CN115842904A

CN115842904A - 一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置

Info

Publication number: CN115842904A
Application number: CN202211536212.2A
Authority: CN
Inventors: 王岩; 张甫恺; 崔明; 曹永刚; 佟刚; 邹悦; 张维达
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2023-03-24

Abstract

本发明涉及数字图像信号传输技术领域，特别涉及一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置；本发明Cameralink连接器可以采集高速工业相机的Cameralink信号或连接采集卡输出Cameralink信号，FPGA芯片可以将Cameralink图像数据转化为AXI4‑stream数据流或将接收到的AXI4‑stream数据流转换为Cameralink协议的图像数据通过Cameralink连接器的接口输出到设备的图像采集卡，使得FPGA芯片可以作为发送端也可以作为接收端，SFP光模块将FPGA芯片传输来的电信号转换为光信号输出至机下机箱或将接收的光信号转换为电信号传输至FPGA芯片。

Description

一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置

技术领域

本发明涉及数字图像信号传输技术领域，特别涉及一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置。

背景技术

光电经纬仪作为靶场光电测量的重要设备，主要是用于静止和运动目标的跟踪测量，在卫星发射，飞行试验等具有广泛的运用。图像的采集和传输是光电经纬仪中重要组成部分，是设备正常使用的关键。

由于试验对图像采集的分辨率和帧频等指标要求越来越高，且光电经纬仪机上镜筒内部和机下机箱内部的空间有限，需要传输的数字图像数据量也越来越大，当前工业相机为满足大量图像数据的传输提供2Medium模式接口，2Medium模式接口使用2个相同的Medium接口，其理论最大传输速度为9.6Gb/S@85Hz，2Medium模式相比于其它常用模式传输速度和传输有效数据带宽大大提升，然而，当前技术方案采用的硬件接口都只有2个Cameralink接口，只能满足普通工业相机数字图像采集和传输，并且硬件结构不通用、连线复杂、使用不方便，无法与2Medium模式接口的工业相机连接，同时，2Medium模式工业相机输出的最高帧频可以达到1400Hz，将大量的图像数据进行采集和传输对传输通道有非常高的要求，当前的技术方案传输带宽小，只能稳定采集和传输500Hz的数字图像数据，当前技术方案采用的万兆以太网协议是10GBASE-KR高速串行协议，已经不适用当前的图像传输方案。现有技术存在不足。

发明内容

本发明主要解决的是当前光电经纬仪的图像传输无法对高帧频高分辨率工业相机图像采集和稳定传输的技术问题。本发明通过一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，通过FPGA芯片作为发送端使用时可将Cameralink图像数据转化为AXI4-stream数据流进行高速、稳定地光纤传输，也可以通过FPGA芯片作为接收端使用可将AXI4-stream数据流完整、实时地还原回Cameralink图像数据。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其应用于经纬仪光电设备中，所述经纬仪光电设备设置有机上镜筒与机下机箱，其中，包括：

Cameralink连接器，其与机上镜筒连接用于采集高速工业相机的Cameralink信号或连接采集卡输出Cameralink信号；

串口接口模块，用于连接其它串口接口从而传输串口信息；

FPGA芯片，其与所述Cameralink连接器、串口接口模块连接，用于将Cameralink图像数据转化为AXI4-stream数据流或将接收到的AXI4-stream数据流转换为Cameralink协议的图像数据通过Cameralink连接器的接口输出到设备的图像采集卡；

SFP光模块，用于将所述FPGA芯片传输来的电信号转换为光信号输出至机下机箱或将接收的光信号转换为电信号传输至所述FPGA芯片；

电源模块，用于供电。

作为本发明的一种改进，所述FPGA芯片包括：

Cameralink接口模块，其与Cameralink连接器连接，用于发送端将4对串行数据按照解串比为1:7的比例转换为28位的并行Cameralink数据或用于接收端将28位的Cameralink数据转换为4对Cameralink数据；

