市场、银行、交通、多媒体电脑等场合。开元微电子科技有限公司 已研制出3 6 9 2 8 7 ，7 6 8 5 7 4 ，6 4 0 4 8 0 和5 1 2 5 1 2 像素c m o s 图 像传感器，并用这些器件开发成功了m x 型系列c m o s 微型摄相机。 上海复旦大学与美国斯坦福大学合作研制出了6 4 6 4 像素c m o s 无源和有源像素图像传感器，并对器件的性能进行了分析。上海华虹集 团和上海亚晨实业公司联合开发成功一种广泛应用于视频会议、掌上电 脑、数字相机、可视电话和保安监视器等领域的c m 0 s 图像处理产品， 并迅速投放市场。在台湾地区，台湾a v e r m e d i a 技术公司月产p c 数字 摄相机超过8 0 0 0 台，f o n gk a i 公司月产3 万或4 万部p c 摄相机，其 大部分产品的核心是i o 万和3 0 万像素的c m o s 图像传感器。北京大 学数字成像研究组与武汉喜玛拉亚数字成像有限公司合作研制成功了 我国第一代c m o s 数字相机，2 0 0 1 年生产此类相机3 5 万台，5 年后 生产能力将达到1 0 0 万台。台湾大学电子工程系采用0 5 u i l l 双层多晶硅 双层金属( d p d m ) c m o s 工艺研制成功了单芯片c m o s 有源像素传 感器，并且用该器件组装了单芯片c m 0 s 摄相机，其特性为：像素数 1 2 8 9 6 元，像素尺寸为3 2 2 u m 3 2 2 u m ，芯片尺寸为5 8 m m 5 8 m m ， 电源电压为3 3 v ，填充系数为3 3 ，饱和电平为8 2 0 m v ，灵敏度为 0 2 v l u x s 功耗为5 6 m v ，固定图形噪声( f p n ) 为8 m v ，最大帧频 为2 5 0 帧秒。 由于我国小于o 5 啪线宽的大规模集成电路工艺还处于实验阶段， 因此像素在3 0 万以上的c m o s 图像传感器芯片必须进口。此外，c m o s 图像传感器的成像质量差，所以开展c m 0 s 图像传感器的设计，制造 及消除噪声技术的研究工作是我国的当务之急。 1 3 3c m o s 图像传感器的发展趋势 目前，c m o s 图像传感器正朝着高分辨率、高灵敏度、宽动态范围、 微型化、数字化和多功能的方向发展，并在越来越多的领域得到了广泛 应用。以下为几种新型的c m 0 s 图像传感器： 1 ) 掩埋光电二极管型c m o s 图像传感器 c m 0 s 图像传感器在低照度下成像质量一直不如c c d ，因而提高 图像质量是c m o s 图像传感器开发的重点。掩埋光电二极管型c m 0 s 图像传感器采用掩埋光电二极管新型结构，降低了泄漏电流，在低压下 也能确保无电荷残余的高级读出，实现了与c c d 成像器件同等的高质 量图像。 2 ) 低噪声c m o s 图像传感器 虽然具有低功耗优点的c m o s 图像传感器在便携式信息终端的图 像通信方面具有重要作用，但由于每个像素晶体管特性的不均衡及非入 射光引起的暗电流，容易产生固定图形噪声。低噪声c m 0 s 图像传感 器采用了独特的“d r s c a n ”噪声消除技术。该技术在逐点顺序读出每个 像素信号和噪声成份的同时，可在同一电路中消除晶体管特性不均引起 的固定图形噪声。这是以前逐行消除难以做到的。同时，此类c m o s 图像传感器还借鉴c c d 的h a d ”( h 0 1 ea c c u m u l a t i o nd i o d e ) 结构。即 在传感器表面形成空穴积累层，从而抑制非入射光引起的暗电流。这两 种固定图形噪声的降低，使信躁比有了明显的提高。另一方面，h a d 结构中采用了l 形门的像素结构，使几乎所有的电子高级转移，实现了 无拖影的图像信号输出。 3 ) 高灵敏度c m o s 图像传感器 高灵敏度c m o s 图像传感器具有双金属光电屏蔽和氮化硅( s i 3 n 4 ) 抗反射膜的深p 阱光电二极管结构的c m o s a p s 。为了改善器件的灵 敏度，高灵敏度c m o s 图像传感器应用了深p 阱、磷掺杂p 型硅衬底、 s i 3 n 4 、减反射膜、耗尽晶体管、双金属光电屏蔽等新技术。光入射到 常规光电二极管和新型和新型光电二极管时，前者的反射率为2 0 3 0 ，后者的反射率小于1 0 。