CN203799371U - 一种用于小型无人机的高速图像数据存储器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于小型无人机的高速图像数据存储器，包括高速数字相机串行通迅链路接口电路、FPGA、乒乓缓存电路、USB接口电路、四片CF卡和异步串行通信接口电路；FPGA通过高速数字相机串行通讯链路接口电路与小型无人机上的相机相连；FPGA分别与乒乓缓存电路、4片CF卡相连；FPGA通过USB接口电路与上位机相连；FPGA通过异步串行通信接口电路与小型无人机上的惯性导航组件相连。本实用新型具有体积小、重量轻、方便携带的优点。

Description

一种用于小型无人机的高速图像数据存储器

技术领域

本实用新型涉及高速图像数据存储器。

背景技术

随着科技的发展，尤其是航天航空技术的发展，对图像存储设备的存储速度、容量、功耗、体积、重量、方便性要求也越来越高，特别是在数字相机分辨率和帧频不断提高前提下，能够实时保存海量数据信息的高速大容量存储系统就显得尤为重要。

目前应用于航天航空领域的存储器主要以固态存储器为主，与传统的机械存储器相比，它具有存取速度快、经久耐用，抗振性好、没有机械部件，稳定性好，非常适合在环境苛刻的条件下工作。

在固态存储领域，以NAND FLASH阵列、PCIe采集卡加固态盘为主，NANDFLASH阵列是采用并行总线和流水线技术，对多个FLASH颗粒进行读写操作，由于NAND FLASH本身存在缺陷，在使用中也会经常出现坏块，所以要不断的进行ECC纠错校验和坏块管理，给设计带来很大的难度。另外，NAND FLASH阵列体积较大，在容量上的扩展性也很差，如果容量不能满足新的需求，将要重新进行软硬件设计。PCIe采集卡加固态盘需要使用加固计算机，通过PCIe采集卡将数据存入固态盘，由于使用加固计算机，它的重量和体积很大，不宜携带，且各个生产厂家的固态盘在实际读写速度上有一定的差别，导致它的兼容性较差。

随着民用航空不断发展，越来越多的小型无人机（起飞重量小于200kg）应用于安全维稳、环境监测、防灾减灾中，它们对数据存储器的体积、重量、兼容性、方便携带性都有较高的要求，而现有的存储器形式无法满足小型无人机的需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种体积小、重量轻、方便携带的用于小型无人机的高速图像数据存储器。

本实用新型包括如下技术方案：

一种用于小型无人机的高速图像数据存储器，包括高速数字相机串行通讯链路接口电路、FPGA、乒乓缓存电路、USB接口电路、四片CF卡和异步串行通信接口电路；FPGA通过高速数字相机串行通讯链路接口电路与小型无人机上的相机相连；FPGA分别与乒乓缓存电路、4片CF卡相连；FPGA通过USB接口电路与上位机相连；FPGA通过异步串行通信接口电路与小型无人机上的惯性导航组件相连。

小型无人机上的相机为具有高速数字相机串行通讯链路接口的相机，小型无人机上的相机输出的串行高速差分信号通过高速数字相机串行通讯链路接口电路进行串并转换后获得并行数据，并行数据输入至FPGA，由FPGA进行数据转换后将每帧图像数据写入乒乓缓存电路；惯性导航组件输出的惯性导航辅助数据通过异步串行通信接口电路输入至FPGA；在FPGA的控制下从乒乓缓存电路中读取每帧图像数据并用惯性导航辅助数据代替每帧图像数据的最后一行后，将其并行存入4片CF卡中；当需要回放数据时，在FPGA的控制下，上位机通过USB接口电路读取4片CF卡中的数据。

