引言

高速数据采集系统可对相机采集得到的实时图像进行传输、实时处理，同时实现视频采集卡和计算机之间的通信。系统连接相机的接口用的是Camera Link接口，通过Camera Link接口把实时图像高速传输到FPGA图像采集卡中进行数据实时处理，并通过PCI接口实现采集卡和计算机之间的通信。本文主要研究数据采集系统Camera Link接口技术。

Camera Link是专门为数字摄像机的数据传输提出的接口标准，是2000年10月由一些摄像头供应商和图像采集公司联合推出的。Camera Link标准简化了计算机和摄像头之间的连接。本设计选用Dalsa公司的DS2102M30相机，该相机支持Camera Link接口。相机数据通过Camera Link接口传输到一块Altera公司的FPGA StratixII中进行处理。在FPGA中进行数据的高速缓存，可以在FPGA中设计各种图像处理程序对图像进行实时处理。

1 DS2102M30相机简介

DS2102M30相机可提供高灵敏度的8/10位图像。为了同时获得卓越的分辨率和灰度级，DS2102M30相机图像分辨率为1 600 ×1 200，像素尺寸为7.4 μm×7.4 μm，像素数据输出时钟为40 MHz，最高帧频可达60 帧/s。通过设定像素数据格式命令，可以设定像素数据为8位、10位。功耗低于15 W，供电电源电压为12～25 V。

通过异步串口向DS2102M30相机发送ASCII码控制命令和诊断命令，可以控制相机输出图像的增益、补偿、帧频、曝光时间、曝光模式和测试图像的输出，还可以对相机进行诊断。串口协议：1位开始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位；通信波特率为9 600 bps （相机默认），通过设定波特率命令可将其设定为19 200 bps、57 600 bps和115 200 bps。

DS2102M30相机共有4种曝光模式，可以通过设定曝光模式命令来为相机选择合适的曝光模式。

模式2：内部触发方式（相机的默认曝光模式）。

帧频和曝光时间可用相应的命令控制。

模式3：最大曝光时间的外部触发方式。

模式4：外部触发方式。帧频和曝光时间都由外部触发信号控制, 即外部触发信号的高电平阶段为曝光时间，外部触发信号的频率为帧频。

模式6：外部触发方式控制帧频，曝光时间可用相应内部命令控制。

DS2102M30相机的命令以ASCII 码的形式发送。向相机发送命令时，以回车符作为结束。相机上电后，相机背后的指示灯闪烁，同时通过串口发送“Camera Initialization in process, Please Wait …OK> ”字符串。当收到“OK>”字符串时，表明相机要开始传送图像数据，相机背后的指示灯不再闪烁。当相机收到有效的命令时，会返回“OK>”字符串作为应答；否则，返回“Error x：Error Massage>”字符串作为应答。其中，x 为错误标号, Error Massage 表示对错误的具体说明。相机的应答字符串以符号“>”作为结束符。

2 Camera Link结构与原理

Camera Link是专门为数字摄像机的数据传输提出的接口标准，专为数字相机制定的一种图像数据、视频数据控制信号及相机控制信号传输的总线接口，数据传输速率最高可达2.38 Gbps。该标准规定了接口模式、相机信号、端口配置、图像数据位配置、连接器引脚定义及连接线、标准接收器芯片组。采用这种标准后,使得数字摄像机的数据接口输出采用更少的线数，连接电缆更容易制造，更具有通用性，而且

数据的传输距离比普通传输方式更远。其最主要的特点是采用了LVDS （Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号）技术，使摄像机的数据传输速率大大提高。

在Camera Link标准出现之前，业界有一些标准（如较流行的IEEE—1394接口）作为一种数据传输的技术标准。IEEE—1394被应用到众多的领域，数字相机、摄像机等数字成像领域也有很广泛的应用。IEEE—1394接口具有廉价，速度快，支持热拔插，数据传输速率可扩展，标准开放等特点。但随着数字图像采集速度的提高、数据量的增大，原有的标准已无法满足需求。

为了简化数据的连接，实现高速、高精度、灵活、简单的连接，在National Semiconductor 公司开发的Channel Link 总线技术基础上，由多家相机制造商共同制定推出了Camera Link标准。

基于Camera Link的数字相机的采集速度和数据量均好于基于IEEE—1394标准。

Camera Link是一种基于物理层的LVDS 的平面显示解决方案。图1为Camera Link总线发送端与接收端的连接框图，也是该总线的基本模式。总线发送端，将28位并行数据转换为4对LVDS 串行差分数据传送出去，还有一对LVDS 串行差分数据线用来传输图像数据输出同步时钟；而总线接收端，将串行差分数据转换成28 位并行数据，同时转换出同步时钟。这样不但减少了

