基于LVDS技术的高速图像采集系统的设计_孙春凤

2009年　第3期
仪表技术与传感器
I n s t r u m e n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r 2009　
N o .3　
收稿日期:2008-01-10　收修改稿日期:2008-12-21
基于L V D S 技术的高速图像采集系统的设计
孙春凤,袁　峰,丁振良,何　雷
(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,黑龙江哈尔滨　150001)
摘要:针对图像传感器采集数据量大、传输通道多、传输速度快等特点,将L V D S 技术应用于图像采集系统,提出了一种基于L V D S 技术的多通道高速图像采集系统。

详细介绍了L V D S 技术的基本工作原理、技术特点,并结合实际设计要求,重点阐述了多通道高速图像采集系统的总体结构和各部分的硬件构成及系统控制部分的软件设计流程。

同时,对于不同的图像尺寸和S P I 接口情况进行了F P G A 内部模块的系统仿真,证明整个系统能够实现对数据量高达5.9G b i t /s 的1280×1024图像阵列的实时采集和数据传输功能。

关键词:图像传感器;L V D S ;图像采集
中图分类号:T P 274 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2009)03-46-03
D e s i g no f H i g h -s p e e d I m a g e A c q u i s i t i o n S y s t e m B a s e d o nL V D ST e c h n o l o g y
S U NC h u n -f e n g ,Y U A NF e n g ,D I N GZ h e n -l i a n g ,H EL e i
(H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,D e p a r t me n t o f A u t o ma t i o nMe a s u r e me n t a n dC o n t r o l ,H a r b i n 150001,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r p r e s e n t e d a h i g h -s p e e d i m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o n L V D S t e c h n o l o g y ,w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c s o f m a s s d a t a ,m u l t i p l e c h a n n e l s ,h i g h -s p e e d o f d a t a a c q u i s i t i o n .I t e x p a t i a t e d t h e o p e r a t i o n p r i n c i p l e a n d t e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i c s o f l o wv o l t a g e d i f f e r e n t i a l s i g n a l i n g(L V D S ),a n de m p h a s i z e dt h e w h o l ef r a m e ,h a r d w a r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r e d e s i g no f c o n t r o l p a r t .I t s i m u l a t e dF P G Ai n t e r n a l m o d u l e s a c c o r d i n g t o i m a g e s i z e a n d S P I p o r t ,a n d p r o v e dt h e s y s t e mc a na c q u i r e 1280×1024p i x e l a r r a y a n dt r a n s m i t 5.9G b i t s /s i m a g e d a t a .K e yw o r d s :i m a g e s e n s o r ;L V D S ;i m a g e a c q u i s i t i o n 0　引言
目前,在高速图像采集领域中,成像系统多采用C C D 或C M O S 图像传感器作为图像采集器件,随着C C D /C M O S 图像传感器像素阵列的增加和采集速率的增大,单位时间内图像传感器采集的数据量成倍增加,因此要求数据传输速度越来越高。

通常单通道数据传输方式已无法满足高速图像采集系统的数据传输的要求,必须采用多通道并行的传输方式。

采用新的技术解决I /O 接口问题成为必然趋势,L V D S 高速低功耗接口标准为解决该问题提供了可能[1]。

多通道并行的高速图像采集系统设计过程中,将L V D S 技术应用于并行数据传输部分,使系统能实时实现快速运动目标高速图像采集和传输的功能。

1　L V D S 技术
L V D S (L o wV o l t a g e D i f f e r e n t i a l S i g n a l i n g )接口又称R S -644总线接口[2],是一种低摆幅的差分信号技术,核心是采用极低的电压摆幅(约350m V )高速差动传输数据,实现点对点或一点对多点的连接,具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点,其传输介质可以是铜质的P C B 连线,也可以是平衡电缆。

L V D S 在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到广泛的应用。

目前,流行的L V D S 技术规范有2个标准:T I A /E I A 的A N S I /T I A/E I A-644标准和I E E E 1596.3标准。

标准推荐的最高数据传输速率是655M b i t /s ,理论上,在一个无衰
耗的传输线上,L V D S 的最高传输速率可达1.923G b i t /s [3]
.
1.1　L V D S 工作原理
简单的L V D S 传输系统由一个驱动器和一个接收器通过一段差分阻抗为100Ψ的导体连接而成,如图1所示。

驱动器由一个恒流源(通常为3.5m A )驱动一对差分信号线组成,由于接收器的直流输入阻抗很高,所以几乎全部的驱动电流直接流经100Ψ的终端电阻,从而在接收器输入端产生约350m V 的电压。

