基于FPGA的遠(yuǎn)程圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像信息的獲取和傳輸是圖像處理系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響圖像處理系統(tǒng)的性能。圖像信息的采集包括對(duì)圖像數(shù)據(jù)、各種附帶參數(shù)信息以及狀態(tài)控制信號(hào)的采集，一般圖像信號(hào)和狀態(tài)參數(shù)信號(hào)以及控制信號(hào)是獨(dú)立產(chǎn)生的，因此需要設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)能夠?qū)⑼獠吭O(shè)備產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)控制信號(hào)同步采集，并能長(zhǎng)距離高速傳輸，綜合考慮到圖像采集系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性，可靠性，以及FPGA在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，為此本文討論了一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)基于LVDS的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　高速圖像數(shù)據(jù)的采集傳輸系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括圖像數(shù)據(jù)源的形成、數(shù)據(jù)信息的處理和緩存以及幀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)三部分。其中，圖像數(shù)據(jù)源的形成過(guò)程中，成像設(shè)備作為圖像數(shù)據(jù)的來(lái)源，它為系統(tǒng)提供高分辨率的可見(jiàn)光和紅外圖像，考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高可靠性因素，采用LVDS傳輸接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離高速傳輸，解決了傳輸瓶頸問(wèn)題，圖像數(shù)據(jù)在進(jìn)入FPGA之前需通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接口(采用MAX9218實(shí)現(xiàn))將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)并緩存。

　　數(shù)據(jù)信息的處理由協(xié)處理器FPGA完成，主要包括圖像數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)信息的采集、緩存、組幀和圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。其中圖像數(shù)據(jù)的組幀過(guò)程最為復(fù)雜， FPGA根據(jù)圖像源中幀同步、行同步、圖像選擇信號(hào)接收解串圖像，存儲(chǔ)至緩存區(qū)，并將圖像附帶的參數(shù)信息寫入緩存后部，經(jīng)組幀狀態(tài)機(jī)形成所需的圖像數(shù)據(jù)幀。

　　圖像數(shù)據(jù)幀形成后，轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)至乒乓結(jié)構(gòu)的幀存儲(chǔ)器，其容量為：512×512×8bit=2Mb。同時(shí)硬件邏輯自動(dòng)將圖像和配套參數(shù)信息數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS圖像發(fā)送接口發(fā)送至數(shù)據(jù)鏈，圖像數(shù)據(jù)再次以串行的LVDS方式傳輸?shù)胶罄m(xù)設(shè)備進(jìn)行處理。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　FPGA及外圍硬件電路

　　在接口轉(zhuǎn)換電路模塊中，圖像數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端均需采用LVDS串行方式進(jìn)行傳輸，所以在接收端將串行輸入的數(shù)據(jù)并行接收進(jìn)FPGA進(jìn)行處理和在發(fā)送端將并行的數(shù)據(jù)串行輸出時(shí),需要進(jìn)行并串和串并轉(zhuǎn)換。

　　本設(shè)計(jì)選用MAXIM公司點(diǎn)對(duì)點(diǎn)LVDS串行/解串器芯片MAX9247/MAX9218實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　在MAX9218接收端，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,將串行數(shù)據(jù)源變成并行格式供FPGA處理，同樣在圖像數(shù)據(jù)鏈路終端發(fā)送方MAX9247對(duì)輸入的圖像數(shù)據(jù)也有特定的時(shí)序要求，涉及到數(shù)據(jù)位和控制位的交替?zhèn)鬏?需要由FPGA完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換, 并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)DE_IN。

　　可編程器件FPGA選用Xilinx公司Virtex-4系列XC4VLX25。實(shí)現(xiàn)的功能主要是：根據(jù)輸入的行幀同步，采圖像同步和圖像選擇信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的接收，并緩存到FPGA內(nèi)部的接收RxFIFO中，進(jìn)行幀頭幀尾識(shí)別、時(shí)序轉(zhuǎn)換，控制信號(hào)的生成，并且根據(jù)自定義的通訊協(xié)議，從數(shù)據(jù)流中分解出數(shù)據(jù)幀，同時(shí)將原始圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)打包到同一幀數(shù)據(jù)包中，輸出至數(shù)據(jù)鏈路終端。

