CN104660989A - 一种基于FPGA的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机 - Google Patents
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Abstract
一种基于FPGA的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，该光端机实现光纤实时图像输入至高带宽(85MHz)、高可靠性的全配置型(Full)Camera link实时图像输出的转换功能，且具备全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)Camera link实时图像输出的自适应配置功能、Camera link输出工作频率的自适应功能，并实现Camera link的串口数据、时序同步控制信号输入至光纤数据流输出的转换功能，扩展了Camera link的串口、时序控制信号的通讯距离；设计提供了SFP光纤模块的灵活配置，传输距离从500米至120千米，提高了Camera link实时图像传输的稳定性和可靠性，增强了Camera link实时图像传输的抗电磁干扰能力，满足多种工程应用场合的需求。
Description
技术领域
本发明涉及高带宽(85MHz)、高可靠性的全配置型(Full)Camera link实时图像远距离传输，尤其涉及基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的Cameralink高速实时图像远距离传输实现。
背景技术
在传统的Camera link图像传输系统中，设备之间的传输介质都是采用Camera link线缆进行直接连接的，由于Camera link线缆的抗干扰性差，传输距离短(小于10米)，未能满足远距离传输。近年来，随着光纤互联传输技术的发展，逐渐出现了基于光纤传输的基本型(Base)Camera link图像光端机，但是仅能实现基本型(Base)Camera link图像传输，且传输距离短(约300米)，未能满足工程需要的中等配置(Medium)、全配置(Full)、高带宽(85MHz)的Camera link实时图像远距离传输，未能满足更远距离(100千米及以上)的传输需求。
本发明采用FPGA的高速信号处理性能、高速串行传输RocketIO IP核等资源优势，设计出一套光纤转Camera link装置，SFP光纤互联传输装置，解决了高带宽(85MHz)、光纤转全配置型Camera link的技术难点，突破了远距离(120千米)传输的局限，并且实现了光纤数据流与Camera link串口数据、时序控制信号的互转换，实现Camera link串口、时序同步控制信号的远距离互联通讯。同时，本发明的光端机可配置SFP光纤模块，提供单模或者多模光纤模块的灵活配置，满足多种工程应用场合的需求。
发明内容
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于FPGA的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于包括：光纤转Camera link装置(1)和SFP光纤互联传输装置(2)；光纤转Camera link装置(1)完成光纤实时图像输入至Camera link实时图像输出的转换，SFP光纤互联传输装置(2)通过光纤线缆与远端的Camera link转光纤装置进行连接；光纤转Camera link装置(1)实时接收SFP光纤互联传输装置(2)输入的光纤数据流，光纤转Camera link装置(1)完成光纤数据流解析并转换为Camera link的串口数据输出；光纤转Camera link装置(1)完成串口数据、时序控制信号的采集并转换成光纤数据流输出；其光纤转全配置型Camera link实时图像光端机的特征在于自适应光纤实时图像的数据格式，自适应配置输出Camera link的全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)的工作模式，无需人工干预，自适应Cameralink输出的工作频率，满足全配置型Camera link的最高配置频率(85MHz)输出。
光纤转Camera link装置(1)，其特征在于包括：数据串/并转换模块(11)、LED指示灯(110)、Camera link数据调制模块(111、112、113)、Camera link基本配置(Base)输出接口模块(114)、Camera link全配置(Full)输出接口模块(115)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)、Camera link图像重构输出模块(15)、时钟芯片(16)、时钟管理模块(161)、FPGA芯片(18)、EEPROM程序存储芯片(181)。
数据串/并转换模块(11)，其特征在于：完成光纤串行数据流至16位并行数据的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIO IP核作为数据串/并转换模块。