数据转换模块，其与所述Cameralink接口模块连接，用于Cameralink图像数据与AXI4-stream数据流相互转换；

万兆以太网模块，其与所述数据转换模块连接，用于发送或接收万兆以太网传输的网络数据包；

串口通讯模块，用于读取所述串口接口模块传输的RS422串口信号。

作为本发明的进一步改进，所述Cameralink接口模块包括：

时钟转换模块，用于将差分时钟信号转换为单端时钟信号并将单端时钟信号进行7倍频；

Cameralink数据串并转换模块，用于将4对串行数据按照解串比为1:7的比例转换为28位的并行Cameralink数据；

相位调整模块，用于读取不同相机数据时进行相位调整。

作为本发明的更进一步改进，所述Cameralink接口模块包括：

时钟转换模块，用于将单端时钟信号进行7倍频并将单端时钟信号转换为差分时钟信号；

Cameralink数据串并转换模块，用于将28位的Cameralink数据转换为4对Cameralink数据；

相位调整模块，用于输出图像数据时进行相位调整。

作为本发明的更进一步改进，所述数据转换模块包括：

同步FIFO模块，用于数据缓存；

图像数据拆分模块，用于将96bit的2Medium图像数据拆分成两个48bit的图像数据；

异步FIFO模块，用于将拆分后的图像数据转换为AXI4-stream数据流送入万兆以太网模块输出。

作为本发明的更进一步改进，所述数据转换模块包括：

异步FIFO模块，用于将接收的AXI4-stream数据流转换为两个48bit的图像数据；

图像数据还原模块，用于将两个48bit的图像数据还原成96bit的2Medium模式图像数据。

作为本发明的更进一步改进，所述万兆以太网模块采用的协议接口是AXI4-stream标准协议接口。

作为本发明的更进一步改进，还包括用于控制LED信号灯的LED信号灯控制模块。

作为本发明的更进一步改进，还包括用于程序的存储和上电自动加载的FLASH存储芯片。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明Cameralink连接器可以采集高速工业相机的Cameralink信号或连接采集卡输出Cameralink信号，FPGA芯片可以将Cameralink图像数据转化为AXI4-stream数据流或将接收到的AXI4-stream数据流转换为Cameralink协议的图像数据通过Cameralink连接器的接口输出到设备的图像采集卡，使得FPGA芯片可以作为发送端也可以作为接收端，SFP光模块将FPGA芯片传输来的电信号转换为光信号输出至机下机箱或将接收的光信号转换为电信号传输至FPGA芯片；通过FPGA芯片作为发送端使用时可将Cameralink图像数据转化为AXI4-stream数据流进行高速、稳定地光纤传输，也可以通过FPGA芯片作为接收端使用可将AXI4-stream数据流完整、实时地还原回Cameralink图像数据；从而解决了当前光电经纬仪的图像传输无法对高帧频高分辨率工业相机图像采集和稳定传输的技术问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明传输2Medium图像数据发送端的结构图；

图3为本发明传输2Medium图像数据接收端的结构图；

图4为本发明传输其它常用(Base、Medium、Full)模式图像数据发送端的结构图；

图5为本发明传输其它常用(Base、Medium、Full)模式图像数据接收端的结构图；

图6为本发明应用于经纬仪光电设备的示意图；

图7为本发明内2Medium图像数据转换模块数据流原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1至图7，本发明的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其应用于经纬仪光电设备中，经纬仪光电设备设置有机上镜筒与机下机箱。

本发明的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置包括：

串口接口模块，用于连接其它串口接口从而传输串口信息；

电源模块，用于供电；

LED信号灯控制模块，用于控制LED信号灯的；

FLASH存储芯片用于程序的存储和上电自动加载。

本发明应用于经纬仪光电设备，机上镜筒安装的装置作为发送端使用，Cameralink连接器通过专用线缆与工业相机连接，电源模块使用5V直流供电，数字图像由Cameralink连接器接入本发明的FPGA芯片，经FPGA芯片的数据处理后转化为AXI4-stream数据流通过SFP光模块连接的光纤传输到设备的机下；机下机箱内部安装的装置作为接收端使用，接收端接入到数据后，FPGA芯片将接收到的AXI4-stream数据流再转换为Cameralink协议的图像数据通过Cameralink连接器接口输出到设备的图像采集卡。

