CN111314641B - 一种高帧频图像的采集存储显示系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高帧频图像的采集存储显示系统及方法,包括与主控FPGA通过CoaxPress接口连接的CoaxPress高速相机、与主控FPGA通过SATA接口连接硬盘阵列、与主控FPGA通过HDMI接口连接显示器;所述主控FPGA上具有硬件接口收发模块、CoaxPress Host模块、FIFO模块、串转并模块,缓存模块、硬盘控制模块、硬盘接口模块、ADV7511 Controller,HDMI显示模块、时钟同步模块。本发明解决了现有高速相机携带不便,传输距离近,速率低以及价格高昂等问题,实现了一帧数据的BRAM缓存,一秒数据的DDR缓存,可以以500帧每秒的速率采集分辨率为2320*1726的图像并进行存储与实时显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种高帧频图像的采集存储显示系统及方法,属于集成电路和微电子技术领域。
背景技术
随着科技水平的高速发展进步,信息的采集处理时时刻刻存在与我们的日常生活中,日常的生活,生产中人们也越来越依赖信息数据的采集处理。对于高速,大容量图像信息的研究也变得越来越有意义,其应用领域也变的越来越广泛,包括:航空航天、遥测遥感、轨迹分析、爆炸试验,飞行试验、生物和医学研究、弹性分析纹扩展研究以及国防、机械、土木等领域。
目前市场上的主流工业相机接口主要包括USB接口,CameraLink接口,GigE接口的相机,上述接口工业相机价格较为昂贵且会存在传输距离不远,不易拓展,数据量少,速率慢,接口复杂等缺点,此外目前很多工业相机需配合图像工作站才能完成观测功能,较为笨重不利于远程携带,不能满足日常生活中广泛的高速图像观测需求。
市面上的很多图像采集卡没有集成存储与显示功能,不利于现场的实地勘测,也加大了后续处理数据的难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高帧频图像的采集存储显示系统及方法,解决克服了现有图形工作站携带不便,价格高昂的缺点,以及现有相机采集卡无法实现实时采集,存储显示的功能,可以实现500帧每秒的速率采集2320*1726分辨率图像并进行连续30分钟存储与实时显示的功能,像素深度为32bit。
本发明实现上述目的所采用的技术方案是:
一种高帧频图像的采集存储显示系统,包括与主控FPGA通过CoaxPress接口连接的 CoaxPress高速相机、与主控FPGA通过SATA接口连接硬盘阵列、与主控FPGA通过HDMI 接口连接显示器;
所述主控FPGA上具有硬件接口收发模块、CoaxPress Host模块、FIFO模块、串转并模块,缓存模块、硬盘控制模块、硬盘接口模块、ADV7511 Controller,HDMI显示模块、时钟同步模块;
所述CoaxPress Host模块用于实现CoaxPress协议控制流,数据流以及引导寄存器的构建,所有数据传输均采用8B/10B编码,CRC校验并通过FIFO模块进行缓存;
所述硬盘控制模块用于将缓存模块缓存的CoaxPress接口采集数据传输到硬盘阵列里进行存储;
所述硬盘接口模块用于提供FPGA与硬盘阵列交互接口,采用FMC转SATA或M2接口;
所述ADV7511 Controller模块用于将缓存模块中的图像数据进行像素格式转化并发送到 HDMI模块进行实时显示;
所述HDMI显示模块用于提供图像数据与显示器之间的连接接口;
所述时钟同步接口用于同步实现CoaxPress接口采集,应答,并控制缓存模块实现图像数据的实时存储与显示。
所述的高帧频图像的采集存储显示系统,所述缓存模块包括两个BRAM模块,一个DDR3 模块。
所述的高帧频图像的采集存储显示系统,所述硬件接口收发模块为FPGA板子上的FMC 接口转CXP接口并在EQCO62R20/EQCO31T20驱动芯片操作下进行数据的交互。
