CN104754303B - 具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统及传输方法，涉及航空立体测绘相机数据传输领域，解决现有多通道数据传输系统采用传统的图像数据传输接口进行图像数据传输，导致布线数量过多，传输距离短，可靠性差的等问题，包括主控模块、图像解串模块、注释信息电平转换模块、图像采集模块、注释信息采集模块、图像缓存模块、注释信息缓存模块、数据轮询模块、数据缓存模块、数据发送模块、QSFP光模块、高精度时钟源、锁相环。该数据传输系统能够采集多个探测器通道的图像数据及注释信息数据，并将这些数据进行统一打包，打包后的数据经过串并转换、光电转换后，在光纤通道上进行传输。实现对多通道数据进行可靠地长距离传输。

Description

具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及航空立体测绘相机数据传输领域，具体涉及一种具有高带宽、强抗干扰能力的多通道航空立体测绘相机数据传输系统。

背景技术

随着航空测绘技术的不断发展，目前在立体测绘领域，航空立体测绘相机装载多个探测器，通过同时从不同角度对目标进行成像，进行立体测绘。航空立体测绘相机输出多路图像数据(如前视数据、后视数据、下视数据、全景数据等),同时与图像相关的注释信息也需要和多路图像一起输出，以用于后期测量计算。因为多路传输探测器同时输出，此类相机有较大的输出的数据量，对传输通道有高带宽和高可靠性的要求；同时因为机载环境下存在电磁干扰影响、布线数量、传输距离等限制，如果采用传统的图像数据传输接口(如Camera Link)进行图像数据传输，其势必导致布线数量过多，传输距离短，可靠性差的等问题。因此，非常有必要开发出一种能够对于此类相机输出的海量数据进行可靠传输的系统。

发明内容

本发明为解决现有多通道数据传输系统采用传统的图像数据传输接口进行图像数据传输，导致布线数量过多，传输距离短，可靠性差的等问题，提供一种具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统。

具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统，该系统以FPGA为核心，具体包括主控模块、注释信息电平转换模块、注释信息采集模块、注释信息缓存模块、数据轮询模块、数据缓存模块、数据发送模块、QSFP光模块、片外高精度时钟源、锁相环以及每个通道的Cameralink图像解串模块、图像采集模块以及图像缓存模块；Cameralink图像解串模块，用于将接收的前端的图像探测器输出的Cameralink串行LVDS信号解串为并行的图像信号；并将并行的图像信号输入至图像采集模块；注释信息电平转换模块，用于将传输注释信息的RS422信号转换为标准的TTL电平信号，并将TTL电平信号输入至注释信息采集模块；图像采集模块，用于对接收的并行图像信号进行采集，对并行的图像数据进行解析，提取出有效的图像数据；并将有效的图像数据输入至图像缓存模块；注释信息采集模块，用于根据注释信息的传输协议，接收注释信息电平转换模块发送的注释信息，并将有效的注释信息进行解析后输入至注释信息缓存模块；所述图像缓存模块和注释信息缓存模块用于对解析的有效图像数据和注释信息数据进行缓存；数据轮询模块，用于对图像缓存模块和注释信息缓存模块进行轮询，用于确定是否有数据传输，并将对应通道传输的数据存储至数据缓存模块；数据缓存模块，用于对数据轮询模块确定发送的对应通道的数据进行缓存；并通过数据发送模块输出至QSFP光模块；数据发送模块，将数据从数据缓存模块中读出，将并行的数据转换为串行的数据进行打包发送至QSFP光模块；QSFP光模块，用于将数据发送模块发送的串行电信号转换为光信号，在光纤上进行传输；所述片外高精度时钟源与锁相环配合，为数据发送模块提供串行时钟信号；主控模块，用于处理外部的控制指令，根据不同的指令对系统中各个模块的工作状态进行控制。

具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、对系统上电，主控模块通过片外存储模块加载程序；

步骤二、系统进入空闲等待状态，判断主控模块是否接收到外部开始指令，如果是，执行步骤三；如果否，继续等待；

步骤三、数据轮询模块对注释信息缓存模块及各通道的数据缓存模块轮询；如果有数据需要发送，则数据轮询模块将需要发送的数据经数据缓存模块传送至数据发送模块；

步骤四、所述数据发送模块读取数据缓存模块的数据，将并行的数据转换为串行的数据并进行打包发送至QSFP光模块；所述QSFP光模块将接收的串行数据的电信号转换为光信号输出；

步骤五、如果主控模块接收到外部结束指令，则执行步骤二。

本发明的有益效果：本发明所述的多通道数据传输系统及方法。将航空立体测绘相机装载的多个探测器输出的图像数据(四个通道的线阵相机数据、前视通道、后视通道、下视通道、全景通道)，以及和图像相关的注释信息进行统一打包，然后通过光纤将各通道数据可靠的发送到后级处理系统(如存储系统等)。