在本发明内，Cameralink连接器，用于连接高速工业相机采集Cameralink信号，或用于连接采集卡输出Cameralink信号。Cameralink接口模块，用于发送端将4对串行数据按照解串比为1:7的比例转换为28位的并行Cameralink数据或用于接收端将28位的Cameralink数据在时钟作用下转换为4对Cameralink数据。数据转换模块，用于Cameralink图像数据与AXI4-stream数据流相互转换，是整个装置最重要的模块，通过更改该模块的代码来适应不同的图像数据与AXI4-stream数据流的相互转换。万兆以太网模块，用于发送或接收通过万兆以太网传输的网络数据包。SFP光模块，用于将发送端的电信号转换为光信号，通过光纤传输后，再将接收端的光信号转换为电信号。作为发送端可通过Cameralink连接器接收2Medium模式或其它常用(Base、Medium、Full)模式的Cameralink图像数据，并将图像数据转换为AXI4-stream数据流进行万兆以太网光纤传输；作为接收端将接收到的万兆以太网数据包还原成2Medium模式或其它常用(Base、Medium、Full)模式的Cameralink图像数据。作为发送端使用同步FIFO模块缓存后将96bit的2Medium图像数据拆分成两个48bit的图像数据，然后将拆分后的图像数据转换为AXI4-stream数据流送入万兆以太网发送模块进行发送；作为接收端使用万兆以太网接收模块对AXI4-stream数据流进行接收，然后根据时钟节拍分别写入两个异步时钟FIFO模块，将AXI4-stream数据流转换为两个48bit的图像数据，最后将两个48bit的图像数据还原成96bit的2Medium模式图像数据。万兆以太网模块采用AXI4-stream总线协议，选择64bit的数据宽度进行传输。串口接口模块包括J30J-15微型连接器、422接口芯片。SFP光模块，对应光纤接口为LC光纤，传输速率为10Gb/s。

在本发明内，FPGA芯片包括：

具体地讲，如图1所示，Cameralink连接器1，用于连接高速工业相机采集Cameralink信号或用于连接采集卡输出Cameralink信号。通讯接口模块2，用于连接其它串口接口，传输串口信息。FPGA芯片3与Cameralink连接器1、串口接口模块2、SFP光模块4电连接，FPGA芯片3包括Cameralink接口模块31、数据转换模块32、万兆以太网模块33、串口通讯模块34，FPGA芯片3采用Xilinx公司Kintex-7系列的FPGA。其中，Cameralink接口模块31，用于发送端将4对串行数据按照解串比为1:7的比例转换为28位的并行Cameralink数据或用于接收端将28位的Cameralink数据在时钟作用下转换为4对Cameralink数据。一般传统方法采用芯片进行信号转换，但是在设计电路板时需要考虑芯片的设计，在使用时若存在电磁干扰会影响信号的传输，甚至有时存在芯片损坏的情况，影响调试的进度，使用Cameralink接口模块避免了因为芯片会带来的一系列问题，简化电路设计，使用简单、稳定。

在本发明内，数据转换模块32，用于Cameralink图像数据与AXI4-stream数据流相互转换，是整个装置最重要的模块，通过更改该模块的代码来适应不同的图像数据与AXI4-stream数据流的相互转换。传输2Medium模式Cameralink图像数据时，作为发送端使用同步FIFO模块缓存后将96bit的2Medium图像数据拆分成两个48bit的图像数据，然后将拆分后的图像数据转换为AXI4-stream数据流送入万兆以太网发送模块进行发送；作为接收端使用万兆以太网接收模块对AXI4-stream数据流进行接收，然后根据时钟节拍分别写入两个异步时钟FIFO模块，将AXI4-stream数据流转换为两个48bit的图像数据，最后将两个48bit的图像数据还原成96bit的2Medium模式图像数据。

在本发明内，传输其它常用(Base、Medium、Full)模式Cameralink图像数据时，作为发送端将Cameralink图像数据转换为AXI4-stream数据流送入万兆以太网发送模块进行发送，作为接收端使用万兆以太网接收模块对AXI4-stream数据流进行接收，然后写入异步时钟FIFO模块，以图像时钟读出数据后还原成Cameralink图像数据。

