CN102111600A - 一种用于CameraLink相机的高速图像记录仪 - Google Patents
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本发明涉及图像数字信号处理技术领域，尤其涉及一种用于CameraLink相机的高速图像记录仪。本发明包括高速图像数据接收转换模块，由1块高速图像数据接收转换子板构成；硬盘存储控制模块，由4块硬盘存储控制子板构成；硬盘阵列模块，由16块SSD固态硬盘或者普通硬盘组成，用于存储图像数据。本发明不仅可以替代传统的基于PC机的CameraLink图像数据采集卡来获取并存储CameraLinkBase型相机和Medium型相机的图像数据，还能完成高速CameraLinkFull相机所输出图像数据的捕获、显示和存储。
Description
技术领域
本发明涉及图像数字信号处理技术领域，尤其涉及一种用于CameraLink相机的大容量高速数字图像数据记录设备。
背景技术
CameraLink标准打破了相机公司和采集卡公司各自为政的格局，采用了统一的物理接插件和线缆定义，规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，其包含Base、Medium、Full三个规范，从而满足不同工业应用场合的需要。以德国Mikrotron公司的高速CameraLink Full相机MC1310为例，当所拍摄的图像分辨率为1280*1024，图像像元的灰阶位深为10bits时，其每秒钟可以最高拍摄500帧图像，因此工程师们将该类相机广泛地应用到PIV、落点测试、飞行物姿态测量等对高速运动物体的研究活动中。针对上述需求，工程师们除了需要具有高速的CameraLink相机，还需要具备高速相机图像长时间记录系统，用于将CameraLink相机拍摄的图像记录下来，便于以后的数据回放、分析，从而进行进一步的科学研究。
传统的针对普通速率的CameraLink相机的图像采集系统主要由高性能的计算机和CameraLink图像采集卡构成，CameraLink图像采集卡用于捕获相机输出的图像数据，并通过计算机的PCI或者PCIE总线将相机输出的图像数据传输到高性能计算机的内存中，高性能计算机则在操作系统的控制下将内存中的图像数据保存在磁盘或磁盘阵列中。然而，由于受到计算机总线带宽的局限，这种传统的图像采集系统根本不可能完成图像数据输出率高达1250MB/s（1280*1024*500*2）的高速CameraLink Full相机的图像采集和存储。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种适用于CameraLink相机的大容量高速数字图像数据记录设备，该设备利用大规模可编程器件直接构造了专用硬盘阵列控制电路，彻底摆托了计算机总线带宽的束缚，从而实现了图像数据输出率高达1250MB/s（1280*1024*500*2）的高速CameraLink Full相机的图像采集与存储。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
高速图像数据接收转换模块，由1块高速图像数据接收转换子板构成；
硬盘存储控制模块，由4块硬盘存储控制子板构成；
硬盘阵列模块，由16块SSD固态硬盘或者普通硬盘组成，用于存储图像数据；
其中，所述高速图像数据接收转换模块和所述硬盘存储控制模块通过并行I/O接口和SATA接口进行通信与数据交换；
所述硬盘存储控制子板和所述硬盘阵列模块通过SATA接口进行通信和数据交换。
当记录仪工作在图像记录模式下时，
高速图像数据接收转换模块负责接收相机输出的图像数据，并将接收到的相机图像数据转发给硬盘存储控制模块和高速图像数据接收转换模块的CameraLink数据输出接口；
硬盘存储控制模块将接收到的图像数据存储到硬盘阵列模块中；
当系统工作在图像回放模式下时，
高速图像数据接收转换模块负责接收硬盘存储控制模块输出的图像回放数据，并通过USB2.0口或CameraLink数据输出接口上传到计算机；
硬盘存储控制模块将从硬盘阵列模块中读取的数据传送到高速图像数据接收转换模块。
所述高速图像数据接收转换子板主要由大规模可编程逻辑器件FPGA、配置芯片、CameraLink Full模式数据输入电路、CameraLink Full模式数据输出电路、USB2.0数据传输电路、并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路组成。
所述硬盘存储控制子板主要由大规模可编程逻辑器件FPGA、配置芯片、并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路、SATA数据存储读取电路、SDRAM数据缓存电路组成。
所述大规模可编程器件FPGA选用Altera公司的FPGA器件EP2GX60，通过构造逻辑电路实现与CameraLink Full模式数据输入电路、CameraLink Full模式数据输出电路、USB2.0数据传输电路、并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路之间进行数据交换；
所述配置芯片选用Altera公司的专用配置器件EPCS64，在初始上电时完成FPGA程序的加载。