当驱动状态反转时,流经电阻的电流方向改变,于是在接收端产生一个有效的“0”或“1”逻辑状态。

图1　L V D S 的基本工作原理
驱动器只有一个恒流源,差分驱动器采用奇模(o d d -m o d e )的传输方式,即等量的方向相反的电流分别在传输线路上传送。

电流会重新回流到双绞线内,且电流环路面积较小,产生的电磁干扰很少。

恒流源对供电的限制,避免了突变电流的产生,使数据传输速度高达1.5G b i t /s ,功耗也不会大幅增加。

1.2　L V D S 的性能
L V D S 技术能解决目前物理层接口的瓶颈,是由于其在速度、噪声/E M I 、功耗、成本等方面有优秀特性。

表1为L V D S 与
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孙春凤等:基于L V D S 技术的高速图像采集系统的设计
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其他几种接口的性能比较。

同为差分传输接口,L V D S 与R S -422、P E C L 相比,在传输速率、功耗、接收灵敏度和成本等方面
都有优越性;与传统的T T L /C M O S 接口相比,L V D S 在高速、低抖动及对共模特性要求较高的数据传输系统中的应用有优势。

表1　L V D S 与其他几种接口的性能比较
参数输出电压摆幅(典型值)接收器输入阈值
/m V 速度
/(M b i t ·s -1
)
驱动器传输延迟(最大值)/n s
接收器传输延迟/n s 动态功耗噪声综合成本
L V D S ±350±100>4001.72.7最低低低R S -422+2×103±200<301130低低低P E C L ±800±200>4004.5
7.0
高低高T T L
2.4×103
1.2×103
<100
高
高
低
2　系统结构设计
高速图像采集系统设计的主要目的是对空间快速运动目标进行图像采集。

根据被测目标快速运动的特点和系统设计实时性的要求,系统选用L U P A 1300型高速C M O S 图像传感器作为运动目标的图像采集器件。

L U P A 1300型图像传感器是一种同步式快门的有源像素传感器,具有1280×1024像素单元阵列,像素尺寸为14×14μm 2,全分辨率下的帧速可达450帧/s (开窗情况下帧速可以更高),数据传输量为590M P i x e l s /s ,其高帧速通过片上集成的16路并行输出放大器实现,每个放大器的像素率均为40M H z .图像传感器输出的离散模拟像素数据需要经过高速A /D 转换器转换才能成为图像处理系统或计算机能够处理的数字信号。

根据图像传感器的技术指标,如果每个像素阵列为10位,那么整个高速图像采集系统传输通道传输的数据量将达到5.9G b i t /s (1280×1024×450×10=5.9G b i t /s )。

若采用16路并行输出的传输方式,会对电路的可靠性产生很大影响,数据传输速度和距离也会有很大限制,以目前的主流存储设备要达到大数据吞吐量很困难,因此文中设计的高速图像采集系统在传输过程中采用L V D S 技术进行通道合并,以较宽的传输频带进行数据传输,从而实现高速图像采集和数据传输的功能。

高速图像采集系统工作原理框图如图2所示。

整个系统由C M O S 图像传感器、差分放大器、A /D 转换器和F P G A 时序控制处理模块等部分组成。

其中,由于采用L V D S 技术的A /D 转换器对于输入和时钟的特殊要求,图像传感器输出的模拟信号需要经过差分放大器将单端信号转化为差分信号,再通过滤波传输网络才能送入A /D 转换器件进行A /D 转换。

图2　高速图像采集系统工作原理
3　硬件电路的设计
高速图像采集系统的硬件电路设计主要包括2部分:图像传感器和A /D 转换器。

其中,图像传感器的硬件设计主要是传感器的供电电源设计;A /D 转换器的硬件设计主要包括A /D
转换器的输入电路和时钟设计。

整个系统的时序控制和驱动
功能主要由1片F P G A 芯片实现,再通过1组20针接口传入图像传感器或通过信号线控制差分放大器和A /D 转换器。

3.1　供电电源电路
L U P A 1300型图像传感器的电源较复杂,列读出放大器、输出模块、数字模块、驱动模块、像素复位等都需要自己的供电电源和地。

其中,离线“地”可以互连,但所有的供电电源不能都连接在一起,需要几组供电电源。

为了减少电磁干扰,电源之间需要进行适当屏蔽,片上每个模块的“地”都需要分开。

同时,供电电源电路还需要能够承受峰值电流,供电电源电路中最大的峰值电流为像素阵列峰值电流V p i x =200m A .开始供电的瞬间,V p i x 可能大于300m A ,因此必须对其进行限流,否则将损坏特殊供电电源的粘合线(如果粘合线损坏,传感器将无法正常工作)。