由于入射光反射率的降低，提高了器 件的灵敏度【5 1 。 第二章c a m e r al i n k 接口 2 1c 锄e r al i n k 标准介绍 c 锄e r al i n k 是一种基于视频应用发展而来的通信接口旧j 。过去， 工业数字视频市场在相机和图像采集卡之间已经锁定了一种通信标准 方式，相机制造商和图像采集卡制造商使用不同的连接器发展他们的产 品，这使得线缆很难整合生产，给用户也带来很多麻烦。同时，随着数 据传输速率和复杂性的不断提高，对一种通用性标准的需求就变得非常 重要了。在高数据率、综合数据交换的时代，手工制作的线缆已经不能 可靠的满足需求。为保证在高数据率条件下通信的可靠性而特别设计 的，通过指定一个标准的引脚分配和线缆装配方法一c a “l e r al i n k 标准 来确保兼容设备能够轻而易举地连接在一起。c a m e r a “n k 标准可以使 用户通过大批量购买线缆来降低开发成本。并且，标准接口的存在也大 大节约了用户为整合一套兼容的相机和图像采集卡而花费在获得技术 支持上的时间f7 1 。 2 _ 2 技术简述 当前，多数数字视频解决方案中使用被看作为r s - 6 4 4 的l v d s ( 低 压差分信号，将在本文第三章中作详细介绍) 通信技术。虽然r s 一6 4 4 已经较r s 一4 2 2 有了改进，但是它仍然需要大容量的线缆，在传输速率 方面也受限制。为了解决这个问题，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司基于 c h a n n e ll i n k 技术发展了c a m e r al i n k 标准。c h a l l n e ll i n k 是基于i d s 技术发展而来的，它是一种用来传输视频数据的新技术。c h a n n e ll i n k 使用一个并转串驱动器和一个串转并接收器传输数据，其最高速率可达 2 3 8 g 【8 1 0 如图2 1 所示，c h a 加e ll i n k 驱动器将2 8 位c m o s 厂r t l 信号转换 为四条l v d s 数据流。一个锁相环传输时钟通过第五条l v d s 链路与其 它l v d s 数据流并行传输。在传输时钟的每个周期，2 8 位输入数据被 采样和传输。c h 锄e ll i n k 接收器将数据流转换回2 8 位的c m o s 册l 并行数据。 c h a n n e ll i n k 技术有很多优点。它是建立在现有的，容易理解和学 习的技术( 例如t t l 和l v d s ) 之上的一种数据传输技术，所以它很容 易学习和应用。c h a n n e l l i n k 芯片不但价格便宜而且易于使用。同时， 既然它使用低摆幅差分电流模式驱动，那么c h a n n e ll i n k 就降低了电磁 干扰。c h 锄e ll i n k 技术的主要优势在于它的数据线多路技术，这种技 术使线缆使用量大大缩减。如果使用传统的r s 一6 4 4 技术高速传输2 8 位 数据，那么在传输线缆上就需要5 6 只终端电阻；而使用c h 籼e ll i l l k 技术只需要1 1 只终端电阻( 4 对数据线，1 对时钟线和至少一个地) ， 所以不但线缆外形较小而且还降低了屏蔽要求，这也意味着可以在线缆 上使用较小的连接器。 _ l o 出( l v d s ) 皆l 。陟 。 l l i 一 d m a l v d s 苫聿 。陟 0 k l一 d m a f l v d s ) 世毫 胗 k e一 d m a 州o s ) 骨毫j 弋 斑四- 1 2 c i m l v o s ) 臀l 2 _ 3 配置 图2 1c h a f l n e ll i n k 示意图 c 锄e r a l i n k 接口包括初级配置、中级配置和高级配置等三种配置。 在初级配置中，一对c h a i l l l e ll i n k 驱动器，接收器随同四对用来控制相 机的r s 一6 4 4l v d s 线缆和两对用来进行相机和图像采集卡之间串行通 信的r s 一6 4 4 i d s 线缆一起使用( 如图2 2 所示) 。 