基于pcimae总线的高帧频cs相机图像采集系统

基于pcimae总线的高帧频cs相机图像采集系统

随着信息科学的快速发展，人们对数据采集系统的要求越来越高。数据采集技术是现代信号处理和信号存储的基础,广泛应用于雷达、通信、遥测遥感等领域。在数字信号处理及存储工作中,实现对所需数据高速、实时采集具有重要意义。为了实现对高帧频CMOS相机高速、大容量图像数据实时存储,要求光电测控设备的数据采集系统具有数据传输效率高、传输延时低、系统集成度高、系统可维护性高等特点。现在的大多数图像采集卡多数是基于PCI接口的,其数据传输率很难满足大容量、高速的图像数据传输。PCIExpress(简称为PCI-E)是一种新型的点对点的串行连接的I/O体系。PCI-E为总线技术带来了颠覆性的革命,其所能提供的高带宽和引入低延迟是其前几任总线所望尘莫及的。相比传统的PCI总线,PCI-E总线有很大的优势:首先,PCI-E降低了芯片连接的管脚数量,简化了PCB板的设计和布局;其次,PCI-E是非共享的串行差分接口,不会出现多个设备共享带宽的情况,PCI-EX1的理论带宽为发送、接收均为250MB/s,PCI-EX4发送、接收的理论带宽均为1GB/s,并且在PCI-E2.0协议中会使用更高速5GB/s的物理层收发器,其速度将会翻倍。因此,PCI-E总线接口特别适合于超高速的数据传送,研发基于PCI-E总线接口的数据采集卡具有重要意义。本文基于PCIExpress总线设计出该高速CMOS相机图像采集系统。在本系统中,高速CMOS相机帧频为250帧/s,分辨率为640×480,每个像元数据位为10位,系统中采用FPGA芯片实现对整个系统的控制,利用FPGA内部提供的FIFOIP核实现了高速图像数据的缓存处理。为了提高CPU利用率,设计中专门采用2个FIFO的乒乓操作来实现图像数据的缓存处理。1fpga内部监控系统配置实现整个高帧频图像采集系统由成像单元、FPGA控制单元、PCI-E图像采集单元、驱动程序及图像采集存储软件组成,如图1所示。系统工作原理:系统上电后,FPGA控制单元首先对高帧频CMOS传感器内部参数实现配置,配置完成后,高帧频CMOS图像传感器开始工作,通过内部的光电转换、模数转换将外部镜头采集到的图像转换成数字图像的帧频信号、行频信号、像素时钟信号,并将图像数据传送给FPGA内部的FIFO进行缓存处理。为了提高数据的缓存处理速度,提高CPU的利用率,系统中采用了2个FIFO的乒乓操作来完成数据的缓存。经过FIFO缓存处理后的图像数据输入到PCI-E图像采集单元的DMA数据流,上位机软件结合驱动程序控制PCI-E采集单元,通过中断操作触发DMA操作,将数据通过DMA数据流传输到计算机内部存储器中,上位机软件实现图像的处理与显示,重现成像单元捕获的图像。2系统硬件2.1传感器整体设计高帧频CMOS成像单元主要由CMOS图像传感器与FPGA控制芯片组成。CMOS图像传感器是系统的成像部件,它是系统的“眼睛”,能够捕获高速运动物体的图像,其电路输出为数字信号图像数据。本文中所采用的CMOS图像传感器是Cypress公司推出的产品LUPA-300,它将模拟图像获取、数字化和数字信号处理的功能集成在单一芯片中,分辨率为640×480;帧频达到250帧/s,属于高帧频图像传感器,可以实现动态目标的跟踪拍摄;动态范围为61dB,采用多斜率积分最高可达到90dB;内部集成有4个独立的模数转换器(ADC),采样率为80MS/s,集成的ADC提供10bit的数字信号输出,内部有大量的寄存器和控制器,可以对传感器的工作状态进行选取,实现实时调整;采用同步快门,具有随机开窗与亚采样功能,可对片上任意感兴趣的区域进行读取,并且每帧图像可以读取不同的区域。该传感器的时钟频率可达到80MHz。LUPA-300供电要求比较复杂,需要提供6种电源:VDDA(模拟电源+2.5V)、VDDD(数字电源+2.5V)、VPIX(像素电源+2.5V)、VRES(复位电源+3.3V)、VMEM_H(像素存储电源+3.3V)、VADC(ADC电源+2.5V)。由于需要电源较多,在电路设计中考虑到元件的管脚分布情况,尽量做到电源和地到相应的管脚距离最短。同时为了保证传感器工作稳定,在位于传感器底座下方的TOP层进行了大面积铺地。出于冗余保护的考虑,传感器的所有供电管脚都并接了2个0.1μF和0.01μF电容。为了使传感器正常成像,选用F=50mm的V5013标准镜头。外壳由铝制材料加工而成,正中心位置提供镜头接口。2.2lupa-400传感器工作原理LUPA-300图像传感器内部有16个寄存器,地址从0000~1111,每个寄存器有16位,其中高4位代表寄存器的地址,低12位是寄存器的数据,每一位都有特定的含义,通过改变每一位的数值就可以改变LUPA-300的功能特性。LUPA-300传感器提供了专用的SPI总线接口,设计中采用FPGA与图像传感器之间通过SPI总线传输协议实现对LUPA-300图像传感器内部参数的配置。SPI总线的工作时序如图2所示,每个数据有16位,后4位(bit<15:12>)为地址位,对应于CMOS图像传感器内部寄存器的地址,前12位(bit<11:0>)为数据位,对应于系统成像单元的成像参数。