存储单元直流低电平的供电电源V m e m L 必须是灌电流,而不能是源电流。

另外,高速图像采集系统中的差分放大器也需要恒定的5V 电源。

系统采用A M S 1117作为供电电源电平转换器件。

由于C M O S 图像传感器中含有数字部分和模拟部分,因此需要独立供电。

图3为单路源电流电路原理图,其中,供电电源在接近传感器管脚时需要接去耦电容进行滤波(100n F 滤除高频成分,10μF 滤掉低频成分)。

实际应用中,传感器供电电源部分共采用4路源电流电路,分别对应不同的电压值(4.4V 、5V 、5.5V 、6V )。

另外,对于V m e m L ,设计中采用集成运算放大器O P A 551,该放大器可以产生800m A 的灌电流,可以满足存储单元直流低电平的供电要求,灌电流电路原理如图4所示。

图3　单路源电流电路原理
3.2　A/D 转换器电路设计
L U P A 1300型图像传感器是16路并行高速模拟输出,为了提高整个系统的集成度和数据传输的可靠性,简化印刷电路板(P C B )布线和节省P C B 面积,系统选用A D 9212芯片作为A/D 转换器件,是一种8通道L V D S 串行A /D 转换芯片,采样精度
为10位,最高采样频率65M S P S ,模拟带宽最高325M H z ,片上集成采样保持电路。

2片A D 9212芯片即可满足图像采集系统
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M a r .2009
图4　灌电流电路原理
对于数据传输速度和数据量的要求。

A D 9212芯片对于输入信号有着特殊的要求,设计过程中,图像传感器输出的模拟信号需要经过集成差分运算放大器A D 8334放大,再通过滤波传输网络才能送入A D 9212的信号输入端。

A /D 转换器的输入电路如图5所示,差分放大器和A /D 转换器之间的R C 电路组成滤波网络,滤除信号中的噪声分量。

同时,A /D 转换器时钟的好坏对信号的采集也有显著的影响,因此需要高精度、低抖动的时钟信号。

系统采用时钟驱动芯片A D 9515作为时钟驱动器,该芯片不仅具有时钟驱动功能,还可以进行高精度的分频,具有锁相功能,通过配置可以实现调节分频系数,延时调整等功能。

时钟输入采取单端C M O S 输入,电压为3.3V .其A D C 时钟电路如图6所示。

4　时序驱动和控制的F P G A 实现
L U P A 1300型图像传感器可以通过编程控制X 和Y 移位寄存器的读取。

像素阵列的扫描方式有行扫描和列扫描2种。

每个X 和Y 移位寄存器的起始点都是独立的,通过串并行接口(S P I )传输的地址数据决定具体位置。

2种移位寄存器的工作方式相同。

置位起始点的同步脉冲启动每个寄存器,并对其初始化。

X 和Y 移位寄存器的时钟脉冲独立地进行地址移位,使行和列以正确的顺序读出。

基于F P G A 的传感器时序控制和驱动模块主要包括2个部分:时序驱动电路;和图像传感器相连的S P I 接口控制(为了将传感器扫描的初始地址发送给传感器的内部寄存器)。

图像传感器的时序主要分为与像素阵列有关的时序和像素读取时序。

与像素阵列有关的时序主要包括对积分时间的
控制、同步式开关模式以及对每个像素单元内部的存储单元的
像素信息的采样。

像素读取时序主要包括同步信号、线选信号、控制行消隐时间信号。

时序驱动模块共有12个信号,其中m e m H L 、p r e c h a r g e 、s a m p l e 、r e s e t 、r e s e t d s (可选)用来控制积分时间,而s y n y 、c l k y 、c l k x 、s y n x 用来控制像素阵列的读取,n o r o w s e l 、p r e c o l 、s h c o l 控制行消隐时间。

时序驱动顶层模块如图7所示。

图7　时序驱动顶层模块
由于图像传感器的初始地址配置和A /D 转换器都是采用特殊的3线S P I ,因此采用近似的方法即可完成所需的设计。

采用了有限状态机(F S M ),将并行的数据转为串行发送到目标寄存器中。

S P I 接口控制模块综合后的顶层模块如图8所示。

图8　S P I 综合后的顶层模块
5　系统仿真
电路设计完成以后,需要检查输入是否正确,因此需要进行仿真。

系统利用M o d e l S i m 软件对F P G A 内部模块进行仿真。

对应于不同的图像尺寸(1280×1024、800×600、640×480),需要产生不同的驱动信号,仿真结果如图9所示。

设计了m o d e
信号,通过对其赋值可以直接改变驱动电路的工作状态,在系统更改图像采集范围时,可以避免F P G A 的重新上电加载程序。

通过S P I 接口,可以方便地对图像传感器和A /D 转换器进行配置,2部分的信号相似,仅给出一种仿真结果。

设计了复位信号r s t 和使能信号d e n a 。

S P I 的时钟信号频率是系统频率的1/2,因此在F P G A 中应该利用D C M 对该部分模块的时钟进行倍频。

S P I 模块的时序仿真图如图10所示。

6　结束语
为了提高数据传输能力,将L V D S 技术应用于多通道并行的高速图像采集系统中,仅用2片A /D 转换芯片实现了16路并行数据的高速传输,系统数据传输率可达5.9G b i t s /s ,并提高了可靠性和集成度。