本发明所述的多通道数据传输系统，具有多通道数据采集能力，能够对多路图像探测器数据进行采集，并且能对图像相对应的注释信息进行采集；具有注释信息采集模块，能够采集和图像相关的注释信息；具有外部控制接口，能够对外部控制的开始、停止等指令进行响应，完成相应的操作；具有串并转换模块，能够将多通道的并行数据，转换为串行数据进行传输；具有光电转换模块，能够将电信号转换为光信号，从而在光纤上进行传输。

本发明其充分发挥了FPGA数据处理能力强，光纤通道抗干扰能力强，传输带宽大的特点，从而完美解决了立体航测相机大数据量可靠传输的问题。

附图说明

图1为本发明的多通道数据传输系统功能模块框图；

图2为一种具有高带宽、强抗干扰能力的多通道数据传输系统的操作方法。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统；以FPGA为数据处理核心，主要包含以下模块：该传输系统包括：图像解串模块201-204、注释信息电平转换模块205、图像采集模块206-209、注释信息采集模块210、图像缓存模块211-214、注释信息缓存模块215、数据轮询模块216、高精度时钟源217、锁相环218、数据缓存模块219、数据发送模块220、QSFP光模块221、主控模块222、片外存储模块223。

Cameralink图像解串模块的功能是将Cameralink规范中定义的串行LVDS信号解串为并行的图像信号。

所述注释信息电平转换模块205，具有将RS422电平转换为TTL/CMOS电平的能力，转换后得到的TTL/CMOS电平信号输入到FPGA中的注释信息采集模块210。

所述图像采集模块206-209，用于分别采集前端的图像解串模块201-204输出的并行图像数据，这四个模块将有效的图像数据提取出来，分别写入到后级的图像缓存模块211-214。

所述注释信息采集模块210，用于处理注释信息电平转换模块205输出的TTL/CMOS信号，根据串行通信协议，将注释信息的内容提取出来，写入到后级的注释信息缓存模块215。

所述图像缓存模块211-214，采用FPGA内部的RAM资源，用于缓存各个通道的图像数据。

所述注释信息缓存模块215，采用FPGA内部的RAM资源，用于缓存注释信息。

所述数据轮询模块216的主要作用是对图像缓存和注释信息缓存进行轮询，以确定各个通道是否有数据可以传输。当此模块开始工作后，会在每个时钟周期对图像缓存模块211-214、注释信息缓存模块215中的数据进行查询，当检测到某个缓存中有数据需要发送的时候，将该缓存中的数据读出写入到数据缓存模块219中，同时启动数据发送模块220进行数据传输。当数据轮询模块216在某一个时钟周期检测到有多个缓存中的数据都需要发送时，根据事先设置好的优先级进行发送。

所述数据缓存模块219，用于缓存数据轮询模块216写入的数据。数据发送模块220则从数据缓存模块219中将数据读出。并行的数据转换为串行的数据进行打包发送，打包的时候，会将该通道的一些信息放入到包头中，后级系统可以根据这些包头信息，恢复出各个通道的数据。

所述QSFP光模块221，该模块的作用是将数据发送模块220输出的高速串行电信号转换为光信号，以在光纤通道上进行传输，从而达到增加抗干扰能力，加大传输距离的目的。

所述锁相环218与片外高精度时钟源217配合，所述锁相环218采用FPGA内部锁相环，所述高精度时钟源217，采用高精度差分时钟，作为FPGA内部高速收发器的参考时钟。将片外高精度时钟源217输出的参考时钟进行倍频、分频操作，以得到数据发送模块220工作所需要的时钟。在本实施方式中，数据发送模块219工作的串行速率为3.125Gbps，因此高精度时钟源217输出的参考时钟频率选择为125MHz，锁相环218的倍频系数为25，倍频后得到的时钟频率为3.125G。

所述数据发送模块220，该模块受控于数据轮询模块216，当数据轮询模块216将需要发送的数据写入到数据缓存模块219后，会启动数据发送模块220，并同时告知数据发送模块220，当前要发送的数据属于哪个通道(前视通道、后视通道、下视通道、全景通道、注释信息通道)。于是数据发送模块220将数据从数据缓存模块219中读出和相应的通道信息、长度信息等进行统一打包，将打包后的数据转换为串行的电信号进行发送。

所述主控模块222，该模块的作用是处理外部的控制指令(如开始指令、结束指令等)，根据不同的指令对系统中各个模块的工作状态进行控制，可以通过指令设置各数据通道的传输优先级，共0至4个优先级，0表示最高优先级，数据轮询模块依据此设定处理各通道传输的优先顺序。

片外存储模块223，该模块的作用是存储FPGA的可执行程序，每次上电的时候，FPGA内的主控模块首先从该模块中加载程序，加载完成后，方可进行工作。

本实施方式中所述的图像解串模块201-204，选用TI公司的DS90CR286AMTD芯片，将前端四组图像探测器输出的Cameralink串行LVDS信号转换为并行图像信号，输入到FPGA中的图像采集模块206-209。

具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统的传输方法，该方法由以下步骤实现：

步骤301，多通道数据传输系统上电。

步骤302，主控模块程序加载完毕，系统进入到空闲等待状态。

上电之后，多通道数据传输系统的FPGA从片外存储模块223加载程序，启动程序运行之后，系统进入到空闲等待状态，在该状态中，等待外部操作指令，以确定下一步的工作状态。