LED指示灯(110)，其特征在于：由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示光纤转Camera link装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示Camera link实时图像输出正常，绿色LED灯亮则指示光纤转Cameralink装置的SFP光纤互联连接正常。
Camera link数据调制模块(111、112、113)，其特征在于：满足Camera link的全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)的数据调制，每一个模块均由DS90CR287芯片完成数据调制，数据调制模块(111)对应Camera link格式的X分量数据，数据调制模块(112)对应Camera link格式的Y分量数据，数据调制模块(113)对应Camera link格式的Z分量数据，调制的数据均输出给Camera link基本配置(Base)输出接口模块(114)和Cameralink全配置(Full)输出接口模块(115)。
Camera link基本配置(Base)输出接口模块(114)、Camera link全配置(Full)输出接口模块(115)，其特征在于：满足Camera link接口的全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)输出。
数据包解析模块(12)，其特征在于：根据包首和包尾的特殊字符，完成从光纤数据流中实时接收并解析出图像数据包，剔除掉包首和包尾标志后，将获得的实时图像数据送至下一级处理。
串口数据解析/采集模块(121)，其特征在于：实时接收光纤数据流并解析出Camera link中的串口数据(下行)；同时，实时采集Camera link采集卡输入的串口数据并转换为光纤数据流发送输出(上行)；串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，以严格区分图像数据包，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示。
图像帧解析模块(13)，其特征在于：从数据包解析模块(12)获得的实时图像数据流中，实时检测帧首特殊字符和帧尾特殊字符；当检测到帧首特殊字符时，标志着重构一帧Camera link图像的起始，当检测到帧尾特殊字符时，标志着重构一帧Camera link图像的结束，并将接收得到的像素个数/行，行数/帧信息送给Camera link图像重构输出模块(15)，以完成图像帧的数据解析。
48位转64位数据汇集缓存模块(14)，其特征在于：将接收得到的3个16位光纤通道数据汇集为48位数据，再将这48位数据写入到一个写数据宽度为48位、深度为4K、读数据宽度为192位的FIFO缓存空间；根据Camera link图像重构输出模块(15)的控制信号，再将这192位数据分成3个64位数据逐一输出给Camera link接口，完成48位转64位数据的汇集缓存。
Camera link图像重构输出模块(15)，其特征在于：根据图像帧解析模块(13)获得的图像帧起始标志、像素个数/行、行数/帧的信息,开始重构Camera link图像的第一行数据；当重构输出完第一行时，判断是否已经达到最后一行？若不是最后一行，则继续重构行输出；当重构行输出达到行数/帧时，结束Camera link重构输出，继续等待下一帧图像的到来。
时钟芯片(16)，其特征在于：设计采用IDT5V9885时钟芯片产生高精度的125MHz时钟，输出至时钟管理模块(161)。
时钟管理模块(161)，其特征在于：设计采用DCM时钟管理器，完成为数据串/并转换模块(11)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)提供高精度的125MHz时钟；为Camera link图像重构输出模块(15)提供高精度的85MHz时钟。
FPGA芯片(18)，其特征在于：设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成数据串/并转换模块(11)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)、Camera link图像重构输出模块(15)、时钟管理模块(16)的设计。
EEPROM程序存储芯片(181)，其特征在于：设计采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存储芯片，该芯片完成FPGA程序的存储和上电自动加载。
SFP光纤互联传输装置(2)，其特征在于包括：SFP光纤互联通道1(21)、SFP光纤互联通道2(22)、SFP光纤互联通道3(23)；光纤转Camera link装置的SFP光纤互联通道分别与Camera link转光纤装置的SFP光纤互联通道进行一一对应互联。
SFP光纤互联传输装置(2)，其特征在于：SFP光纤互联通道采用标准的SFP光纤模块，SFP光纤模块的传输速率为3.125Gb/s，SFP光纤模块能接插SFP多模光纤模块或者SFP单模光纤模块；SFP多模光纤模块传输距离为500米，传输波长为850nm；SFP单模光纤模块传输距离为120千米，传输波长为1470nm--1610nm。
本发明能够获得的技术效果为：