用上述高帧频图像的采集存储显示系统进行高帧频图像的采集存储显示方法,该方法为:首先通过CoaxPress接口接收来自CoaxPress高速相机图像数据,主控FPGA进行串转并操作后将图像数据传入缓存模块,进行数据的拆包,乒乓缓存,接着进行数据的并转串操作将数据一方面通过SATA接口进行硬盘存储,另一方面ARM通过AXI总线对图像数据进行格式转换,像素拼接操作后将图像数据传入VDMA进行图像数据帧缓存,接着传入ADV7511芯片进行模数转换最后通过HDMI进行图像数据显示。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.采集速率高,本发明的系统采集端CoaxPress协议是一种高速点对点串行通信协议,单根数据线速率可达6.25Gbit/s,通用性强可以适配市面上的CoaxPress相机,此外CoaxPress 总线还有价格低廉,易拓展,传输距离远等优点。
2.本发明的缓存区采用双口BRAM配合DDR可以在高速传输过程中矫正一帧缓存,在系统发生运行异常、硬件供电不稳断电时保存一秒数据缓存量而不影响后续存储端与显示端。
3.存储量较大,本发明采用SSD阵列存储的方式,可以一次存储上百T的数据量。
4.与现有工业相机配带的图形工作站相比,本系统方便二次开发,携带方便,价格较低。
5.与市场现有采集卡系统,本系统可以实现ADV7511芯片控制下的实时显示,方便实时作业。
附图说明
图1为一种高帧频图像的采集存储显示系统整体框图;
图2为实施例中CoaxPress Host控制流发送的状态转移图;
图3为实施例中CoaxPress Host数据流接收的状态转移图;
图4为实施例中CoaxPress Host设置引导寄存器的初始化状态转移图;
图5为实施例中缓存模块的传输过程中的示意图;
图6为实施例中的硬盘控制模块构成示意图;
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围:
结合图1,一种高帧频图像的采集存储显示系统,包括与主控FPGA通过CoaxPress接口连接的CoaxPress高速相机、与主控FPGA通过SATA接口连接硬盘阵列、与主控FPGA通过HDMI接口连接显示器;本实施例中CoaxPress的硬件接口为BNC接口,绘制FPGA的 FMC转SATA电路满足速率需求并在驱动芯片EQCO62R20/EQCO31T20下进行数据传输,显示端主要为ADV7511模数芯片驱动下的HDMI接口,存储接口为FMC电路转化下的SATA 接口可以进行SSD硬盘阵列存储。此外本系统的其他硬件部分包括电源部分,缓存单元部分,下载调试部分等均集成在FPGA主板上。
所述主控FPGA上具有硬件接口收发模块、CoaxPress Host模块、FIFO模块、串转并模块,缓存模块、硬盘控制模块、硬盘接口模块、ADV7511 Controller,HDMI显示模块、时钟同步模块;本实施例中使用的主控FPGA为xilinx公司的xc7z045ffg900-2芯片,该芯片具有丰富的时钟资源核高速差分接口,最多可以引出16个GTX口,可以支持36个硬盘构成的硬盘阵列工作,该芯片内部最大可支持19.2M的block内存选址,可以满足双口BRAM的一帧大容量图像缓存需求。此外该芯片还是ZYNQ芯片的一种,内部PS端由两片高性能的A9 构成,在本系统中构建部分IP核通过AXI总线灵活进行图像数据处理并进行显示。
所述CoaxPress Host模块用于实现CoaxPress协议控制流,数据流以及引导寄存器的构建,可以实现低速下行的设备控制与触发,高速上行的数据流接收,所有数据传输均采用 8B/10B编码,CRC校验并通过FIFO模块进行缓存;
所述硬盘控制模块用于将缓存模块缓存的CoaxPress接口采集数据传输到硬盘阵列里进行存储;
所述硬盘接口模块用于提供FPGA与硬盘阵列交互接口,采用FMC转SATA或M2接口;
所述ADV7511 Controller模块用于将缓存模块中的图像数据进行像素格式转化并发送到 HDMI模块进行实时显示;
所述HDMI显示模块用于提供图像数据与显示器之间的连接接口;本实施例中所用的 HMDI接口驱动芯片为ADI公司的ADV7511芯片,该芯片可支持多种显示方式的实时显示,结合图1,FPGA中的PS端作为显示控制中心,通过AXI总线连接各个硬件接口,通过IIC IP核操作ADV7511芯片的相关寄存器设置固定的或者兼容的输出模式并通过HDMI进行显示。
所述时钟同步接口用于同步实现CoaxPress接口采集,应答,并控制缓存模块实现图像数据的实时存储与显示。