既然一对c h 锄e il i n k 驱动器，接收器仅局限于2 8 位并行视频数 据，那么初级配置就不能够满足所有的情况。中级配置包括两对c h a r u l e l l i n k 驱动器，接收器扣与之随同使用的用于相机控制和串行通信l v d s 线对。中级配置最高可传输5 6 位并行视频数据。高级配置包括3 对 c h a l l l l e ll i n k 驱动器接收器和与之随同使用的相机控制和串行通信 l d s 线对。高级配置最高可传输8 4 位视频数据。如图2 2 所示，初级 配置需要使用一条标准电缆连接相机和图像采集卡，中级配置或高级配 置则需要两条。 高 级 配 置 中 级 配 置 h d r 图2 2 c a m e r a l i n k 接口的配置 2 4 相机信号 在c 锄e r a l i n k 标准中，相机信号要求分为四种： t 考目机控制信号 视频数据 电源 串行通信 1 ) 相机控制信号 在接口的三种配置当中，都有4 条r s 一6 4 4 线对用来实现相机控制。 相机制造商可以自由的定义这些信号以满足他们的特殊产品。这些信号 定义为图像采集卡输出和相机输入。一般情况下将这些信号命名为： c 锄e r ac o n t r o l l ( c c l ) c 踟e r ac o n t r 0 1 2f c c 2 ) c a m e r ac o m r 0 1 3f c c 3 1 c a m e r ac o n 订0 1 4 ( c c 4 ) 表2 1 给出了通常相机制造商对控制信号的定义。 表2 1 相机控制信号的定义 信号名称缩写格式定义 e x s y n c ( 外部同步信号) 一下降 c 锄e r ac o n t r o l lc c 】 延触发开始读取数据 c 锄e r ac o n t r 0 1 2c c 2p r i n ( 像素重置) 一低电平有效 f o r w a r d 一高电平有效，低电平 c 锄e r ac o n 仃0 1 3c c 3 翻转 c 锄e r ae o n t f o l 4c c 4暂未定义 2 ) 视频数据 c 锄e r al i n k 标准定义了四条像素限定信号的名称，并且描述了它 们的信号电平。驱动器、接收器以及连接器上有关这些信号的定义均是 由c a m e r al i n k 标准确定的。表2 2 给出了由c h a l l l l e ll i i l l ( 标准确定的 像素限定信号名称和定义。 表2 2 像素限定信号的名称和定义 并行视频数据与c h a t l n e ll i i l l 【芯片的连接 信号名称缩写格式定义 帧有效时为高电平或l 。在行扫描相机 f r a m ev a l i df v a l 中接高电平或留作它用 l i n ev 甜i dl v a l行有效时为高电平或1 当相机数据率低时使用，数据率高时 d a t a v a l i dd v a l 直接接高电平 s p a r e s p无定义 p o r t a 0 一a 7 端口a 至h 是逻辑8 位字，用来定义 t 1 r o u 曲 p a 0 ，p a 7 t h r数据是怎样多元化的。单2 8 位c h a n n e ! p h o p h 7l i n k 器件使用a ，b ，c 端口；5 6 、8 4 位 p o r t h 0 h 7 器件等使用其余端口 c a n l e r a l i n k 标准定义了从a 到h8 个端口。它们都是逻辑8 位的 字，用来说明图像数据位在驱动器付划史器上是如何分配的。 3 ) 电源 相机的电源并不是由c a i n e r al i n k 连接器提供的，而是通过一个单 独的连接器旋供。q l l l l e r al i n k 标准允许相机制造商自由定义电源连接 器和相机的工作电流和电压。 例如b a s l e r 公司生产的c a m e r a l i n k 接口相机使用了h i r o s e 公司的 6 针电源连接器( 如图2 3 所示) 作为标准。 h r o b e 6 针电熏难整器 针定叟 t 5 + 1 2 v d c 3 t s 地 地 图2 3h i r o s e 6 针电源连接器及引脚定义 4 ) 串行通信 三种相机接口配置中都有两对r s 6 4 4l v d s 线缆用于相机扣图像 采集卡之间进行的异步串行通信。