步骤303，在空闲等待状态下，等待外部控制指令。

在空闲等待状态下，如果没有收到开始指令，那么仍然保持在空闲等待状态；如果收到开始指令，那么主控模块开始启动FPGA内部的各子模块开始工作。

步骤304，当收到开始指令后，系统进入正常工作状态。

在正常工作状态下，FPGA内部各子模块开始工作，图像采集模块206-209，注释信息采集模块210将各自通道数据采集出来，写入到图像缓存模块211-214中，数据轮询模块216在每个时钟周期对各个缓存中的数据量进行查询，当发现某个通道中有数据需要进行发送的时候，则启动数据发送模块220，进入步骤306，如果所有通道都没有数据需要发送，那么进入到步骤305。

步骤305，判断是否收到了停止指令。

在该步骤中，判断是否收到了停止指令，如果收到停止指令，那么系统进入到空闲等待状态，然后开始等待下一次开始指令；如果没有收到停止指令，那么回到304，数据轮询模块216继续查询，看各个通道里面是否有数据需要发送。

步骤306，进入到数据发送状态。在该步骤中，数据发送模块220，将需要发送的数据从数据缓存模块219中读出，同时读出对应各通道的信息、长度信息等进行统一打包，将打包后的数据转换为串行的电信号发送至QSFP光模块，所述QSFP光模块将接收的电信号转换为光信号，以在光纤通道上进行传输，数据发送完毕后，回到步骤305；

步骤307，工作结束，设备下电。

本实施方式中，如果数据轮询模块216轮询到多个通道需要同时发送数据，则可以通过指令设置各数据通道的传输优先级，共0至4个优先级，0表示最高优先级，数据轮询模块依据此设定处理各通道传输的优先顺序。

Claims (4)

1.具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统，该系统以FPGA为核心，具体包括主控模块、注释信息电平转换模块、注释信息采集模块、注释信息缓存模块、数据轮询模块、数据缓存模块、数据发送模块、QSFP光模块、片外高精度时钟源、锁相环以及每个通道的Cameralink图像解串模块、图像采集模块以及图像缓存模块；其特征是；

Cameralink图像解串模块，用于将接收的前端的图像探测器输出的Cameralink串行LVDS信号解串为并行的图像信号；并将并行的图像信号输入至图像采集模块；

注释信息电平转换模块，用于将传输注释信息的RS422信号转换为标准的TTL电平信号，并将TTL电平信号输入至注释信息采集模块；

图像采集模块，用于对接收的并行图像信号进行采集，对并行的图像数据进行解析，提取出有效的图像数据；并将有效的图像数据输入至图像缓存模块；

注释信息采集模块，用于根据注释信息的传输协议，接收注释信息电平转换模块发送的注释信息，并将有效的注释信息进行解析后输入至注释信息缓存模块；

所述图像缓存模块和注释信息缓存模块用于对解析的有效图像数据和注释信息数据进行缓存；

数据轮询模块，用于对图像缓存模块和注释信息缓存模块进行轮询，用于确定是否有数据传输，并将对应通道传输的数据存储至数据缓存模块；

数据缓存模块，用于对数据轮询模块确定发送的对应通道的数据进行缓存；并通过数据发送模块输出至QSFP光模块；

数据发送模块，将数据从数据缓存模块中读出，将并行的数据转换为串行的数据进行打包发送至QSFP光模块；

QSFP光模块，用于将数据发送模块发送的串行电信号转换为光信号，在光纤上进行传输；

所述片外高精度时钟源与锁相环配合，为数据发送模块提供串行时钟信号；

主控模块，用于处理外部的控制指令，根据不同的指令对系统中各个模块的工作状态进行控制。

2.根据权利要求1所述的具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统，其特征在于，还包括片外存储模块，用于存储FPGA的可执行程序，系统上电后，主控模块通过片外存储模块加载程序。

3.根据权利要求1或2所述的具有高带宽、强抗干扰的多通道数据传输系统的传输方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、对系统上电，主控模块通过片外存储模块加载程序；

步骤二、系统进入空闲等待状态，当主控模块接收到外部开始指令时，执行步骤三；

步骤三、所述图像采集模块和注释信息采集模块将对应的通道数据进行采集并写入到对应的图像缓存模块中，数据轮询模块在每个时钟周期对注释信息缓存模块及对应的图像缓存模块中的数据量进行轮询；如果有数据需要发送，则数据轮询模块将需要发送的数据经数据缓存模块传送至数据发送模块；

步骤四、所述数据发送模块读取数据缓存模块的数据，将并行的数据转换为串行的数据并进行打包发送至QSFP光模块；所述QSFP光模块将接收的串行数据的电信号转换为光信号输出；

步骤五、如果主控模块接收到外部结束指令，则执行步骤二。

4.根据权利要求3所述的传输方法，其特征在于，步骤三中，如果数据轮询模块轮询到多个通道同时传输数据，则按优先级的先后进行传输数据。