摘? 要: 基于PCI Express總線設計了一種高幀頻CMOS相機圖像采集系統(tǒng),。選用幀頻250幀/s的LUPA-300作為高幀頻圖像傳感器,，通過FPGA實現(xiàn)對圖像傳感器的參數(shù)配置與圖像數(shù)據(jù)處理,，采用PCI Express總線作為圖像數(shù)據(jù)傳輸總線，大大提高了傳輸速度,。實驗結果表明該系統(tǒng)結構簡單、成像清晰穩(wěn)定,、拍攝速度快,，可應用于高速目標的拍攝。
關鍵詞： PCI Express,； 高幀頻,； CMOS圖像傳感器； FPGA
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隨著信息科學的飛速發(fā)展,，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求愈來愈高,。數(shù)據(jù)采集技術是現(xiàn)代信號處理和信號存儲的基礎，廣泛應用于雷達,、通信,、遙測遙感等領域。在數(shù)字信號處理及存儲工作中,，實現(xiàn)對所需數(shù)據(jù)高速,、實時采集具有重要意義。為了實現(xiàn)對高幀頻CMOS相機高速,、大容量圖像數(shù)據(jù)實時存儲,，要求光電測控設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、傳輸延時低,、系統(tǒng)集成度高,、系統(tǒng)可維護性高等特點。現(xiàn)在的大多數(shù)圖像采集卡多數(shù)是基于PCI接口的,，其數(shù)據(jù)傳輸率很難滿足大容量,、高速的圖像數(shù)據(jù)傳輸。PCI Express(簡稱為PCI-E）是一種新型的點對點的串行連接的I/O體系,。PCI-E為總線技術帶來了顛覆性的革命,，其所能提供的高帶寬和引入低延遲是其前幾任總線所望塵莫及的。相比傳統(tǒng)的PCI總線，PCI-E總線有很大的優(yōu)勢：首先,PCI-E降低了芯片連接的管腳數(shù)量,，簡化了PCB板的設計和布局,；其次，PCI-E是非共享的串行差分接口,，不會出現(xiàn)多個設備共享帶寬的情況,，PCI-E X1的理論帶寬為發(fā)送、接收均為250 MB/s,，PCI-E X4發(fā)送,、接收的理論帶寬均為1 GB/s，并且在PCI-E 2.0協(xié)議中會使用更高速5 GB/s的物理層收發(fā)器,，其速度將會翻倍,。因此，PCI-E總線接口特別適合于超高速的數(shù)據(jù)傳送,，研發(fā)基于PCI-E總線接口的數(shù)據(jù)采集卡具有重要意義[1-3],。
本文基于PCI Express總線設計出該高速CMOS相機圖像采集系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中,，高速CMOS相機幀頻為250幀/s,，分辨率為640×480，每個像元數(shù)據(jù)位為10位,，系統(tǒng)中采用FPGA芯片實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制,，利用FPGA內部提供的FIFO IP核實現(xiàn)了高速圖像數(shù)據(jù)的緩存處理。為了提高CPU利用率,，設計中專門采用2個FIFO的乒乓操作來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的緩存處理,。
1 系統(tǒng)構成及原理
整個高幀頻圖像采集系統(tǒng)由成像單元、FPGA控制單元,、PCI-E圖像采集單元,、驅動程序及圖像采集存儲軟件組成，如圖1所示,。
系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)上電后,，F(xiàn)PGA控制單元首先對高幀頻CMOS傳感器內部參數(shù)實現(xiàn)配置，配置完成后,高幀頻CMOS圖像傳感器開始工作,，通過內部的光電轉換,、模數(shù)轉換將外部鏡頭采集到的圖像轉換成數(shù)字圖像的幀頻信號、行頻信號,、像素時鐘信號，并將圖像數(shù)據(jù)傳送給FPGA內部的FIFO進行緩存處理,。為了提高數(shù)據(jù)的緩存處理速度,，提高CPU的利用率，系統(tǒng)中采用了2個FIFO的乒乓操作來完成數(shù)據(jù)的緩存。經(jīng)過FIFO緩存處理后的圖像數(shù)據(jù)輸入到PCI-E圖像采集單元的DMA數(shù)據(jù)流,，上位機軟件結合驅動程序控制PCI-E采集單元,，通過中斷操作觸發(fā)DMA操作，將數(shù)據(jù)通過DMA數(shù)據(jù)流傳輸?shù)接嬎銠C內部存儲器中,，上位機軟件實現(xiàn)圖像的處理與顯示,，重現(xiàn)成像單元捕獲的圖像。
2 系統(tǒng)硬件
2.1高幀頻CMOS成像單元
高幀頻CMOS 成像單元主要由CMOS圖像傳感器與FPGA控制芯片組成,。CMOS圖像傳感器是系統(tǒng)的成像部件,，它是系統(tǒng)的“眼睛”，能夠捕獲高速運動物體的圖像,，其電路輸出為數(shù)字信號圖像數(shù)據(jù),。本文中所采用的CMOS圖像傳感器是Cypress公司推出的產(chǎn)品LUPA-300，它將模擬圖像獲取,、數(shù)字化和數(shù)字信號處理的功能集成在單一芯片中,，分辨率為640×480；幀頻達到250幀/s,，屬于高幀頻圖像傳感器,，可以實現(xiàn)動態(tài)目標的跟蹤拍攝；動態(tài)范圍為61 dB,采用多斜率積分最高可達到90 dB,；內部集成有4個獨立的模數(shù)轉換器(ADC),，采樣率為80 MS/s，集成的ADC提供10 bit的數(shù)字信號輸出,，內部有大量的寄存器和控制器,，可以對傳感器的工作狀態(tài)進行選取，實現(xiàn)實時調整,；采用同步快門，具有隨機開窗與亞采樣功能,，可對片上任意感興趣的區(qū)域進行讀取,，并且每幀圖像可以讀取不同的區(qū)域,。該傳感器的時鐘頻率可達到80 MHz,。