乒乓缓存电路包括四片双倍速率同步动态随机存储器。

高速数字相机串行通讯链路接口电路包括3片串并转换芯片。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型的图像数据存储器包括CameraLink接口电路、FPGA、乒乓缓存电路、USB接口电路、四片CF卡和异步串行通信接口电路。相机输出的图像数据通过CameraLink接口电路输入至FPGA，在FPGA的控制下将其写入乒乓缓存电路，采用FPGA从乒乓缓存电路中读取数据并将其并行存储在四片CF卡中，从而实现大容量快速的图像数据存储；本发明根据CF卡自身特点能够实现体积小、重量轻、适合小型无人机（特别是起飞重量为80kg的小型无人机）携带的高速图像数据存储器。

附图说明

图1为本实用新型的硬件原理框图。

具体实施方式

下面就结合附图对本实用新型做进一步介绍。

如图1所示,本实用新型的图像数据存储器包括高速数字相机串行通讯链路（CameraLink）接口电路、FPGA、乒乓缓存电路、USB接口电路、四片CF卡和异步串行通信接口电路；FPGA通过高速数字相机串行通讯链路接口电路与小型无人机上的相机相连；FPGA分别与乒乓缓存电路、4片CF卡相连；FPGA通过USB接口电路与上位机相连；FPGA通过异步串行通信接口电路与小型无人机上的惯性导航组件相连；小型无人机上的相机为具有高速数字相机串行通讯链路接口的相机。小型无人机上的相机输出的串行高速差分信号通过高速数字相机串行通讯链路接口电路进行串并转换后获得并行数据，并行数据输入至FPGA，由FPGA进行数据转换后将每帧图像数据写入乒乓缓存电路；惯性导航组件输出的惯性导航辅助数据通过异步串行通信接口电路输入至FPGA；在FPGA的控制下从乒乓缓存电路中读取每帧图像数据并用惯性导航辅助数据代替每帧图像数据的最后一行后，将其并行存入4片CF卡中；当需要回放数据时，在FPGA的控制下，上位机通过USB接口电路读取4片CF卡中的数据。

CF（快速闪存）卡是一种固态存储器，本身尺寸为43mm×36mm×3.3mm，具有体积小、重量轻、更换方便等特点。本实用新型的CF卡可以选用容量为128GB、读写速度为90MB/S的闪迪公司CF卡。CF卡采用间距50mil的50针的双列封装，可以采用ADAM-TECH COMPACT FLASH SOCKETS插座，其电气特性符合ATA规范。

外部相机输出的高速差分信号输入至CameraLink接口电路，CameraLink接口电路将其转换成为8通道（Data_A至Data_H）共64bit的并行数据以及同步信号和时钟信号，由FPGA进行处理。CameraLink接口电路可以采用3个串并转换芯片，串并转换芯片可以采用美国国家半导体公司的DS90CR288芯片，时钟频率采用85MHz,每个串并转换芯片包含三个数据通道，每个通道可以输出8bit的数据。在图1中第三片串并转换芯片只输出了两个通道的数据。

FPGA采用Altera公司的Arria V系列芯片。Arria V系列芯片内嵌DDR3硬核控制器，最高时钟频率为533MHz。DDR3硬核与DDR3软核相比，DDR3硬核大大提高了系统的运算速度和稳定性。

乒乓缓存电路包括四片双倍速率同步动态随机存储器（DDR SDRAM）。DDRSDRAM可以采用美光公司DDR3芯片MT41J128M16HA。MT41J128M16HA数据位宽16位，最高频率支持1333MHz。

USB接口电路采用USB驱动芯片CY7C68013A。在FPGA的控制下，上位机通过USB接口电路对4片CF卡进行读写、擦除等操作。

异步串行通信接口电路实现惯性导航辅助数据的接收，惯性导航辅助数据可以将无人机的当前状态信息与图像数据进行对应，为后续的图像处理提供帮助。异步串行通信接口电路可以采用RS-422或者RS-232总线接口芯片。RS-422总线接口芯片采用AM26LV31E与AM26LV32E，实现全双工收发通讯，RS-232总线接口芯片采用MAX232CSE，这些芯片具有高性能、低成本、应用成熟的特点。