1、本发明实现光纤实时图像输入至全配置型Camera link实时图像输出的转换功能，实现全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)Camera link实时图像输出的自适应配置功能，实现Camera link输出工作频率的自适应功能，提高了Camera link实时图像光端机的性能。
2、本发明实现Camera link串口数据、时序控制信号输入至光纤数据流输出的转换功能，实现Camera link串口、时序控制的远距离通讯功能。
3、本发明实现高带宽(85MHz)、全配置型Camera link实时图像的远距离传输，突破了光纤转全配置型Camera link的技术难点。
4、本发明实现SFP光纤模块的灵活配置(多模或者单模)，传输距离从500米至120千米，扩展了光纤转Camera link实时图像光端机的应用场合。
5、本发明采用光纤作为传输介质，简化现有设备之间的配线复杂性，增强系统的抗电磁干扰能力，提高全配置型Camera link实时图像传输的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是光纤转Camera link装置的结构原理框图；
图2是光纤传输协议的特殊字符和K字符类型；
附图标记说明如下：
1--光纤转Camera link装置，
11--数据串/并转换模块，
110--LED指示灯，
111--Camera link数据调制模块1，
112--Camera link数据调制模块2，
113--Camera link数据调制模块3，
114--Camera link基本配置(Base)输出接口模块，
115--Camera link全配置(Full)输出接口模块，
12--数据包解析模块，
121--串口数据解析/采集模块，
13--图像帧解析模块，
14--48位转64位数据汇集缓存模块，
15--Camera link图像重构输出模块，
16--时钟芯片，
161--时钟管理模块，
18--FPGA芯片，
181--EEPROM程序存储芯片，
2--SFP光纤互联传输装置，
21--SFP光纤互联通道1，
22--SFP光纤互联通道2，
23--SFP光纤互联通道3。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明。
本发明采用附图1的光纤转Camera link装置(1)、SFP光纤互联传输装置(2)，搭建了光纤转全配置型Camera link实时图像光端机的应用实例。
SFP光纤互联传输装置(2)的SFP光纤互联通道1(21)通过光纤线缆与Camera link转光纤装置的SFP光纤互联通道1进行互联；SFP光纤互联通道2(22)通过光纤线缆与Camera link转光纤装置的SFP光纤互联通道2进行互联；SFP光纤互联通道3(23)通过光纤线缆与Camera link转光纤装置的SFP光纤互联通道3进行互联。
光纤转Camera link装置(1)的基本配置(Base)输出接口模块(114)与Camera link采集卡的基本配置(Base)输入接口连接；光纤转Camera link装置(1)的全配置(Full)输出接口模块(115)与Camera link采集卡的全配置(Full)输入接口连接。
当光纤转Camera link装置(1)和SFP光纤互联传输装置(2)开启电工作后，LED指示灯(110)的红色LED灯是按固定频率闪烁，则说明光纤转Camera link装置(1)程序启动正常；当SFP光纤互联传输装置(2)通过光纤线缆与Camera link转光纤装置进行互联连接后，LED指示灯(110)的绿色LED灯是一直亮，则说明光纤转Camera link装置(1)和Camera link转光纤装置的光纤互联连接正常；当光纤转Camera link装置(1)接收光纤实时图像并重构输出Camera link实时图像时，LED指示灯(110)的黄色LED灯闪烁，且黄色LED灯闪烁的频率会随输出图像帧频的提高而加快，则说明Camera link实时图像输出正常。
参考附图1所示，光纤转Camera link装置(1)和SFP光纤互联传输装置(2)的3个SFP光纤互联通道都需要连接，才能实现全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)Camera link实时图像输出的自适应配置功能，即当输入为全配置型(Full)时，Camera link的X、Y、Z数据分量分别通过第1、第2、第3个SFP光纤互联通道进行传输；当输入为中等型(Medium)时，Camera link的X、Y数据分量分别通过第1、第2个SFP光纤互联通道进行传输，而第3个SFP光纤互联通道则无数据进行传输；当输入为基本型(Base)时，仅有Camera link的X数据分量通过第1个SFP光纤互联通道进行传输，而第2、第3个SFP光纤互联通道则无数据进行传输；光纤转Camera link装置(1)和Camera link转光纤装置进行互联的SFP光纤模块须是相同的工作模块，即一致为单模光纤模块或一致为多模光纤模块，SFP光纤模块均支持热插拔；SFP多模光纤模块采用的是一通光电公司的3.125Gb/s光纤模块，传输距离为500米，传输功率为0.1mW，工作波长为850nm；SFP单模光纤模块采用的是一通光电公司的3.125Gb/s光纤模块，传输距离为120千米，传输功率为1mW,工作波长从1470nm—1610nm，每隔20nm一个波长，共有8个使用波长。