LUPA-300供電要求比較復雜,，需要提供6種電源：VDDA(模擬電源+2.5 V)、VDDD(數(shù)字電源+2.5 V),、VPIX(像素電源+2.5 V),、VRES(復位電源+3.3 V)、VMEM_H(像素存儲電源+3.3 V),、VADC(ADC電源＋2.5 V),。由于需要電源較多，在電路設計中考慮到元件的管腳分布情況,，盡量做到電源和地到相應的管腳距離最短,。同時為了保證傳感器工作穩(wěn)定，在位于傳感器底座下方的TOP層進行了大面積鋪地,。出于冗余保護的考慮,，傳感器的所有供電管腳都并接了2個0.1 μF和0.01 μF電容,。為了使傳感器正常成像,，選用F=50 mm的V5013標準鏡頭。外殼由鋁制材料加工而成,，正中心位置提供鏡頭接口,。
2.2 時序控制與自動化參數(shù)配置
??? LUPA-300圖像傳感器內部有16個寄存器,，地址從0000～1111,，每個寄存器有16位，其中高4位代表寄存器的地址,，低12位是寄存器的數(shù)據(jù),，每一位都有特定的含義,，通過改變每一位的數(shù)值就可以改變LUPA-300的功能特性,。LUPA-300傳感器提供了專用的SPI總線接口,，設計中采用FPGA與圖像傳感器之間通過SPI總線傳輸協(xié)議實現(xiàn)對LUPA-300圖像傳感器內部參數(shù)的配置。SPI總線的工作時序如圖2所示,，每個數(shù)據(jù)有16位,，后4位（bit<15:12>）為地址位,對應于CMOS圖像傳感器內部寄存器的地址，前12位（bit<11:0>）為數(shù)據(jù)位,，對應于系統(tǒng)成像單元的成像參數(shù),。
為了方便地更改傳感器內部參數(shù)，以根據(jù)不同需求來改變傳感器的工作狀態(tài),，系統(tǒng)采用了串行通信,。上位機通過串行通信向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行處理,，一方面將接收到的數(shù)據(jù)反饋給計算機,，檢驗數(shù)據(jù)的正確性；另一方面通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳送到圖像傳感器內部,，實現(xiàn)內部參數(shù)的改變。結構原理圖如圖3所示,。
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2.3 FPGA控制單元
FPGA控制芯片是系統(tǒng)的“指揮中心”,，也是系統(tǒng)設計中的一個核心器件,，用以協(xié)調整個系統(tǒng)的工作，其作用貫穿于整個系統(tǒng),。完成的主要功能包括：(1)進行自身的I/O口和有關功能控制寄存器的初始化,；(2)系統(tǒng)上電后完成對高幀頻CMOS圖像傳感器的圖像參數(shù)配置；(3)內部FIFO資源實現(xiàn)高速圖像數(shù)據(jù)的緩存處理,；(4)為PCI9054接口芯片提供外部中斷信號及DMA控制時序,； (5)接收計算機的控制命令控制整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用Xilinx公司的XC2S200,片內集成有56 KB的Block RAM, 4個延遲鎖相環(huán)DLL(Delay-locked Loop),。
XC2S200能兼容多種I/O電壓,，并且具有豐富的I/O引腳。核心電壓為＋2.5 V,，設計中采用的I/O電壓為＋3.3 V,。
2.4 圖像采集單元
為了實現(xiàn)對CMOS相機大容量、高速圖像數(shù)據(jù)記錄,，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸效率高,、傳輸延時低、系統(tǒng)集成度高,、系統(tǒng)可維護性高等特點,。本系統(tǒng)采用PCI-E總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，PCI-E采用了目前業(yè)內流行的點對點串行連接,，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構,，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬,，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率,，達到PCI所不能提供的高帶寬。相對于傳統(tǒng)PCI總線在單一時間周期內只能實現(xiàn)單向傳輸,，PCI-E的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量,，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。
