文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170929
中文引用格式： 張磊,，姜會(huì)林，宋延嵩,，等. 基于GTP的Cameralink圖像采集傳輸系統(tǒng)應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017，43(10)：56-58，62.
英文引用格式： Zhang Lei,，Jiang Huilin,，Song Yansong，et al. Application of GTP in the fiber transmission system for Cameralink[J].Application of Electronic Technique,，2017,，43(10)：56-58，62.
0 引言
在星間激光通信系統(tǒng)中,，光電捕獲,、瞄準(zhǔn)與跟蹤(Acquisition Pointing and Tracking，APT)平臺(tái)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)獲得的目標(biāo)圖像等數(shù)據(jù)計(jì)算得到的目標(biāo)空間方位信息,，控制光軸精確指向目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)星際鏈路中全雙工無線激光可靠通信的基礎(chǔ),。在實(shí)際應(yīng)用中，作為光,、機(jī),、電一體化的精密動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，受機(jī)械系統(tǒng)定位精度,、載體振動(dòng),、電纜轉(zhuǎn)動(dòng)約束等多種因素的影響，APT的跟蹤精度不可避免地存在較大誤差,。對(duì)于采用高性能數(shù)字相機(jī)的小型化精密APT平臺(tái),，圖像數(shù)據(jù)傳輸電纜對(duì)APT平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的非線性擾動(dòng)變得更為突出，成為影響APT跟蹤精度的一個(gè)不可忽視的因素,。
采用高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),，減小傳輸電纜數(shù)量與重量，降低對(duì)APT轉(zhuǎn)動(dòng)約束,，是實(shí)現(xiàn)星間激光高帶寬,、可靠通信必須解決的問題之一。Cameralink技術(shù)采用并串轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)[1-2]，僅用4 路LVDS差分對(duì),，有效解決了各類相機(jī)的數(shù)據(jù)高質(zhì)量傳輸問題,。但是，對(duì)于小型精密APT平臺(tái),，Cameralink線纜轉(zhuǎn)動(dòng)約束仍是制約APT跟蹤精度的重要因素之一,。采用FPGA接收Cameralink相機(jī)圖像數(shù)據(jù)，并利用吉比特高速收發(fā)模塊(GTP)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換與編碼傳輸[3],，可實(shí)現(xiàn)任意窗口大小圖像傳輸,。GTP傳輸速率在0.6~10 G范圍內(nèi)可靈活配置，單路GTP即可滿足現(xiàn)有不同Cameralink相機(jī)圖像數(shù)據(jù)傳輸需求,。采用光纖作為GTP數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)[4],，可進(jìn)一步減小對(duì)APT平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。本文針對(duì)星間激光通信具體應(yīng)用,，介紹了基于GTP的 Cameralink圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸方案[5],，對(duì)于圖像數(shù)據(jù)采集、接口匹配與并串轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,，并給出了相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果,。
1 系統(tǒng)組成
星間激光通信光學(xué)圖像采集與傳輸系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