参考附图1所示，Camera link数据调制模块(111、112、113)是采用芯片DS90CR287完成数据调制；通过在FPGA内部采用硬件描述语言设计实现相应的硬件模块电路，包括：数据串/并转换模块(11)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)、Camera link图像重构输出模块(15)、时钟管理模块(161)；FPGA(11)是采用Xilinx公司的Virtex-II Pro系列的XC2VP20-FG676-2芯片。
参考附图1所示，光纤转Camera link装置(1)自适应在不同的Camera link输出配置模式、不同输出工作频率之间切换，切换后光纤转Camera link装置(1)和SFP光纤互联传输装置(2)无需断电重新启动即可工作。
结合附图1对本发明做进一步的描述：
按照附图1搭建实例所示，将光纤转Camera link装置(1)设计生成的比特流文件烧写至EEPROM程序存储芯片(181)中，给FPGA(11)上电后，FPGA(11)从EEPROM程序存储芯片(181)加载已生成的比特流文件，并产生相应的硬件电路；使用Chip scope工具可以观察和分析数字逻辑、控制时序是否正确。
Claims (17)
1.一种基于FPGA的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于包括：光纤转Camera link装置(1)和SFP光纤互联传输装置(2)；光纤转Camera link装置(1)完成光纤实时图像输入至Camera link实时图像输出的转换，SFP光纤互联传输装置(2)通过光纤线缆与远端的Camera link转光纤装置进行连接；光纤转Camera link装置(1)实时接收SFP光纤互联传输装置(2)输入的光纤数据流，光纤转Camera link装置(1)完成光纤数据流解析并转换为Camera link的串口数据输出；光纤转Camera link装置(1)完成串口数据、时序控制信号的采集并转换成光纤数据流输出；其光纤转全配置型Camera link实时图像光端机能够自适应光纤实时图像的数据格式，自适应配置输出Camera link的全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)的工作模式，无需人工干预，自适应Cameralink输出的工作频率，满足全配置型Camera link的最高配置频率(85MHz)输出。
2.根据权利要求1所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：光纤转Camera link装置(1)包括数据串/并转换模块(11)、LED指示灯(110)、Camera link数据调制模块(111、112、113)、Camera link基本配置(Base)输出接口模块(114)、Cameralink全配置(Full)输出接口模块(115)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)、Camera link图像重构输出模块(15)、时钟芯片(16)、时钟管理模块(161)、FPGA芯片(18)、EEPROM程序存储芯片(181)。
3.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：数据串/并转换模块(11)，完成光纤串行数据流至16位并行数据的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIO IP核作为数据串/并转换模块。
4.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：LED指示灯(110)，由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示光纤转Camera link装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示Camera link实时图像输出正常，绿色LED灯亮则指示光纤转Camera link装置的SFP光纤互联连接正常。
5.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：Camera link数据调制模块(111、112、113)，满足Camera link的全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)的数据调制，每一个模块均由DS90CR287芯片完成数据调制，数据调制模块(111)对应Camera link格式的X分量数据，数据调制模块(112)对应Cameralink格式的Y分量数据，数据调制模块(113)对应Camera link格式的Z分量数据，调制的数据均输出给Camera link基本配置(Base)输出接口模块(114)和Camera link全配置(Full)输出接口模块(115)。
6.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：Camera link基本配置(Base)输出接口模块(114)、Camera link全配置(Full)输出接口模块(115)，满足Camera link接口的全配置型(Full)、中等型(Medium)或基本型(Base)输出。
