關(guān)于基于GTP的Cameralink圖像采集傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)

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，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APT平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。本文針對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APT平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的非線性擾動(dòng)，提高目標(biāo)角度測量精度。

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接收芯片對相機(jī)輸出的4對差分?jǐn)?shù)據(jù)和1對時(shí)鐘信號，按照CameraLink協(xié)議編碼的圖像信號進(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，分別表示行有效(LVAL)、幀有效(FVAL)、數(shù)據(jù)有效(DVAL)和空(Spare)。按照圖像數(shù)據(jù)同步控制信號時(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[7]。為實(shí)現(xiàn)差分傳輸線的最大匹配及降低終端信號的反射對信號完整性的影響，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需在DS90CR288A的差分對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。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：

在每一幀結(jié)束時(shí)發(fā)送comma字符和charisk信號。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電平信號轉(zhuǎn)換成光信號；在圖像接收處理端，則將光信號轉(zhuǎn)換成CML邏輯電平信號，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。