摘? 要: 基于PCI Express總線設計了一種高幀頻CMOS相機圖像采集系統。選用幀頻250幀/s的LUPA-300作為高幀頻圖像傳感器，通過FPGA實現對圖像傳感器的參數配置與圖像數據處理，采用PCI Express總線作為圖像數據傳輸總線，大大提高了傳輸速度。實驗結果表明該系統結構簡單、成像清晰穩定、拍攝速度快，可應用于高速目標的拍攝。
關鍵詞： PCI Express； 高幀頻； CMOS圖像傳感器； FPGA
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隨著信息科學的飛速發展，人們對數據采集系統的要求愈來愈高。數據采集技術是現代信號處理和信號存儲的基礎，廣泛應用于雷達、通信、遙測遙感等領域。在數字信號處理及存儲工作中，實現對所需數據高速、實時采集具有重要意義。為了實現對高幀頻CMOS相機高速、大容量圖像數據實時存儲，要求光電測控設備的數據采集系統具有數據傳輸效率高、傳輸延時低、系統集成度高、系統可維護性高等特點。現在的大多數圖像采集卡多數是基于PCI接口的，其數據傳輸率很難滿足大容量、高速的圖像數據傳輸。PCI Express(簡稱為PCI-E）是一種新型的點對點的串行連接的I/O體系。PCI-E為總線技術帶來了顛覆性的革命，其所能提供的高帶寬和引入低延遲是其前幾任總線所望塵莫及的。相比傳統的PCI總線，PCI-E總線有很大的優勢：首先,PCI-E降低了芯片連接的管腳數量，簡化了PCB板的設計和布局；其次，PCI-E是非共享的串行差分接口，不會出現多個設備共享帶寬的情況，PCI-E X1的理論帶寬為發送、接收均為250 MB/s，PCI-E X4發送、接收的理論帶寬均為1 GB/s，并且在PCI-E 2.0協議中會使用更高速5 GB/s的物理層收發器，其速度將會翻倍。因此，PCI-E總線接口特別適合于超高速的數據傳送，研發基于PCI-E總線接口的數據采集卡具有重要意義[1-3]。
本文基于PCI Express總線設計出該高速CMOS相機圖像采集系統。在本系統中，高速CMOS相機幀頻為250幀/s，分辨率為640×480，每個像元數據位為10位，系統中采用FPGA芯片實現對整個系統的控制，利用FPGA內部提供的FIFO IP核實現了高速圖像數據的緩存處理。為了提高CPU利用率，設計中專門采用2個FIFO的乒乓操作來實現圖像數據的緩存處理。
1 系統構成及原理
整個高幀頻圖像采集系統由成像單元、FPGA控制單元、PCI-E圖像采集單元、驅動程序及圖像采集存儲軟件組成，如圖1所示。
系統工作原理：系統上電后，FPGA控制單元首先對高幀頻CMOS傳感器內部參數實現配置，配置完成后,高幀頻CMOS圖像傳感器開始工作，通過內部的光電轉換、模數轉換將外部鏡頭采集到的圖像轉換成數字圖像的幀頻信號、行頻信號、像素時鐘信號，并將圖像數據傳送給FPGA內部的FIFO進行緩存處理。為了提高數據的緩存處理速度，提高CPU的利用率，系統中采用了2個FIFO的乒乓操作來完成數據的緩存。經過FIFO緩存處理后的圖像數據輸入到PCI-E圖像采集單元的DMA數據流，上位機軟件結合驅動程序控制PCI-E采集單元，通過中斷操作觸發DMA操作，將數據通過DMA數據流傳輸到計算機內部存儲器中，上位機軟件實現圖像的處理與顯示，重現成像單元捕獲的圖像。
2 系統硬件
2.1高幀頻CMOS成像單元
高幀頻CMOS 成像單元主要由CMOS圖像傳感器與FPGA控制芯片組成。CMOS圖像傳感器是系統的成像部件，它是系統的“眼睛”，能夠捕獲高速運動物體的圖像，其電路輸出為數字信號圖像數據。本文中所采用的CMOS圖像傳感器是Cypress公司推出的產品LUPA-300，它將模擬圖像獲取、數字化和數字信號處理的功能集成在單一芯片中，分辨率為640×480；幀頻達到250幀/s，屬于高幀頻圖像傳感器，可以實現動態目標的跟蹤拍攝；動態范圍為61 dB,采用多斜率積分最高可達到90 dB；內部集成有4個獨立的模數轉換器(ADC)，采樣率為80 MS/s，集成的ADC提供10 bit的數字信號輸出，內部有大量的寄存器和控制器，可以對傳感器的工作狀態進行選取，實現實時調整；采用同步快門，具有隨機開窗與亞采樣功能，可對片上任意感興趣的區域進行讀取，并且每幀圖像可以讀取不同的區域。該傳感器的時鐘頻率可達到80 MHz。