圖像數(shù)據(jù)鏈路層

　　由圖3數(shù)據(jù)的流向來(lái)分析，從LVDS接口板輸出的串行圖像數(shù)據(jù)由14個(gè)數(shù)據(jù)位(數(shù)字圖像數(shù)據(jù)為D0--D13，低位在前高位在后)、幀同步、行同步、時(shí)鐘同步、圖像選擇信號(hào)、采圖同步信號(hào)組成。圖像數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘采用7.375MHz，DE_IN由圖像的幀同步信號(hào)產(chǎn)生，幀、行同步均為高電平有效，圖像選擇信號(hào)用來(lái)區(qū)分紅外和可見(jiàn)光圖像，紅外圖像為256×320b，可見(jiàn)光圖像為512×512b，19位圖像數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)MAX9218解串后的數(shù)據(jù)和控制位接入FPGA。

　　FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)紅外和可見(jiàn)光兩種不同類型的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸，設(shè)置一個(gè)模式寄存器ModeReg來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像選擇，可以填0或1，用來(lái)區(qū)分紅外和可見(jiàn)光，當(dāng)采集可見(jiàn)光時(shí)，每輸出一幀有效圖像數(shù)據(jù)，需輸出兩個(gè)幀信號(hào)，第一幀內(nèi)(A幀)只輸出采圖同步信號(hào)，不輸出圖像數(shù)據(jù)、行信號(hào)等，第二幀(B幀)中不輸出采圖同步信號(hào)，只輸出圖像數(shù)據(jù)、行信號(hào)等;當(dāng)采集紅外圖像時(shí)，只需輸出一幀，圖像選擇信號(hào)在第一個(gè)幀信號(hào)的下降沿跳變，至第二個(gè)幀信號(hào)下降沿有效，高電平表示紅外圖像，低電平表示可見(jiàn)光圖像。具體時(shí)序參考圖3。

　　經(jīng)過(guò)FPGA組幀完成的幀數(shù)據(jù)同時(shí)要轉(zhuǎn)發(fā)到終端數(shù)據(jù)鏈路和外部幀存儲(chǔ)器中，供后續(xù)設(shè)備調(diào)用。為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)設(shè)備提取圖像信息時(shí)的實(shí)時(shí)性，外部存儲(chǔ)模塊采用由乒乓開(kāi)關(guān)控制的兩個(gè)片外幀存儲(chǔ)器，應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)雙幀存交替切換，將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在兩個(gè)獨(dú)立的FIFO中，F(xiàn)IFO采用IDT公司的IDT72V2103，此器件快速的存取允許圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。在FPGA的控制下,FIFO空間的一幀數(shù)據(jù)送出后，然后開(kāi)始將FIFO1 空間的數(shù)據(jù)送出，同時(shí)又向FIFO中寫入下一幀數(shù)據(jù)，這樣可以保證后續(xù)圖像處理設(shè)備不間斷的提取圖像數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)快速處理，提高工作效率。

組幀狀態(tài)機(jī)

　　狀態(tài)機(jī)在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)成兩部分，為組幀狀態(tài)機(jī)(外圈)和組行狀態(tài)機(jī)(內(nèi)圈)。其中組幀狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序及條件見(jiàn)圖4，各狀態(tài)占用時(shí)間可以通過(guò)組行狀態(tài)機(jī)中的行計(jì)數(shù)來(lái)控制，近而可以完成不同大小規(guī)格的圖像的接收。組幀狀態(tài)機(jī)共有6個(gè)狀態(tài)。

　　state0：空閑狀態(tài)(系統(tǒng)復(fù)位)。state1：幀有效期開(kāi)始到行有效期開(kāi)始之間的延時(shí)。state2：圖像幀有效期，state3：圖像參數(shù)幀有效期。state4：行有效期結(jié)束到幀有效期結(jié)束之間的延時(shí)。state5：幀無(wú)效期。Reset為輸入的狀態(tài)機(jī)復(fù)位信號(hào)，在系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)，如果用來(lái)啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)的信號(hào)StartMakeFrame = 1,狀態(tài)機(jī)開(kāi)始工作，進(jìn)入系統(tǒng)下一狀態(tài)，組幀狀態(tài)機(jī)在各狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，依次進(jìn)入下一狀態(tài)，否則，保持在原狀態(tài)。