系統(tǒng)采用PCI-E插卡實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集,，采集單元主要由采集接口電路與圖像采集卡組成,。采集接口電路與硬件的數(shù)據(jù)總線和控制總線相連，并提供采集單元的標準數(shù)據(jù)接口,；采集單元通過采集接口電路與系統(tǒng)的控制總線和數(shù)據(jù)總線相連,。PCI-E接口芯片采用PLX公司的專用接口芯片PEX8311來實現(xiàn)[4]。PEX8311是PLX公司推出的第一款從PCI-E總線到本地總線的接口芯片,，它完全符合PCI-E1．0規(guī)范,，支持熱插拔功能,，并且其本地端寄存器與PLX公司PCI系列接口芯片基本兼容，這為使用PLX公司產(chǎn)品的用戶開發(fā)PCI-E接口提供了方便,。PEX8311在PCI-E端實現(xiàn)了×1的PCI-E接口,，2對差分線分別負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，一對參考時鐘差分線供PCI-E接口的通信雙方在訓練時建立連接使用,，接口的單向數(shù)據(jù)傳輸率為2．5 Gb/s,，由于串行數(shù)據(jù)采用8 bit/10 bit編碼，其有效總線帶寬為256 MB/s,；本地端為32 bit、66 MHz的1．ocal Bus,，總線帶寬為264 MB/s,。
3 系統(tǒng)軟件
3.1 驅動程序
??? PCI-E總線與PCI總線在軟件層是完全兼容的，因此,，PCI-E卡驅動程序的開發(fā)過程與PCI設備驅動程序的開發(fā)過程是一樣的,，本設計開發(fā)了PCI-E卡的WDM 驅動程序。
??? 驅動程序的開發(fā)選用Comppuware公司的開發(fā)工具包Driver Studio,，Driver Studio開發(fā)工具包簡化了Windows平臺下設備驅動程序的開發(fā),、調試以及測試，它包括VtoolsD,、DriverWorks和SoftICE等開發(fā)工具,。該軟件包是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++,，使用和維護都比較方便,，它可以集成到Visual C++環(huán)境中，針對特定的應用生成相應的驅動程序框架,，在編程中采用面向對象的編程方法,，極大地提高了編程效率。
驅動程序主要完成的功能：(1)設備的初始化,，找到所要控制的硬件,在驅動程序對象中設置驅動程序分發(fā)例程的程序入口點,；建立所有驅動程序對象或其他系統(tǒng)資源； (2)創(chuàng)建設備對象,利用AddDevice函數(shù)創(chuàng)建了一個設備對象,，并將其連接到以PDO為底的設備堆棧中,；(3)中斷的響應與處理，完成了對外部硬件中斷的響應,，并將中斷信息傳遞給應用程序,，通過應用程序實現(xiàn)一定的功能；(4)DMA操作,，完成DMA的讀寫操作,，并在DMA傳輸結束后產(chǎn)生DMA中斷,，通過響應的DMA中斷處理將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到外部總線或應用程序。
3.2 上位機軟件
上位機應用程序使用Visual C++開發(fā),，采用Visual C++的MFC框架,，編寫一個多線程圖像采集與處理程序。為了方便用戶操作,，創(chuàng)建了一種基于對話框的應用程序,，用戶只需要控制相關的按鈕及菜單即可實現(xiàn)圖像采集的相應功能。應用程序主要完成的功能包括：(1)傳輸計算機指令到采集單元,，對系統(tǒng)硬件進行控制,；(2)配置數(shù)據(jù)采集卡，采集處理FIFO輸出的數(shù)據(jù),；(3)進行簡單的圖像處理與分析,； (4)對采集數(shù)據(jù)的硬盤存儲與圖像恢復顯示,。軟件流程如圖4所示,。
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4 實驗結果
系統(tǒng)測試過程中，整個系統(tǒng)通過PCI-E插槽與計算機相連,，通過上位機軟件控制系統(tǒng)硬件電路工作，并通過PCI_E總線傳輸獲取圖像數(shù)據(jù)進行顯示,，系統(tǒng)在全幀模式(640×480)下對實際目標進行了實時跟蹤拍攝,，拍攝到的圖像如圖5所示,。
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圖5中兩幅圖像分別顯示了同一運動物體在不同時刻的運行狀態(tài),，所拍攝物圖像較為清晰， 體現(xiàn)了系統(tǒng)的高速拍攝特性和實時行,，在對系統(tǒng)進行長時間的拷機實驗時，系統(tǒng)未發(fā)生不正常工作現(xiàn)象,，說明系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較好,。
本文設計了基于PCI Express總線高幀頻CMOS相機圖像采集系統(tǒng)，完成了硬件電路的設計，并針對硬件電路開發(fā)了驅動程序和上位機應用程序,。該系統(tǒng)采用PCI Express總線實現(xiàn)硬件電路與計算機之間的高速數(shù)據(jù)傳輸,，接口芯片采用PLX公司推出的第一款從PCI Express總線到本地總線的接口芯片PEX8311來實現(xiàn)。實驗結果表明,，本文給出的基于高幀頻CMOS相機的圖像采集系統(tǒng)具有容易控制,、安全可靠、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,。圖像數(shù)據(jù)傳輸速率將不再是限制采集圖像實時存儲和實時顯示的瓶頸,。
參考文獻
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