LUPA-300供電要求比較復雜，需要提供6種電源：VDDA(模擬電源+2.5 V)、VDDD(數字電源+2.5 V)、VPIX(像素電源+2.5 V)、VRES(復位電源+3.3 V)、VMEM_H(像素存儲電源+3.3 V)、VADC(ADC電源＋2.5 V)。由于需要電源較多，在電路設計中考慮到元件的管腳分布情況，盡量做到電源和地到相應的管腳距離最短。同時為了保證傳感器工作穩定，在位于傳感器底座下方的TOP層進行了大面積鋪地。出于冗余保護的考慮，傳感器的所有供電管腳都并接了2個0.1 μF和0.01 μF電容。為了使傳感器正常成像，選用F=50 mm的V5013標準鏡頭。外殼由鋁制材料加工而成，正中心位置提供鏡頭接口。
2.2 時序控制與自動化參數配置
??? LUPA-300圖像傳感器內部有16個寄存器，地址從0000～1111，每個寄存器有16位，其中高4位代表寄存器的地址，低12位是寄存器的數據，每一位都有特定的含義，通過改變每一位的數值就可以改變LUPA-300的功能特性。LUPA-300傳感器提供了專用的SPI總線接口，設計中采用FPGA與圖像傳感器之間通過SPI總線傳輸協議實現對LUPA-300圖像傳感器內部參數的配置。SPI總線的工作時序如圖2所示，每個數據有16位，后4位（bit<15:12>）為地址位,對應于CMOS圖像傳感器內部寄存器的地址，前12位（bit<11:0>）為數據位，對應于系統成像單元的成像參數。
為了方便地更改傳感器內部參數，以根據不同需求來改變傳感器的工作狀態，系統采用了串行通信。上位機通過串行通信向FPGA發送數據，FPGA接收到數據后對數據進行處理，一方面將接收到的數據反饋給計算機，檢驗數據的正確性；另一方面通過SPI總線將數據傳送到圖像傳感器內部，實現內部參數的改變。結構原理圖如圖3所示。
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2.3 FPGA控制單元
FPGA控制芯片是系統的“指揮中心”，也是系統設計中的一個核心器件，用以協調整個系統的工作，其作用貫穿于整個系統。完成的主要功能包括：(1)進行自身的I/O口和有關功能控制寄存器的初始化；(2)系統上電后完成對高幀頻CMOS圖像傳感器的圖像參數配置；(3)內部FIFO資源實現高速圖像數據的緩存處理；(4)為PCI9054接口芯片提供外部中斷信號及DMA控制時序； (5)接收計算機的控制命令控制整個系統的功能實現。本系統選用Xilinx公司的XC2S200,片內集成有56 KB的Block RAM, 4個延遲鎖相環DLL(Delay-locked Loop)。
XC2S200能兼容多種I/O電壓，并且具有豐富的I/O引腳。核心電壓為＋2.5 V，設計中采用的I/O電壓為＋3.3 V。
2.4 圖像采集單元
為了實現對CMOS相機大容量、高速圖像數據記錄，要求數據采集系統具有數據傳輸效率高、傳輸延時低、系統集成度高、系統可維護性高等特點。本系統采用PCI-E總線實現數據的傳輸，PCI-E采用了目前業內流行的點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。相對于傳統PCI總線在單一時間周期內只能實現單向傳輸，PCI-E的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。
系統采用PCI-E插卡實現圖像數據的采集，采集單元主要由采集接口電路與圖像采集卡組成。采集接口電路與硬件的數據總線和控制總線相連，并提供采集單元的標準數據接口；采集單元通過采集接口電路與系統的控制總線和數據總線相連。PCI-E接口芯片采用PLX公司的專用接口芯片PEX8311來實現[4]。PEX8311是PLX公司推出的第一款從PCI-E總線到本地總線的接口芯片，它完全符合PCI-E1．0規范，支持熱插拔功能，并且其本地端寄存器與PLX公司PCI系列接口芯片基本兼容，這為使用PLX公司產品的用戶開發PCI-E接口提供了方便。PEX8311在PCI-E端實現了×1的PCI-E接口，2對差分線分別負責發送和接收數據，一對參考時鐘差分線供PCI-E接口的通信雙方在訓練時建立連接使用，接口的單向數據傳輸率為2．5 Gb/s，由于串行數據采用8 bit/10 bit編碼，其有效總線帶寬為256 MB/s；本地端為32 bit、66 MHz的1．ocal Bus，總線帶寬為264 MB/s。