为了方便地更改传感器内部参数,以根据不同需求来改变传感器的工作状态,系统采用了串行通信。上位机通过串行通信向FPGA发送数据,FPGA接收到数据后对数据进行处理,一方面将接收到的数据反馈给计算机,检验数据的正确性;另一方面通过SPI总线将数据传送到图像传感器内部,实现内部参数的改变。结构原理图如图3所示。2.3高帧频图像监控系统的主要功能FPGA控制芯片是系统的“指挥中心”,也是系统设计中的一个核心器件,用以协调整个系统的工作,其作用贯穿于整个系统。完成的主要功能包括:(1)进行自身的I/O口和有关功能控制寄存器的初始化;(2)系统上电后完成对高帧频CMOS图像传感器的图像参数配置;(3)内部FIFO资源实现高速图像数据的缓存处理;(4)为PCI9054接口芯片提供外部中断信号及DMA控制时序;(5)接收计算机的控制命令控制整个系统的功能实现。本系统选用Xilinx公司的XC2S200,片内集成有56KB的BlockRAM,4个延迟锁相环DLL(Delay-lockedLoop)。XC2S200能兼容多种I/O电压,并且具有丰富的I/O引脚。核心电压为+2.5V,设计中采用的I/O电压为+3.3V。2.4pci-e接口电路组成为了实现对CMOS相机大容量、高速图像数据记录,要求数据采集系统具有数据传输效率高、传输延时低、系统集成度高、系统可维护性高等特点。本系统采用PCI-E总线实现数据的传输,PCI-E采用了目前业内流行的点对点串行连接,比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输,PCI-E的双单工连接能提供更高的传输速率和质量,它们之间的差异跟半双工和全双工类似。系统采用PCI-E插卡实现图像数据的采集,采集单元主要由采集接口电路与图像采集卡组成。采集接口电路与硬件的数据总线和控制总线相连,并提供采集单元的标准数据接口;采集单元通过采集接口电路与系统的控制总线和数据总线相连。PCI-E接口芯片采用PLX公司的专用接口芯片PEX8311来实现。PEX8311是PLX公司推出的第一款从PCI-E总线到本地总线的接口芯片,它完全符合PCI-E1.0规范,支持热插拔功能,并且其本地端寄存器与PLX公司PCI系列接口芯片基本兼容,这为使用PLX公司产品的用户开发PCI-E接口提供了方便。PEX8311在PCI-E端实现了×1的PCI-E接口,2对差分线分别负责发送和接收数据,一对参考时钟差分线供PCI-E接口的通信双方在训练时建立连接使用,接口的单向数据传输率为2.5Gb/s,由于串行数据采用8bit/10bit编码,其有效总线带宽为256MB/s;本地端为32bit、66MHz的1.ocalBus,总线带宽为264MB/s。3软件系统3.1设备已实现的应用PCI-E总线与PCI总线在软件层是完全兼容的,因此,PCI-E卡驱动程序的开发过程与PCI设备驱动程序的开发过程是一样的,本设计开发了PCI-E卡的WDM驱动程序。驱动程序的开发选用Comppuware公司的开发工具包DriverStudio,DriverStudio开发工具包简化了Windows平台下设备驱动程序的开发、调试以及测试,它包括VtoolsD、DriverWorks和SoftICE等开发工具。该软件包是基于C/C++的,支持BorlandC++和VisualC++,使用和维护都比较方便,它可以集成到VisualC++环境中,针对特定的应用生成相应的驱动程序框架,在编程中采用面向对象的编程方法,极大地提高了编程效率。驱动程序主要完成的功能:(1)设备的初始化,找到所要控制的硬件,在驱动程序对象中设置驱动程序分发例程的程序入口点;建立所有驱动程序对象或其他系统资源;(2)创建设备对象,利用AddDevice函数创建了一个设备对象,并将其连接到以PDO为底的设备堆栈中;(3)中断的响应与处理,完成了对外部硬件中断的响应,并将中断信息传递给应用程序,通过应用程序实现一定的功能;(4)DMA操作,完成DMA的读写操作,并在DMA传输结束后产生DMA中断,通过响应的DMA中断处理将传输的数据发送到外部总线或应用程序。3.2基于评论员的图像采集上位机应用程序使用VisualC++开发,采用VisualC++的MFC框架,编写一个多线程图像采集与处理程序。为了方便用户操作,创建了一种基于对话框的应用程序,用户只需要控制相关的按钮及菜单即可实现图像采集的相应功能。应用程序主要完成的功能包括:(1)传输计算机指令到采集单元,对系统硬件进行控制;(2)配置数据采集卡,采集处理FIFO输出的数据;(3)进行简单的图像处理与分析;(4)对采集数据的硬盘存储与图像恢复显示。软件流程如图4所示。4系统整体设计系统测试过程中,整个系统通过PCI-E插槽与计算机相连,通过上位机软件控制系统硬件电路工作,并通过PCI_E总线传输获取图像数据进行显示,系统在全帧模式(640×480)下对实际目标进行了实时跟踪拍摄,拍摄到的图像如图5所示。图5中两幅图像分别显示了同一运动物体在不同时刻的运行状态,所拍摄物图像较为清晰,体现了系统的高速拍摄特性和实时行,在对系统进行长时间的拷机实验时,系统未发生不正常工作现象,说明系统工作稳定性较好。本文设计