传输线的使用量，而且由于采用串行差分传输方式，还减少了传输过程中的电磁干扰。

图1 Camera Link总线基本模式

Camera Link信号分为4类：

① 电源信号。由DS2102M30相机专用电缆提供。

② 高速相机控制信号。4组低压差分信号（LVDS）——相机控制信号1 （CC1）、相机控制信号2（CC2）、相机控制信号3 （CC3）和相机控制信号4（CC4），分别是外部同步信号（EXSYNC）、重置信号（PRIN）、向前信号（FORWARD）和保留信号（Future Use）。DS2102M30相机控制信号只用到CC1，其他信号保留。

③ 低速串行通信信号。

SerialToFrameGrabber（SerTFG）为相机向图像采集系统发送的LVDS 数据；

SerialToCamera（SerTC）为图像采集系统向相机发送的LVDS 数据。

④ 高速图像数据控制信号。FVAL、LVAL、DVAL和Spare分别是帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号。

Camera Link接口最多可以使用8个端口（ Port A～Port H） 传输数据, 每个端口为8 位数据。端口的分配有3种模式：基本模式（Base）、中间模式（Medium）、完整模式（Full），如表1所列。

表1 端口分配模式

3 高速数据采集卡Camera Link接口设计

高速数据采集系统的基本框图如图2所示。FPGA给相机发出控制信号，相机中的数据通过Camera Link接口

传送到图像采集卡；数据由FPGA读入，缓存在SDRAM中。可以在FPGA中根据用户的需求实现高速的图像处理，

根据图像处理的结果可以由FPGA完成用户所需的控制。图像采集卡通过PCI接口和计算机相连接，通过

图2 高速数据采集系统基本框图

计算机可以配置图像采集卡和相机，计算机也可以从采集卡中获得图像处理数据。接下来详细研究FPGA和相机间的Camera Link接口技术。

3.1 DS2102M30相机的Camera Link接口

Camera Link 总线标准规定： 在完整模式下，最多可以使用8个端口（ Port A～Port H） 传输数据，每个端口为8 位数据。DS2102M30相机使用Port A～Port C 端口，用的是基本模式（Base）。相机后端有一个MDR26连接口，分别对应A、B、C三个端口各8位数据，加上FVAL、LVAL、DVAL和SP四位数据控制信号，共28位并行数据位。

3.2 Camera Link接口

的硬件设计

Camera Link的硬件连接框图如图3所示。硬件电路包括3部分：相机通过MDR26连接图像采集卡；Camera Link接口的LVDS信号和CMOS信号转换电路；FPGA接收相机数据和发送控制部分。

图3 Camera Link的硬件连接框图

Camera Link总线接收器选用National Semiconductor公司的Camera Link总线接收器芯片DS90CR288A。该芯片输入时钟范围为20～85 MHz，3.3 V电源电压。DS90CR288A芯片将相机输出的5对差分信号（X0+,X0）、（X1+,X1-）、（X2+,X2）、（X3+,X3）、（Xclk+,Xclk），转换为24位图像数据（DATA0~DATA23）、FVAL信号、LVAL信号、DVAL信号、Spare信号，以及相机图像数据输出时钟信号（CLKOUT信号）。这些信号输入到FPGA中，在SDRAM中进行数据缓存。在FPGA中可以设计图像处理算法对图像进行实时处理。Camera Link总线标准规定,使用的连接器是26个引脚的MDR26,连接线使用的型号是14X26SZLBXXX0LC。DS2102M30相机连接器和图像采集卡连接器的引脚定义如表2所列。

为了对相机进行外部触发方式控制以及向相机发送命令，用四通道CMOS信号转换为LVDS差分信号的芯片DS90LV047作为图像采集卡，向相机发送外同步触发信号和转换命令。由于DS2102M30相机只用到CC1，FPGA构成的图像采集卡，对相机的控制通过CC1和SerTC信号实现。为了接收相机向图像处理系统发送的应答字符串,选用DS90LV048芯片作为图像处理系统接收器。DS90LV048芯片是四通道LVDS差分信号转换为CMOS信号的驱动器。

表2 相机连接器和采集卡连接器的引脚定义

4 总结

基于FPGA的高速图像采集系统，通过Camera Link接口和相机连接；从相机获得高分辨率的实时图像，并传输到FPGA中进行实时图像处理并输出。本文结合DS2102M30相机的基本功能，详细研究了Camera Link接口技术，并给出了相机和高速图像采集卡之间Camera Link接口设计，为正在研制的实时高速图像采集卡奠定了基础。