系統(tǒng)由圖像采集發(fā)送端和圖像接收處理端兩部分組成,，其中發(fā)送端固定于APT平臺(tái)上,，由Cameralink相機(jī)、Cameralink接收芯片,、FPGA與光模塊構(gòu)成，完成目標(biāo)圖像信號(hào)采集與傳輸,；接收端為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),，采用光模塊接收串行圖像數(shù)據(jù)，送入FPGA進(jìn)行圖像還原與VGA顯示,。根據(jù)接收端FPGA獲得的目標(biāo)圖像數(shù)據(jù),，可以計(jì)算目標(biāo)的脫靶量信息，作為伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的計(jì)算依據(jù),。發(fā)送端和接收端之間數(shù)據(jù)傳輸采用單模光纖,，以減小對(duì)APT平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的非線性擾動(dòng)，提高目標(biāo)角度測(cè)量精度,。
2 功能模塊設(shè)計(jì)
2.1 圖像采集模塊
在圖像采集發(fā)送端,，數(shù)字相機(jī)、DS90CR288A接收器與FPGA 控制邏輯構(gòu)成圖像采集模塊,。數(shù)字相機(jī)MV-D1024E-40-CL-12[6]是瑞士Photonfocus公司的一款高分辨率和高性能的線陣CMOS相機(jī),，其分辨率為1 024×1 024，滿分辨率下幀頻最大為37 f/s，像素時(shí)鐘為40 MHz,，輸出的數(shù)據(jù)格式為CameraLink base配置,。為降低開發(fā)難度，采用DS90CR288ACameraLink接收芯片對(duì)相機(jī)輸出的4對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)和1對(duì)時(shí)鐘信號(hào),，按照CameraLink協(xié)議編碼的圖像信號(hào)進(jìn)行解析,，將其轉(zhuǎn)換成28位并行數(shù)據(jù)(RxOUT0~RxOUT27)以及1路時(shí)鐘信號(hào)RxCLKOUT。在28位并行數(shù)據(jù)中,，RxOUT0~RxOUT22和RxOUT27為圖像數(shù)據(jù),，RxOUT23~RxOUT26為圖像數(shù)據(jù)同步控制信號(hào)，分別表示行有效(LVAL),、幀有效(FVAL),、數(shù)據(jù)有效(DVAL)和空(Spare)。按照?qǐng)D像數(shù)據(jù)同步控制信號(hào)時(shí)序約束,，F(xiàn)PGA接收邏輯判斷RxOUT0~RxOUT22和RxOUT27上圖像數(shù)據(jù)的有效性,，并進(jìn)行本地存儲(chǔ)。
CameraLink技術(shù)采用LVDS電平傳輸圖像數(shù)據(jù)與時(shí)序控制信號(hào)[7],。為實(shí)現(xiàn)差分傳輸線的最大匹配及降低終端信號(hào)的反射對(duì)信號(hào)完整性的影響,，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需在DS90CR288A的差分對(duì)RxINx±間跨接一個(gè)100 Ω端接電阻,。圖2為CameraLink接口電路原理圖,。
2.2 GTP數(shù)據(jù)傳輸
2.2.1 GTP端口配置
采用Xilinxspant6系列FPGA XC6SLX45T-2FGG484I實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速串行收發(fā)。設(shè)置XC6SLX45T GTP IPcore參考時(shí)鐘為125 MHz,，配置串行數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5 Gb/s,，并行輸入數(shù)據(jù)為16位方式，采用8 B/10 B編碼,，并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘tile0_txusrclk20_i頻率為：
2.2.2 GTP發(fā)送邏輯
本設(shè)計(jì)中,，GTP傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)為CameraLink相機(jī)A口的8位數(shù)據(jù)port_a與4位同步控制信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)GTP端口與圖像輸出端口匹配,，需將圖像輸出端口進(jìn)行擴(kuò)展：tile0_txdata0_i={標(biāo)志位（1位）,、填0（4位）、數(shù)據(jù)有效位（1位）,、幀有效位（1位）,、行有效位（1位）、A口數(shù)據(jù)（8位）}
CameraLink相機(jī)像素時(shí)鐘頻率(camlink_clk_i)為40 MHz,，GTP端口時(shí)鐘頻率為125 MHz,。為滿足時(shí)序匹配，采用如下代碼：
If(camlink_clk_i上升沿)
tile0_txdata0_i<={1'b1,4'b0000,data_valid,fram_valid,row_valid,port_a};
else：
tile0_txdata0_i <= 16'h0000;
在每一幀結(jié)束時(shí)發(fā)送comma字符和charisk信號(hào),。使用Modelsim仿真的發(fā)送端波形如圖3所示,。