同时,由于系统的时序驱动控制功能均由F P G A 芯片实现,因此具有较强的可重构能力。

(下转第51页)
　第3期
安荣等:基于F P G A 和U S B 2.0的数据采集系统
51　
图3　固件程序框架流程图
强系统的通用性和可移植性,可以对通用设备驱动程序(e z u s b .s y s )进行动态链接库(D L L )函数封装。

动态链接库对驱动程序的访问都是通过D e v i c e I o C o n t r o l 调用实现:首先调用Wi n 32函数C r e a t F i l e ()得到设备驱动程序的句柄,然后调用Wi n 32函数D e v i c e I o C o n t r o l (),通过得到的句柄把I O C T L 和相关的输入输出缓冲区提交给驱动程序。

当应用软件退出时,用C I o s e H a n d l e ()关闭设备[5]。

2.4　应用程序设计
应用软件主要由动态链接库和操作界面程序2部分组成。

动态链接库使用V C++编程实现,负责与U S B 设备驱动程序通信,响应应用程序的各种请求;操作界面程序使用V B 编程实
现,负责开启或关闭U S B 设备、检测U S B 设备、设定采集参数、连接设备、启动和停止采集、启动数据传输、擦除、复位等操作。

当点击控制面板相应的功能按钮时,通过动态链接库,在单片机的P A 口产生对应电平,F P G A 检测到对应P A 管脚的电平后,执行相应的操作。

数据上传时,将数据读入计算机事先开辟的大容量内存缓冲区,然后再将缓冲区的数据存盘。

3　结束语
介绍了一种基于F P G A 和U S B 2.0接口的高速数据采集系统,文中对该系统的功能和硬件模块化设计进行详细分析,另外,还介绍了F P G A 软件、芯片固件程序、驱动程序、应用程序的工作流程。

实验证明:该数据采集系统具有较强的通用性,且在某型号雷达信号处理器测试台中实现了模拟信号的采集,同时,也可适用于一般数据采集场合。

参考文献:
[1]　U n i v e r s a l S e r i a l B u s S p e c i f i c a t i o n .R e v i s i o n 2.0.C o m p a q ,H e w l e t t -P a c k a r d ,I n t e l ,L u c e n t ,M i c r o s o f t ,N E C ,P h i l i p s I n c ,2000.[2]　C Y 7C 68013d a t a s h e e t ,E Z-U S BF X 2T M U S BM i c r o c o n t r o l l e r .[3]　S i g n a l s ＆S y s t e m s ,P r e n t i c e -H a l l I n t e r n a t i o n a l ,I n c ,s e c o n d e d i t i o n ,
1997.
[4]　陈美銮,狄红卫,丘锦宏.基于U S B 接口和光纤传输的数据采集系
统.仪表技术与传感器,2006(1):32-34.
[5]　S T O N GN .U n i v e r s a l s e r i a l b u s (U S B )t o u n i v e r s a l i n t e r f a c e u s i n g p r o -g r a m m a b l e g a t e a r r a y s (F P G A )t om i m i ct r a d i t i o n a l h a r d w a r e (m i l i t a r y a i r c r a f t t e s t i n ga p p l i c a t i o n s )A U T O T E S T C O N .I E E E S y s t e m sR e a d i -n e s s T e c h n o l o g y C o f e r e n c e ,22-25,2003:386-391.作者简介:安荣(1984—),硕士研究生,研究方向为高速数据采集。

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(上接第48页
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图9　
图像传感器驱动时序仿真图
图10　S P I 模块时序仿真图
该设计已经应用于某高速视觉测量系统的数据采集部分,传输过程稳定。

参考文献:
[1]　王胜,王新宇.L V D S 技术及其在高速系统中的应用.遥测遥控,
2005,26(4):41-46.
[2]　陈智,邱跃洪,董佳.L V D S 接口原理及其在电路设计中的应用.
科学技术与工程,2005,5(21):1656-1657,1664.
[3]　司朝良.L V D S 接口电路及设计.今日电子,2003(1):17-18.作者简介:孙春凤(1976—),博士,主要研究方向为高速视觉测量,图像
处理。

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