所述的高帧频图像的采集存储显示系统,所述缓存模块包括两个BRAM模块,一个DDR3 模块。两个BRAM模块为缓冲区的收发口,接收口连接CoaxPress采集端,发送口连接硬盘存储端与HDMI显示端,为满足采集端高速率采集要求,此处缓冲区利用单片DDR3进行数据的乒乓操作,最大限度满足速率要求。
所述的高帧频图像的采集存储显示系统,所述硬件接口收发模块为FPGA板子上的FMC 接口转CXP接口并在EQCO62R20/EQCO31T20驱动芯片操作下进行数据的交互。
用上述高帧频图像的采集存储显示系统进行高帧频图像的采集存储显示方法,该方法为:首先通过CoaxPress接口接收来自CoaxPress高速相机图像数据,主控FPGA进行串转并操作后将图像数据传入缓存模块,进行数据的拆包,乒乓缓存,接着进行数据的并转串操作将数据一方面通过SATA接口进行硬盘存储,另一方面ARM通过AXI总线对图像数据进行格式转换,像素拼接操作后将图像数据传入VDMA进行图像数据帧缓存,接着传入ADV7511芯片进行模数转换最后通过HDMI进行图像数据显示。
结合图2,CoaxPress的控制流发送命令的起始码为02,这个可以作为程序判断标志,通过发送不同操作代码CMD_data来表明该帧数据时写入还是读取寄存器命令,读取命令时00,写入命令是01,读取命令添加完相应的读取地址后不需要像写入命令一样给控制值。控制命令每一帧包头包尾需进行8B/10B编码,此外控制命令不管是发送还是接收均需进行32位的 CRC校验保证数据稳定。
结合图3,CoaxPress的控制流应答命令的起始码为03,主要通过应答码Code的数值判断设备端接收状态,00表示控制流读取命令有效,01表示控制流写入命令有效,04代表当前主机需要等待设备反应一段时间,范围为100ms至10s,04应答码主要用在读取命令的返回值不能立即反馈时。除00和04之外的其他应答码没有操作长度Size,数据Data,CRC字段等步骤。应答命令的CRC校验长度为32位也需要进行8B/10B编码。
结合图4,CoaxPress设备初始化的步骤是通过控制流的发送、接收操作各个寄存器,首先需要对设备的复位寄存器进行复位,接着需要激活设备的主连接,大部分其他寄存器需设置为起始状态0x00000000,然后以最低的发现速率对设备进行连接数目设置,判断设备连接状态connection_state是否置1,有无连接超时情况,成功设置连接数后进行主机与设备ID号设置,接着通过操作hsupconnection寄存器设置设备工作速率,最后协商双方控制流数据包 Control_packet_size和流数据包stream_packet_size的大小,接着再通过Pixel_setting寄存器设置好接收图像的格式,大小等参数信息,当dev_rst置1时重新进行CoaxPress设备的初始化操作,否则即可认为完成一次CoaxPress设备的初始化操作。
结合图5,本系统的缓存模块由两个双口Bram和一个DDR3构成,其中每个双口Bram的大小为8K*2,DDR3的型号为MT8JTF12864HZ-1G6,是一个双rank,位宽64位,有8 个Bank每个Bank的row时14,colum是10,大小为128M的DDR3。该芯片的最高工作时钟为800Mhz,支持高低下降沿同时采样,最大传输带宽为200M*512bit满足前端采集 6.25Gbit/s的采集速率要求。两个双口BRAM都是从A口写入,B口读出。在Data_vaild有效时Data_in进A口的位数为32位,从B口读出的位数为512位,第二个BRAM的A口写入App_rd_data的位数为512位,B口的读出位数为32位。app_cmd用以控制DDR3的读写操作,Bd_dout_finished表示第一个Bram写入完毕进行要读写操作,App_rd_vaild表示DDR 读取有效即第二个Bram写入有效。DDR的地址空间为28位,高三位用于选择DDR所对应的8个Bank,本系统中将DDR3的8个Bank分为存储空间a和b,在一根地址线的情况下进行分时的乒乓操作,主要是由三个阶段构成,分别为写a,写b读a,写a读b,将第二阶段与第三阶段进行循环操作构成乒乓操作,在整个操作过程中保证了写的优先级高于读。