所述CameraLink Full模式数据输入电路，主要由DS90CR288、DS90LV047、DS90LV017、DS90LV018芯片构成，其中芯片DS90CR288用于将接收到的CameraLink相机输出的串行LVDS信号转换为并行的LVTTL数据信号；芯片DS90LV047、DS90LV017、DS90LV018用于控制信号的发送和接收。
所述CameraLink Full模式数据输出电路，主要由DS90CR287、DS90LV048、DS90LV018、DS90LV017芯片构成，其中芯片DS90CR287用于将待转发的并行的LVTTL数据信号转换为串行LVDS信号，并输出到安装了普通CameraLink图像采集卡的高性能计算机中，以便于相机图像的实时显示；芯片DS90LV048、DS90LV018、DS90LV017则用于控制信号的接收和发送。
所述USB2.0数据传输电路主要由CY7C68013芯片构成；
所述并行IO通信电路主要由芯片SN74LVTH16245构成，完成高速图像数据接收转换模块和硬盘存储控制模块之间的命令交互；
所述RAPIDIO数据传输电路主要由大规模可编程器件FPGA内部构造的RAPIDIO数据传输逻辑功能电路和SATA接口构成。
所述大规模可编程器件FPGA选用Altera公司的FPGA器件EP2GX60，通过构造逻辑电路实现与并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路、SATA数据存储读取电路、SDRAM数据缓存电路之间进行数据交换；
所述配置芯片选用Altera公司的专用配置器件EPCS64，在初始上电时完成FPGA程序的加载。
所述并行IO通信电路主要由芯片SN74LVTH16245构成，完成高速图像数据接收转换模块和硬盘存储控制模块之间的命令交互；
所述RAPIDIO数据传输电路主要由大规模可编程器件FPGA内部构造的RAPIDIO数据传输逻辑功能电路和SATA接口构成；
所述SATA数据存储读取电路主要由大规模可编程器件FPGA内部构造的SATA硬盘控制逻辑功能电路和SATA接口构成。
所述SDRAM数据缓存电路主要由4片SDRAM芯片MT48LC32M16构成，用于缓存待存储的图像数据。
本发明具有以下优点和积极效果：
1）本发明可以替代传统的基于PC 机的CameraLink图像数据采集卡来获取并存储CameraLink Base型相机和Medium型相机的图像数据；
2）本发明能完成高速CameraLink Full相机所输出图像数据的捕获、显示和存储。
附图说明
图1是本发明提供的用于CameraLink相机的高速图像记录仪系统框图。
图2是本发明提供的用于CameraLink相机的高速图像记录仪内部结构图。
图3是本发明中高速图像数据接收转换子板电路原理框图。
图4是本发明中硬盘存储控制子板电路原理框图。
具体实施方式
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：
参见图1，本发明提供的高速图像记录仪有两种工作模式：图像记录模式和图像回放模式，可适用于任一类型（Base、Medium、Full）的CameraLink相机图像数据的捕获、显示和回放。
在图像记录模式下，高速图像记录仪通过CameraLink Full模式输入接口接收CameraLink相机发送的图像数据，并将图像数据保存到高速图像记录仪内部的硬盘阵列模块中。与此同时，高速图像记录仪既可通过USB2.0接口和高性能计算机进行数据交换，也可通过其CameraLink数据输出接口和安装了标准CameraLink图像采集卡的高性能计算机进行图像数据的交换，从而实现相机图像的实时显示。
在图像回放模式下，高速图像记录仪读取存储在高速图像记录仪内部的硬盘阵列模块中的图像数据，既可通过USB2.0接口和高性能计算机进行数据交换，也可通过其CameraLink数据输出接口和安装了标准CameraLink图像采集卡的高性能计算机进行图像数据的交换，从而实现相机图像的回放显示。
为了实现上述功能，高速图像记录仪的内部结构如图2所示，其由如下3个部件组成：高速图像数据接收转换模块201、硬盘存储控制模块202、硬盘阵列模块203。
高速图像数据接收转换模块201由1块高速图像数据接收转换子板204构成；
硬盘存储控制模块202由4块硬盘存储控制子板205、206、207、208构成；
硬盘阵列模块203，由16块SSD固态硬盘或者普通硬盘组成，用于存储图像数据。
图2中各电路板之间的连接关系如下：
高速图像数据接收转换子板204和硬盘存储控制子板205、206、207、208分别通过各自的并行I/O和SATA接口进行通信和数据交换。
硬盘存储控制子板205、206、207、208和硬盘阵列模块通过SATA接口进行通信和数据交换。
图3是本发明中高速图像数据接收转换子板电路原理框图，内部电路由大规模可编程器件FPGA301、配置芯片302、CameraLink Full模式输入303、CameraLink Full模式输出304、USB2.0接口305、并行IO通信306、RAPIDIO数据传输307构成。
大规模可编程器件FPGA301选用Altera公司的FPGA器件EP2GX60，通过构造逻辑电路实现与CameraLink Full模式输入303、CameraLink Full模式输出304、USB2.0接口305、并行IO通信306、RAPIDIO数据传输307之间进行数据交换。