　　組行狀態(tài)機(jī)共有3個(gè)狀態(tài)。

　　stML_Idle：空閑狀態(tài)。stML_High：行有效期。stML_Low：行無(wú)效期。在外圈組幀狀態(tài)機(jī)的每個(gè)狀態(tài)中，包含n個(gè)組行狀態(tài)，所包含的組行狀態(tài)機(jī)中的行數(shù)即組幀狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)所占用時(shí)間，組行狀態(tài)機(jī)和組幀狀態(tài)機(jī)啟動(dòng)條件一致，同時(shí)啟動(dòng)。

以采集可見(jiàn)光圖像數(shù)據(jù)為例，上電復(fù)位期間 系統(tǒng)處于states0狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)用外部輸入的7.375MHz時(shí)鐘同步整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，圖像的幀、行、圖像數(shù)據(jù)等信號(hào)在同步時(shí)鐘的下降沿跳變，上升沿鎖存。一幀圖像數(shù)據(jù)的大小為512×512bit，并將圖像附帶的參數(shù)信息寫入圖像數(shù)據(jù)后一行(即513行)，在幀有效期間(states1、states2、 states3狀態(tài))，CLK 信號(hào)作為行計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘,每幀圖像在行有效之前有1行無(wú)效圖像信號(hào)(states1), 在states2狀態(tài)下，控制采集一幀中的前512行，在states3狀態(tài)下，采集圖象的參數(shù)信息，將圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)組合為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀，采集完一幀圖像數(shù)據(jù)后等待下一個(gè)幀同步信號(hào)的到來(lái)。在行有效期(stML_High)控制采集一行中的512個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，在CLK信號(hào)的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù), 在數(shù)據(jù)有效期間采集完512個(gè)像素點(diǎn),等待下一個(gè)行同步信號(hào)的到來(lái),按同樣方式對(duì)下一行512像素點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，直至采集完一幀中的512行。

　　系統(tǒng)仿真

　　在該系統(tǒng)中，狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，圖5是運(yùn)用Active-HDL7.1仿真工具的狀態(tài)機(jī)仿真結(jié)果，仿真時(shí)，采用7.375MHz時(shí)鐘同步，狀態(tài)機(jī)啟動(dòng)后，計(jì)數(shù)寄存器里的數(shù)據(jù)遞減，進(jìn)而產(chǎn)生各狀態(tài)轉(zhuǎn)移滿足的條件，以此實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的翻轉(zhuǎn)。

　　在Active-HDL7.1中編寫TestBench文件時(shí)，通過(guò)向組幀狀態(tài)機(jī)計(jì)數(shù)寄存器寫數(shù)，來(lái)控制各狀態(tài)所占用的時(shí)間，利用 StartMakeFrame信號(hào)高電平啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，各狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，狀態(tài)完成標(biāo)志就產(chǎn)生產(chǎn)生高電平跳變。

　　根據(jù)圖5的仿真結(jié)果，可以看出組幀狀態(tài)機(jī)工作正常，所有的邏輯關(guān)系也都驗(yàn)證無(wú)誤。

結(jié)語(yǔ)

　　本文采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高速圖像采集系統(tǒng)，并采用LVDS接口實(shí)現(xiàn)接收與發(fā)送，各種模塊之間通過(guò)緩存實(shí)現(xiàn)通信,避免圖像的丟失;采集的圖像類型和圖像尺寸可以通過(guò)軟件重新配置FPGA進(jìn)行調(diào)整。總之，基于FPGA 的高速專用圖像采集系統(tǒng)電路集成度高、信噪比高、功耗低、成本低、速度快以及接口方便，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用兩幀切換存儲(chǔ)方式，使得后續(xù)的其它圖像處理模塊能夠與圖像采集模塊并行工作，為圖像處理器的高度集成化實(shí)現(xiàn)提供了可能性。