结合图6,硬盘控制模块主要由发送,接收以及主控三个部分组成,主要对应于发送从状态机TX Slave FSM,接收从状态机RX Slave FSM,主状态机Master FSM。主状态机主要完成硬盘的写读逻辑控制,为完成硬盘的写任务,发送层的需对每一个FIS进行组包,组包后的格式如图6所示,包括帧头SOF,帧尾EOF,HOLD原语,FIS以及CRC校验码。如果想从硬盘读出数据,主状态机需要控制RX Slave状态机来完成从硬盘的读数据操作。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本专利的保护范围。
Claims (2)
1.一种高帧频图像的采集存储显示系统,包括与主控FPGA通过CoaxPress接口连接的CoaxPress高速相机、与主控FPGA通过SATA接口连接硬盘阵列、与主控FPGA通过HDMI接口连接显示器;
所述主控FPGA上具有硬件接口收发模块、CoaxPress Host模块、FIFO模块、串转并模块,缓存模块、硬盘控制模块、硬盘接口模块、ADV7511 Controller,HDMI显示模块、时钟同步模块;
所述CoaxPress Host模块用于实现CoaxPress协议控制流的发送和应答、数据流接收、以及引导寄存器的初始化,所有数据传输均采用8B/10B编码,CRC校验并通过FIFO模块进行缓存;
CoaxPress协议控制流发送命令的起始码为02,作为程序判断标志,通过发送不同操作代码CMD_data来表明帧数据是写入还是读取寄存器命令,读取命令是 00,写入命令是01,读取命令添加完相应的读取地址后不需要像写入命令一样给控制值,控制命令每一帧包头包尾需进行8B/10B编码,此外控制命令不管是发送还是接收均需进行32位的CRC校验保证数据稳定;
CoaxPress协议控制流应答命令的起始码为03,通过应答码Code的数值判断设备端接收状态,00表示控制流读取命令有效,01表示控制流写入命令有效,04代表当前主机需要等待设备反应一段时间,范围为100ms至10s,04应答码用在读取命令的返回值不能立即反馈时,除00和04之外的其他应答码没有操作长度Size,数据Data,CRC字段;应答命令的CRC校验长度为32位也需要进行8B/10B编码;
寄存器的初始化,首先需要对设备的复位寄存器进行复位,接着需要激活设备的主连接,接着通过操作hsupconnection寄存器设置设备工作速率,最后协商双方控制流数据包Control_packet_size和流数据包stream_packet_size的大小,接着再通过Pixel_setting寄存器设置好接收图像的参数信息,当dev_rst置1时重新进行CoaxPress设备的初始化操作,否则认为完成一次CoaxPress设备的初始化操作;
所述硬盘控制模块用于将缓存模块缓存的CoaxPress接口采集数据传输到硬盘阵列里进行存储;
所述硬盘接口模块用于提供FPGA与硬盘阵列交互接口,采用FMC转SATA或M2接口;
所述ADV7511 Controller模块用于将缓存模块中的图像数据进行像素格式转化并发送到HDMI模块进行实时显示;
所述HDMI显示模块用于提供图像数据与显示器之间的连接接口;
所述时钟同步接口用于同步实现CoaxPress接口采集,应答,并控制缓存模块实现图像数据的实时存储与显示;
所述缓存模块包括两个BRAM模块,一个DDR3模块;
所述硬件接口收发模块为FPGA板子上的FMC接口转CXP接口并在EQCO62R20/EQCO31T20驱动芯片操作下进行数据的交互。
2.一种用权利要求1所述高帧频图像的采集存储显示系统进行高帧频图像的采集存储显示方法,该方法为:首先通过CoaxPress接口接收来自CoaxPress高速相机图像数据,主控FPGA进行串转并操作后将图像数据传入缓存模块,进行数据的拆包,乒乓缓存,接着进行数据的并转串操作将数据一方面通过SATA接口进行硬盘存储,另一方面ARM通过AXI总线对图像数据进行格式转换,像素拼接操作后将图像数据传入VDMA进行图像数据帧缓存,接着传入ADV7511芯片进行模数转换最后通过HDMI进行图像数据显示。
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