相机和图像采集卡在设计串行口配置 时至少应该支持的波特率为9 6 0 0 。c a n l e r a l i n k 标准指定串行信号如下： s e r t f g ( 从相机串行输出端至采集卡串行输入端的差分线对) s e r t c ( 从采集卡串行输出端至相机串行输入端的差分线对) 其协议使用异步格式( 即执行r s 2 3 2 标准) ，推荐使用最小波特率 为9 6 0 0 ( 1 位起始位、8 位数据位、】位停止位、无握手和奇偶投验位) 。 当访问和使用异步串行口时，c a m e r al i n k 标准为相机制造商和图 像采集卡制造商提供了一个双方共同遵循的方针，即图像采集卡制造商 必须提供一个a p i ( 应用程序接口) 。用户通过d l l ( 动态链接库) 对 串行通信进行管理。 另外，c 咖e r al i n k 标准还推荐图像采集卡制造商提供一个用户接 口。这个用户接口应该至少包含一个终端程序，通过这个程序用户可以 发送和接收一个字符串或几个字节的文件。 2 5 端口和端口分配 1 ) 端口定义 一个端口定义为一个8 位的字。在这个8 位的字中，最不重要的1 位( l s b ) 是b i t o ，最重要的1 位( m s b ) 是b i t 7 。c a m e m l i n k 标准使 用8 个端口，即端口a 至端口h 。 2 ) 端口分配 在初级配置中，端口a ，b 和c 被分配到唯一的c 锄e r a l i n k 驱动 器，接收器对土；在中级配置中，端口a ，b 和c 被分配到第一个驱动 器接收器对上，端口d ，e 和f 被分配到第二个驱动器，接收器对上； 在高级配置中，端口a ，b 扣c 被分配到第一个驱动器接收器对上， 端口d ，e 和f 被分配到第二个驱动器，接收器对上，端口g 和h 被分 配到第三个驱动器，接收器对上( 见图2 - 2 ) 。表2 3 给出了三种配置的端 口分配、c 1 1 a n n b l l i n k 芯片及连接器的使用数量情况。 表2 ，3 三种配置的端口分配 f 配置端口芯片数量连接器数量l l 初级 a ，b 、c l1 中级 a ，b ，c ，d ，e ，f 22 高级 a ，b ，c ，d ，e ，f ，g h 32 每一个c 啪e r al i t l k 驱动器都有标注着从t x o 至t x 2 7 的2 8 个数 据输入引脚，相应的接收器有标注着从r x o 至阳( 2 7 的2 8 个数据输出 引脚。 3 ) 端口的位分配 从表2 4 中我们可以看出在三种c a m e r al i n k 配置中，图像数据位 是怎样分配到端口的。这种位分配方式已经被应用于市场上最流行的相 机上。 表2 4 c 砌e r a l i n k 接口的端口分配 驱动器输入信号对应芯片 s 6 r o b et x c 豫o u t t x c 2 ki n l v a lt x r x 2 4 f v a lt x r x 2 5 d v a lt x r x 2 6 s p a r e t x r x 2 3 p o r t a o 、p o 】1 d o p o t r g ot x r x 0 p o r t a l p o n d l p o t r g lt x 瓜x 1 p o n a 2 p o r t d 2 p o t r g 2t x 瓜x 3 2 p o t t a 3 ，p o n d 3 ，p o t r g 3 t x 爪x 3 p o n a 4 ，p o n d 4 ，p o t r g 4 t x ，r 4 p o r 渔5 ，p o r t d 5 ，p o t r g 5 t x 尔x 6 p o r t a 6 ，p o r t d 6 ，p o t r g 6 t x r x 2 7 p o r t a 7 p o r t d 7 p o t r g 7t x ，r x 5 p o r t b o p o r t e o p o t r h ot x ，r x 7 p o r t b l p o r t e l p o t r h lt x 佩x 8 p 0 r t b 2 ，p o n e 2 ，p o 廿h 2 t x 瓜x 9 p o n b 3 ，p o r t e 3 ，p o t r h 3 t x r x l 2 p o r t b 4 p o r t e 4 p o 订h 4 t ) “r x l 3 p o n b 5 p o r t e 5 p o t r h 5t x 爪x 1 4 p o r t b 6 ，p o r t e 6 ，p o 仃h 6 t x 爪x 1 0 p o n b 7 ，p o n e 7 ，p o t r h 7 t 尬r x l l p o r t c o p o n f 0t x ，r x l 5 p o r t c l p o n f lt x ，r x l 8 p o r t c 2 p o r t f 2e 影r x l 9 p o r t c 3 p o r t f 3t x 依x 2 0 p o r t c 4 p o r t f 4 t x r x 2 l p o r t c 5 p o r t f 5 t x r x 2 2 p o r t c 6 p o r t f 6t x 佩x 1 6 p o r t c 7 p o n f 7 t x r x l 7 注：如果使用端口d 和g ，那么它们与器件连接的方法与端口a 的相同。同样。 如果使用端口b 和h ，它们与器件连接的方法与端口b 的相同，端口f 的与 端口c 的相同。三种配置的端口详细位分配细节在附录i 中给出。 如果相机在每个周期内仅输出一个像素，那么就使用分配给像素a 的端口；如果相机在每个周期内输出两个像素，那么使用分配给像素a 和像素b 的端口：如果在每个周期内输出三个像素，那么使用分配给像 素a ，b 和c 的端口；依此类推至相机每周期输出八个像素，那么分配 给a h 的八个端口都将被使用。 2 6 连接器、电缆及其引脚定义 c h a n l l e ll i n k 的高速率传输使选择连接器和电缆这一环节变得非常 重要。是否依照c a m e r al i n k 标准中关于对电缆、连接器和引脚定义的 4 规定去设计相机是相机和图像采集卡成功运转与否的关键因素。 1 ) 连接器 3 m2 6 p i n m d r ( m 血i d r i b b o n ) 连接器9 】( 如图2 4 所示) 之所 以被选择与c 踟e r al i n k 配套使用是因为它优秀的设计和先前用于 c h 鲫1 e ll i 呔高速传输的成功经验。 图2 42 6 一p i n m d r 连接器 当将这些连接器安装到一个相机或者图像采集卡上时要用到插槽 ( 如图2 5 所示) 。插槽上的连接器固定装置( 通常为螺母) 要与标准 c a n l e r al i n k 电缆连接器上的固定装置( 螺钉) 匹配。 图25 连接器插槽示意图 2 ) 电缆 3 m 按照c 锄e r a l i n k 标准设计了一种专门用于相机和图像采集卡 之间的集成电缆。这种双绞屏蔽电缆能够满足高速差分信号应用中所有 严格要求。3 m 电缆产品的通用型号为1 4 x 2 6 一s z l b x x x - o l c 。它的有 效长度范围在一米至十米之间。另外，它有两种外壳可供选择( 如图 2 6 所示) 。 图2 63 m 电缆产品信息 3 ) 连接器引脚分布 表2 5 给出了安装于相机和图像采集卡上的2 6 一p j nm d r 连接器的 引脚定义。 表2 5m d r 2 6 连接器引脚定义 初级配置 中级、高级配置( 包括相机控制和串行 通信) 相图相 图 机像c h a n n e l机像c h 籼e l 连泉 l i t l i 【电缆连采l i n k 接集信号接集信号 器 七 器卡 i n n e ri 加e r i n n e r 1111 s h i e l d s h i e i ds 1 i e i d i 肌e ri n n e r i n n e r 1 41 41 4 1 4 s h i e l ds h i e l ds l l i e l d 2 2 5 y 0 一p a i r l 22 5x o 1 5 1 2y o +p a i r l +1 51 2x o + 3 2 4y 1 p a i r 2 32 4x 1 1 6 1 1y 1 +p a i r 2 +1 61 lx 】十 42 3y 2 一p a i r 3