在本发明内，万兆以太网模块33使用的协议接口是AXI4-stream标准协议接口，AXI4-stream标准协议接口可以用于高速大数据应用，去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输，能在芯片内部进行数据流传输。

在本发明内，通讯模块34，用于读取通讯接口模块2传输的RS422串口信号，接收相机相关信号。电源模块35，用于给装置供电，供电电压是5V。SFP光模块4，用于将发送端的电信号转换为光信号，通过光纤传输后，再将接收端的光信号转换为电信号。

在本发明内，作为发送端，Cameralink接口模块包括：

相位调整模块，用于读取不同相机数据时进行相位调整。

数据转换模块包括：

同步FIFO模块，用于数据缓存；

具体地讲，如图2所示，本发明用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置作为传输2Medium图像数据发送端的一种实施例结构，本实施例中，Cameralink连接器采用的接口类型是Cameralink SDR接口，总共有四个Cameralink SDR接口；通讯接口模块2包括J30J-15微型连接器21、422接口芯片22，串口接口模块2与串口通讯模块34连接，用于传输RS422串口信号，接收相机外同步信号、相机控制信号，发送相机反馈信号；Cameralink接口模块31包括时钟转换模块311、Cameralink数据串并转换模块312、相位调整模块313。时钟转换模块311，用于发送端将差分时钟信号转换为单端时钟信号，并将单端时钟信号进行7倍频；接收端将单端时钟信号进行7倍频，并将单端时钟信号转换为差分时钟信号。Cameralink数据串并转换模块312，用于将4对串行LVDS数据和28位的并行数据相互转换。相位调整模块313，用于读取不同相机数据或输出图像数据时进行相位调整，解决图像数据偏移的问题。数据转换模块32包括同步FIFO模块321、图像数据拆分模块322、异步FIFO模块323，然后将拆分后的图像数据转换为AXI4-stream数据流送入万兆以太网发送模块331进行发送，8*12bit的2Medium图像模式每次传输的数据量为96bit，但是用于万兆以太网传输的AXI4-stream数据宽度64位，因此需要对2Meiudm图像数据流进行处理，在发送端首先使用一个同步时钟FIFO模块321对图像数据进行缓存，随后图像数据拆分模块322将96bit的2Medium图像数据进行拆分成2个48bit的图像数据，依次写入一个异步时钟FIFO模块323，经过异步时钟FIFO模块后，时钟频率由图像传输的时钟变为AXI4-stream数据流传输的时钟，读出的48bit图像数据添加16bit的0转换成64bit的数据，最后将数据转换为AXI4-stream数据流送入10GEthernet发送模块331进行发送。

在本发明内，作为接收端，Cameralink接口模块包括：

相位调整模块，用于输出图像数据时进行相位调整。

而且，数据转换模块包括：

具体地讲，如图3所示，为本发明用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置作为传输2Medium图像数据接收端的一种实施例结构，本实施例中，数据转换模块32包括异步FIFO1模块324、异步FIFO2模块325、图像数据还原模块326，作为接收端使用时首先使用10GEthernet接收模块332对AXI4-stream数据流进行接收，然后根据时钟节拍分别写入两个异步时钟FIFO模块324、325，将AXI4-stream数据流转换为两个48bit的图像数据，时钟频率由AXI4-stream数据流传输的时钟变为图像传输的时钟，最后图像数据还原模块326将两个48bit的图像数据组合成96bit的2Medium图像数据，进而转换成标准的Cameralink的图像数据格式，通过传输转换的Cameralink图像可以连接到图像采集卡进行图像显示，传输2Medium格式图像时发送端到接收端数据转换模块数据流，如图7所示。

如图4所示，为本发明用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置作为传输其它常用(Base、Medium、Full)模式图像数据的发送端的一种实施例结构，设备上比较常用工业相机的Cameralink接口有Base、Medium、Full三种工作模式，为更好的兼容原来的传输方案，本发明还可以传输其它常用模式的图像数据，本实施例中，数据转换模块32包括图像数据转换模块327、异步FIFO模块323，Cameralink图像数据经数据转换模块327和异步FIFO模块323后，转换为AXI4-stream数据流送入万兆以太网发送模块331进行发送。