7.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：数据包解析模块(12)，根据包首和包尾的特殊字符，完成从光纤数据流中实时接收并解析出图像数据包，剔除掉包首和包尾标志后，将获得的实时图像数据送至下一级处理。
8.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：串口数据解析/采集模块(121)，实时接收光纤数据流并解析出Camera link中的串口数据(下行)；同时，实时采集Camera link采集卡输入的串口数据并转换为光纤数据流发送输出(上行)；串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，以严格区分图像数据包，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示。
9.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：图像帧解析模块(13)，从数据包解析模块(12)获得的实时图像数据流中，实时检测帧首特殊字符和帧尾特殊字符；当检测到帧首特殊字符时，标志着重构一帧Camera link图像的起始，当检测到帧尾特殊字符时，标志着重构一帧Camera link图像的结束，并将接收得到的像素个数/行，行数/帧信息送给Camera link图像重构输出模块(15)，以完成图像帧的数据解析。
10.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：48位转64位数据汇集缓存模块(14)，将接收得到的3个16位光纤通道数据汇集为48位数据，将这48位数据写入到一个写数据宽度为48位、深度为4K、读数据宽度为192位的FIFO缓存空间；根据Camera link图像重构输出模块(15)的控制信号，再将这192位数据分成3个64位数据逐一输出给Camera link接口，完成48位转64位数据的汇集缓存。
11.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：Camera link图像重构输出模块(15)，根据图像帧解析模块(13)获得的图像帧起始标志、像素个数/行、行数/帧的信息,开始重构Camera link图像的第一行数据；当重构输出完第一行时，判断是否已经达到最后一行，若不是最后一行，则继续重构行输出；当重构行输出达到行数/帧时，结束Camera link重构输出，继续等待下一帧图像的到来。
12.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：时钟芯片(16)，设计采用IDT5V9885时钟芯片产生高精度的125MHz时钟，输出至时钟管理模块(161)。
13.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：时钟管理模块(161)，设计采用DCM时钟管理器，完成为数据串/并转换模块(11)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)提供高精度的125MHz时钟；为Camera link图像重构输出模块(15)提供高精度的85MHz时钟。
14.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：FPGA芯片(18)，设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成数据串/并转换模块(11)、数据包解析模块(12)、串口数据解析/采集模块(121)、图像帧解析模块(13)、48位转64位数据汇集缓存模块(14)、Camera link图像重构输出模块(15)、时钟管理模块(16)的设计。
15.根据权利要求2所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：EEPROM程序存储芯片(181)，设计采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存储芯片，该芯片完成FPGA程序的存储和上电自动加载。
16.根据权利要求1所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于所述SFP光纤互联传输装置(2)包括：SFP光纤互联通道1(21)、SFP光纤互联通道2(22)、SFP光纤互联通道3(23)；光纤转Camera link装置的SFP光纤互联通道分别与Camera link转光纤装置的SFP光纤互联通道进行一一对应互联。
17.根据权利要求15所述的光纤转全配置型Camera link实时图像光端机，其特征在于：SFP光纤互联传输装置(2)，SFP光纤互联通道采用标准的SFP光纤模块，SFP光纤模块的传输速率为3.125Gb/s，SFP光纤模块能接插SFP多模光纤模块或者SFP单模光纤模块；SFP多模光纤模块传输距离为500米，传输波长为850nm；SFP单模光纤模块传输距离为120千米，传输波长为1470nm--1610nm。
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