由圖3看出,，在幀結(jié)束（fram_valid_i為0）時(shí)，tile0_txdata0_i為16′h84bc,，同時(shí)tile0_txcharisk0_i為8′h01,，之后開始發(fā)送正常相機(jī)數(shù)據(jù)或填充數(shù)據(jù)。
2.2.3 GTP接收邏輯
在接收端,，GTP控制邏輯根據(jù)接收到的comma字符和charisk字符對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù),。若收到數(shù)據(jù)的最高位為“1”，說明數(shù)據(jù)為相機(jī)數(shù)據(jù),；為”0”則表明收到的數(shù)據(jù)為無效填充數(shù)據(jù),。使用Modelsim仿真的接收端波形如圖4所示。
由圖4看出,，當(dāng)tile0_rxcharisk0_i為8′h10,，tile0_rxdata0_i為16′hbc00時(shí)，表示收到了comma字符,，之后收到的為圖像數(shù)據(jù)或填充數(shù)據(jù),，根據(jù)數(shù)據(jù)的最高位即可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的正確接收。
2.3 光電轉(zhuǎn)換模塊
在圖像采集發(fā)送端,，光電轉(zhuǎn)換模塊用以將GTP輸出CML電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),；在圖像接收處理端，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成CML邏輯電平信號(hào),，以便于GTP接收,。
設(shè)計(jì)選用FiberTower公司FPP85192-SRC的SFP+數(shù)字光模塊。該模塊為單模光纖,，采用SFP封裝,，收發(fā)一體，帶寬達(dá)到10.3 Gb/s,，損耗低,，傳輸距離達(dá)到300 m，全金屬外殼屏蔽電磁干擾,，適合近距離圖像信號(hào)傳輸。同時(shí)該模塊支持3G-SDI協(xié)議,，可以與FPGA進(jìn)行無縫連接,。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
搭建桌面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)本文設(shè)計(jì)圖像采集傳輸系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示,。
圖像采集發(fā)送端由MV-D1024E數(shù)字相機(jī),、Cameralink線纜、自行開發(fā)的GTP發(fā)送板構(gòu)成,；圖像接收處理端由GTP接收板,、VGA線,、顯示器組成。
使用Xilinx的ISE軟件的chipscope捕獲GTP發(fā)送波形,，結(jié)果如圖6所示,。
由圖6看出，當(dāng)tile0_txcharisk0_i為1,、tile0_txdata0_i為16′h0cbc時(shí),，數(shù)據(jù)發(fā)送開始。由于在對(duì)tile0_txdata0_i組合時(shí),，有4位填寫的是固定數(shù)據(jù)0,，此4位在chipscope中無顯示，tile0_txdata0_i實(shí)為16′h84bc,。
使用chipscope捕捉GTP接收端波形如圖7所示,。
在圖7中，當(dāng)tile0_rxcharisk0_i為1,、tile0_rxdata0_i為16′h84bc時(shí),，開始接收數(shù)據(jù)。
對(duì)比圖6與圖7可知,，本文設(shè)計(jì)圖像采集與傳輸系統(tǒng)可滿足設(shè)計(jì)需要,。
4 結(jié)論
在工程應(yīng)用中，Cameralink數(shù)據(jù)電纜對(duì)小型化精密APT平臺(tái)的非線性擾動(dòng),，在諸多影響APT跟蹤精度的因素中,，已不再是一個(gè)可忽略的因素。本文采用FPGA采集Cameralink相機(jī)輸出數(shù)據(jù),，并利用GTP技術(shù)實(shí)現(xiàn)APT圖像采集發(fā)送端至遠(yuǎn)程圖像接收處理端的數(shù)據(jù)傳輸,，顯著降低了圖像傳輸所需線纜數(shù)量。單模光纖的使用則進(jìn)一步降低了線纜的重量,，從而減少數(shù)據(jù)傳輸對(duì)APT跟蹤精度的影響,。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可在2.5 Gb/s波特率下實(shí)現(xiàn)Cameralink圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，滿足工程應(yīng)用需要,。
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作者信息：
張 磊,，姜會(huì)林,，宋延嵩，佟首峰
（長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所,，吉林 長(zhǎng)春130022)