本发明的图像数据存储器的工作过程如下：

上电后FPGA由时钟驱动，首先进行设备初始化，并通过CameraLink接口电路判断是否有图像数据的同步信号，如果没有同步信号则一直等待，如果接收到同步信号的上升沿，则开始接收数据，在时钟信号有效的情况下读取Data_A、Data_B、Data_C、Data_D、Data_E、Data_F、Data_G、Data_H等8个通道的数据，每个通道为8bit，由FPGA并行接收64bit数据。由于DDR SDRAM为16bit的位宽，我们将4片DDR SDRAM分成2组，每组2片DDR SDRAM，共32bit的位宽，采用乒乓读写的方式操作DDR SDRAM。FPGA通过内部64转32位的FIFO将CameraLink接口电路接收的64bit数据转成高32bit和低32bit，通过FPGA内部的DDR硬核控制器不断存入第一组DDR SDRAM缓存中，当判断到同步信号的下降沿时，代表一帧图像接收完成，当下一帧图像同步信号有效时，我们按照上述方式将图像数据存入第二组DDR SDRAM缓存中，同时读取第一组DDR SDRAM缓存，并通过FPGA内部32转64位FIFO将从DDR SDRAM缓存读取的数据转成64位，由于CF卡的数据位数是16bit，所以我们将64bit的数据平均分成四部分，每部分为16bit，利用FPGA内部的CF卡控制器同时进行四片CF卡的读写操作，可以实现高速带宽的大容量存储功能，当再有一帧新的图像数据时，我们又开始存入第一组DDR SDRAM缓存并读取第二组DDR SDRAM缓存，并不断循环往复，直至任务结束。

另外，在每帧图像传输的过程中都会有一帧惯性导航辅助数据，FPGA在接收到图像的同步信号时，会同时等待惯性导航辅助数据的帧头，如果判断到惯性导航帧头，FPGA会将惯性导航辅助数据暂存在FPGA内部的存储器中，在从DDR SDRAM读取数据往CF卡存储的过程中，如果FPGA判断是图像最后一行时，用惯性导航辅助数据代替最后一行图像数据，将惯性导航辅助数据融入到图像数据中一同存入CF卡。从无人机上的惯性导航组件输出所述惯性导航辅助数据，并通过所述异步串行通信接口电路发送至FPGA。

当飞行任务结束后，通过USB接口进行回放，由上位机发送回放指令，经过USB接口启动FPGA回放模式，通过FPGA内部的CF卡控制器读取CF卡里面的数据，由上位机对数据进行解析，形成图像数据和惯性导航信息。

本实用新型未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种用于小型无人机的高速图像数据存储器，其特征在于，包括高速数字相机串行通讯链路接口电路、FPGA、乒乓缓存电路、USB接口电路、四片CF卡和异步串行通信接口电路；FPGA通过高速数字相机串行通讯链路接口电路与小型无人机上的相机相连；FPGA分别与乒乓缓存电路、4片CF卡相连；FPGA通过USB接口电路与上位机相连；FPGA通过异步串行通信接口电路与小型无人机上的惯性导航组件相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型无人机的高速图像数据存储器，其特征在于，小型无人机上的相机为具有高速数字相机串行通讯链路接口的相机，小型无人机上的相机输出的串行高速差分信号通过高速数字相机串行通讯链路接口电路进行串并转换后获得并行数据，并行数据输入至FPGA，由FPGA进行数据转换后将每帧图像数据写入乒乓缓存电路；惯性导航组件输出的惯性导航辅助数据通过异步串行通信接口电路输入至FPGA；在FPGA的控制下从乒乓缓存电路中读取每帧图像数据并用惯性导航辅助数据代替每帧图像数据的最后一行后，将其并行存入4片CF卡中；当需要回放数据时，在FPGA的控制下，上位机通过USB接口电路读取4片CF卡中的数据。

3.如权利要求1所述的用于小型无人机的高速图像数据存储器，其特征在于：乒乓缓存电路包括四片双倍速率同步动态随机存储器。

4.如权利要求1所述的用于小型无人机的高速图像数据存储器，其特征在于：高速数字相机串行通讯链路接口电路包括3片串并转换芯片。