如图5所示，为本发明用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置作为传输其它常用(Base、Medium、Full)模式图像数据的接收端的一种实施例结构，本实施例中，数据转换模块32包括异步FIFO模块323、图像数据还原模块326，本实施例使用万兆以太网接收模块对AXI4-stream数据流进行接收，然后写入异步时钟FIFO模块323，以图像时钟读出数据后还原成Cameralink图像数据。

在本发明内，LED信号灯控制模块36，用于控制LED信号灯6，LED信号灯6可指示所属装置的工作状态、光纤传输状态和Camralink图像帧频；FLASH芯片选用PC28F00AP30TF芯片，用于程序的存储和上电自动加载。

如图1、图2、图3、图4所示，数字图像由SDR26接口接入发送端FPGA芯片3，经FPGA芯片3数据处理后转化为AXI4-stream数据流通过SFP光模块连接的光纤传输到接收端；接收端FPGA芯片3将接收到的AXI4-stream数据流再转换为Cameralink协议的图像数据通过SDR26接口输出到图像采集卡。发送端相机会输出4对差分数据和1对时钟差分信号，根据协议需将这5对差分信号转化为CMOS/TTL信号，接收时再将CMOS/TTL信号转换为LVDS信号。

如图6所示，本发明可安置在光电经纬仪机上镜筒和机下机箱作为图像传输的发送端或接收端，设备使用时连线简单、使用方便；本发明包括Cameralink连接器、通讯接口模块、FPGA芯片、SFP光模块，FPGA芯片包括通讯模块、Cameralink接口模块、数据转换模块、万兆以太网模块；作为发送端使用时可将Cameralink图像数据转化为AXI4-stream数据流进行高速、稳定地光纤传输；作为接收端使用可将AXI4-stream数据流完整、实时地还原回Cameralink图像数据。

本发明主要解决了当前光电经纬仪的图像传输方案无法对高帧频高分辨率工业相机图像采集和稳定传输的问题，还解决了硬件结构不通用、连线复杂、使用不方便等问题。

本发明利用万兆以太网进行光纤传输，传输稳定、使用方便。

本发明可作为发送端和接收端传输2Medium模式或其它常用(Base、Medium、Full)模式的Cameralink图像数据，硬件结构简单、通用性好、能兼容各种图像采集卡。

本发明通过光纤连接，使得只需要连接光纤和电源线，这样配线简单、易于维护，并且由于光纤的通信容量大、可传输大量数据，因此，适合传输高帧频、高分辨率的图像数据。

本发明可作为光电经纬仪机上、机下图像传输方案的发送端和接收端，硬件结构简单、通用性好、能兼容各种图像采集卡。

本发明可通过程序配置来适应传输模式的变化，即可以传输特殊的2Medium模式，也可以传输其他常用(Base、Medium、Full)模式的Cameralink图像。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其应用于经纬仪光电设备中，所述经纬仪光电设备设置有机上镜筒与机下机箱，其特征在于，包括：

串口接口模块，用于连接其它串口接口从而传输串口信息；

电源模块，用于供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，所述FPGA芯片包括：

3.根据权利要求2所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，所述Cameralink接口模块包括：

相位调整模块，用于读取不同相机数据时进行相位调整。

4.根据权利要求2所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，所述Cameralink接口模块包括：

相位调整模块，用于输出图像数据时进行相位调整。

5.根据权利要求2所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，所述数据转换模块包括：

同步FIFO模块，用于数据缓存；

6.根据权利要求2所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，所述数据转换模块包括：

7.根据权利要求1所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，所述万兆以太网模块采用的协议接口是AXI4-stream标准协议接口。

8.根据权利要求1所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，还包括用于控制LED信号灯的LED信号灯控制模块。

9.根据权利要求1所述的一种用于Cameralink高速工业相机的数字图像传输装置，其特征在于，还包括用于程序的存储和上电自动加载的FLASH存储芯片。