配置芯片302选用Altera公司的专用配置器件EPCS64，在初始上电时完成FPGA程序的加载。
CameraLink Full模式输入303主要由DS90CR288、DS90LV047、DS90LV017、DS90LV018芯片构成，其中芯片DS90CR288用于将接收到的CameraLink相机输出的串行LVDS信号转换为并行的LVTTL数据信号；芯片DS90LV047、DS90LV017、DS90LV018则用于控制信号的发送和接收。
CameraLink Full模式输出304主要由DS90CR287、DS90LV048、DS90LV018、DS90LV017芯片构成，其中芯片DS90CR287用于将待转发的并行的LVTTL数据信号转换为串行LVDS信号，并输出到安装了普通CameraLink图像采集卡的高性能计算机中，以便于相机图像的实时显示；芯片DS90LV048、DS90LV018、DS90LV017则用于控制信号的接收和发送。
USB接口模块305，一方面将接收高性能计算机通过USB2.0端口发送的控制命令，传送给FPGA301，另一方面则将需要显示的图像抽样后通过USB2.0端口传输到高性能的计算机以用于图像的显示。其主要由CY7C68013芯片构成。
并行IO通信306主要由芯片SN74LVTH16245构成，其主要完成高速图像数据接收转换模块201和硬盘存储控制模块202之间的命令交互。
RAPIDIO数据传输307主要由大规模可编程器件FPGA301内部构造的RAPIDIO数据传输逻辑功能电路和SATA接口构成，从而实现在图像记录模式和回放模式下，高速图像数据接收转换子板204和硬盘存储控制子板205、206、207、208之间进行相机图像数据的交换。
图4是本发明中硬盘存储控制子板电路原理框图，内部电路由大规模可编程器件FPGA401、配置芯片402、并行IO通信403、RAPIDIO数据传输404、SATA数据存储读取405、SDRAM数据缓存电路406构成。
大规模可编程器件FPGA401选用Altera公司的FPGA器件EP2GX60，通过构造逻辑电路实现与并行IO通信403、RAPIDIO数据传输404、SATA数据存储读取405、SDRAM数据缓存电路406之间进行数据交换。
配置芯片402选用Altera公司的专用配置器件EPCS64，在初始上电时完成FPGA程序的加载。
并行IO通信403主要由芯片SN74LVTH16245构成，其主要完成高速图像数据接收转换模块201和硬盘存储控制模块202之间的命令交互。
RAPIDIO数据传输404主要由大规模可编程器件FPGA401内部构造的RAPIDIO数据传输逻辑功能电路和SATA接口构成，从而实现在图像记录模式和回放模式下，硬盘存储控制子板205、206、207、208和高速图像数据接收转换子板204之间进行相机图像数据的交换。
SATA数据存储读取405主要由大规模可编程器件FPGA401内部构造的SATA硬盘控制逻辑功能电路和SATA接口构成，从而在图像记录模式下将所需的相机图像数据存储到硬盘阵列模块中，或者在图像回放模式下将所需的相机图像数据从硬盘整列模块中读取。
SDRAM数据缓存电路主要由4片SDRAM芯片MT48LC32M16构成，用于缓存待存储的图像数据，为了提高系统的工作效率，在大规模可编程器件FPGA401的控制下，4片MT48LC32M16芯片以乒乓机制进行工作，从而保证了数据读写操作的同时进行。
实施例
假设在某些应用场合，德国Mikrotron公司的高速CameraLink Full相机MC1310工作在下列模式：图像分辨率为1280*1024，图像像元的灰阶位深为10bits时，每秒钟可以最高拍摄500帧图像。为了实现拍摄图像的实时显示和数据存储，可通过2跟CameraLink线缆连接高速数字图像数据记录设备和CameraLink Full相机，1跟USB2.0线缆连接高速数字图像数据记录设备和高性能计算机。当系统工作在图像记录模式下时，高性能计算机通过USB2.0接口发送实时显示与存储的命令，高速数字图像数据记录设备一方面将接收到的相机图像数据存储在其内部的硬盘阵列中，一方面通过USB2.0接口将抽样后的图像数据上传到高性能的计算机，从而完成相机图像的抽样显示。当系统工作在图像回放模式下时，高性能计算机通过USB2.0接口发送回放的命令，高速数字图像数据记录设备通过USB2.0接口将存储的完整图像数据上传到高性能的计算机，从而完成相机图像的回放分析处理。
若高性能计算机上已经安装了CameraLink图像采集卡，还可多加2跟CameraLink线缆用于连接高速数字图像数据记录设备和CameraLink图像采集卡，以利用高速数字图像数据记录设备中的专用CameraLink数据输出通道（替代USB2.0通道）完成高速图像记录设备和高性能计算机之间的图像数据交换，从而大大提高了图像回放模式下高速图像记录设备中所存储的图像数据上传到高性能计算机的效率。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于，包括：
–高速图像数据接收转换模块，由1块高速图像数据接收转换子板构成；
–硬盘存储控制模块，由4块硬盘存储控制子板构成；
–硬盘阵列模块，由16块SSD固态硬盘或者普通硬盘组成，用于存储图像数据；
其中，所述高速图像数据接收转换模块和所述硬盘存储控制模块通过并行I/O接口和SATA接口进行通信与数据交换；