3 系統軟件
3.1 驅動程序
??? PCI-E總線與PCI總線在軟件層是完全兼容的，因此，PCI-E卡驅動程序的開發過程與PCI設備驅動程序的開發過程是一樣的，本設計開發了PCI-E卡的WDM 驅動程序。
??? 驅動程序的開發選用Comppuware公司的開發工具包Driver Studio，Driver Studio開發工具包簡化了Windows平臺下設備驅動程序的開發、調試以及測試，它包括VtoolsD、DriverWorks和SoftICE等開發工具。該軟件包是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++，使用和維護都比較方便，它可以集成到Visual C++環境中，針對特定的應用生成相應的驅動程序框架，在編程中采用面向對象的編程方法，極大地提高了編程效率。
驅動程序主要完成的功能：(1)設備的初始化，找到所要控制的硬件,在驅動程序對象中設置驅動程序分發例程的程序入口點；建立所有驅動程序對象或其他系統資源； (2)創建設備對象,利用AddDevice函數創建了一個設備對象，并將其連接到以PDO為底的設備堆棧中；(3)中斷的響應與處理，完成了對外部硬件中斷的響應，并將中斷信息傳遞給應用程序，通過應用程序實現一定的功能；(4)DMA操作，完成DMA的讀寫操作，并在DMA傳輸結束后產生DMA中斷，通過響應的DMA中斷處理將傳輸的數據發送到外部總線或應用程序。
3.2 上位機軟件
上位機應用程序使用Visual C++開發，采用Visual C++的MFC框架，編寫一個多線程圖像采集與處理程序。為了方便用戶操作，創建了一種基于對話框的應用程序，用戶只需要控制相關的按鈕及菜單即可實現圖像采集的相應功能。應用程序主要完成的功能包括：(1)傳輸計算機指令到采集單元，對系統硬件進行控制；(2)配置數據采集卡，采集處理FIFO輸出的數據；(3)進行簡單的圖像處理與分析； (4)對采集數據的硬盤存儲與圖像恢復顯示。軟件流程如圖4所示。
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4 實驗結果
系統測試過程中，整個系統通過PCI-E插槽與計算機相連，通過上位機軟件控制系統硬件電路工作，并通過PCI_E總線傳輸獲取圖像數據進行顯示，系統在全幀模式(640×480)下對實際目標進行了實時跟蹤拍攝，拍攝到的圖像如圖5所示。
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圖5中兩幅圖像分別顯示了同一運動物體在不同時刻的運行狀態，所拍攝物圖像較為清晰， 體現了系統的高速拍攝特性和實時行，在對系統進行長時間的拷機實驗時，系統未發生不正常工作現象，說明系統工作穩定性較好。
本文設計了基于PCI Express總線高幀頻CMOS相機圖像采集系統，完成了硬件電路的設計，并針對硬件電路開發了驅動程序和上位機應用程序。該系統采用PCI Express總線實現硬件電路與計算機之間的高速數據傳輸，接口芯片采用PLX公司推出的第一款從PCI Express總線到本地總線的接口芯片PEX8311來實現。實驗結果表明，本文給出的基于高幀頻CMOS相機的圖像采集系統具有容易控制、安全可靠、性能穩定等優點。圖像數據傳輸速率將不再是限制采集圖像實時存儲和實時顯示的瓶頸。
參考文獻
[1]?周立國，梁淮寧，謝冬冬.基于PCI?Express總線的SAR回波數據實時記錄系統[J].電子器件，2008，31(2):592-
594.
[2]? 劉波，庫錫樹，孫兆林.基于PCIE總線協議的數據采集設備驅動程序實現[J].工業控制計算機，2007，20(7):28-31.
[3]?魏鵬，羅武勝，杜列波.PCI Express 總線及其應用設計研究[J].電測與儀表，2007，44(494):43-45.
[4]?黃小紅，李峰，倪衛芳.PEX8311芯片數據傳輸研究[J].電子工程師，2007，33(10):64-67.