所述硬盘存储控制子板和所述硬盘阵列模块通过SATA接口进行通信和数据交换。
2.根据权利要求1所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
当记录仪工作在图像记录模式下时，
高速图像数据接收转换模块负责接收相机输出的图像数据，并将接收到的相机图像数据转发给硬盘存储控制模块和高速图像数据接收转换模块的CameraLink数据输出接口；
硬盘存储控制模块将接收到的图像数据存储到硬盘阵列模块中；
当系统工作在图像回放模式下时，
高速图像数据接收转换模块负责接收硬盘存储控制模块输出的图像回放数据，并通过USB2.0口或CameraLink数据输出接口上传到计算机；
硬盘存储控制模块将从硬盘阵列模块中读取的数据传送到高速图像数据接收转换模块。
3.根据权利要求1或2所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述高速图像数据接收转换子板主要由大规模可编程逻辑器件FPGA、配置芯片、CameraLink Full模式数据输入电路、CameraLink Full模式数据输出电路、USB2.0数据传输电路、并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路组成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述硬盘存储控制子板主要由大规模可编程逻辑器件FPGA、配置芯片、并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路、SATA数据存储读取电路、SDRAM数据缓存电路组成。
5.根据权利要求3所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述大规模可编程器件FPGA选用Altera公司的FPGA器件EP2GX60，通过构造逻辑电路实现与CameraLink Full模式数据输入电路、CameraLink Full模式数据输出电路、USB2.0数据传输电路、并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路之间进行数据交换；
所述配置芯片选用Altera公司的专用配置器件EPCS64，在初始上电时完成FPGA程序的加载。
6.根据权利要求3所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述CameraLink Full模式数据输入电路，主要由DS90CR288、DS90LV047、DS90LV017、DS90LV018芯片构成，其中芯片DS90CR288用于将接收到的CameraLink相机输出的串行LVDS信号转换为并行的LVTTL数据信号；芯片DS90LV047、DS90LV017、DS90LV018用于控制信号的发送和接收。
7.根据权利要求3所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述CameraLink Full模式数据输出电路，主要由DS90CR287、DS90LV048、DS90LV018、DS90LV017芯片构成，其中芯片DS90CR287用于将待转发的并行的LVTTL数据信号转换为串行LVDS信号，并输出到安装了普通CameraLink图像采集卡的高性能计算机中，以便于相机图像的实时显示；芯片DS90LV048、DS90LV018、DS90LV017则用于控制信号的接收和发送。
8.根据权利要求3所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述USB2.0数据传输电路主要由CY7C68013芯片构成；
所述并行IO通信电路主要由芯片SN74LVTH16245构成，完成高速图像数据接收转换模块和硬盘存储控制模块之间的命令交互；
所述RAPIDIO数据传输电路主要由大规模可编程器件FPGA内部构造的RAPIDIO数据传输逻辑功能电路和SATA接口构成。
9.根据权利要求4所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述大规模可编程器件FPGA选用Altera公司的FPGA器件EP2GX60，通过构造逻辑电路实现与并行IO通信电路、RAPIDIO数据传输电路、SATA数据存储读取电路、SDRAM数据缓存电路之间进行数据交换；
所述配置芯片选用Altera公司的专用配置器件EPCS64，在初始上电时完成FPGA程序的加载。
10.根据权利要求4所述的用于CameraLink相机的高速图像记录仪，其特征在于：
所述并行IO通信电路主要由芯片SN74LVTH16245构成，完成高速图像数据接收转换模块和硬盘存储控制模块之间的命令交互；
所述RAPIDIO数据传输电路主要由大规模可编程器件FPGA内部构造的RAPIDIO数据传输逻辑功能电路和SATA接口构成；
所述SATA数据存储读取电路主要由大规模可编程器件FPGA内部构造的SATA硬盘控制逻辑功能电路和SATA接口构成；
所述SDRAM数据缓存电路主要由4片SDRAM芯片MT48LC32M16构成，用于缓存待存储的图像数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110629 |