基于千兆以太網(wǎng)的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬騰飛 ，高世杰 ，吳志勇

(1.中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039)

隨著光學(xué)測(cè)量技術(shù)的提高，測(cè)控設(shè)備不僅要獲得目標(biāo)的飛行軌跡等參數(shù)，同時(shí)還要獲得飛行姿態(tài)參數(shù)、瞬時(shí)速度等目標(biāo)特性參數(shù)。這些參數(shù)的測(cè)量必須依賴于高幀頻、高分辨率成像器件，因此對(duì)圖像采集系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特別是在數(shù)據(jù)傳輸和提高圖像處理速度方面都提出了較高的要求[1]。

傳統(tǒng)的光電經(jīng)緯儀圖像采集系統(tǒng)分立的圖像和測(cè)量信息采集模塊使得同步采集不易實(shí)現(xiàn)，而且受到圖像傳輸線距離的限制，使得數(shù)據(jù)采集前端與存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)必須處在同一地點(diǎn)，限制了系統(tǒng)的靈活性。因此需要一種集成的、可遠(yuǎn)程傳輸?shù)牟杉到y(tǒng)。本文針對(duì)Camera Link數(shù)字圖像接口的紅外相機(jī)設(shè)計(jì)了圖像采集及傳輸系統(tǒng)，同步采集圖像及測(cè)量信息通過千兆網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)，并通過軟件對(duì)圖像進(jìn)行恢復(fù)及判讀。

1 采集系統(tǒng)組成

圖像采集系統(tǒng)由基于FPGA的采集前端、存儲(chǔ)控制計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、B碼時(shí)統(tǒng)等組成。計(jì)算機(jī)通過千兆以太網(wǎng)對(duì)采集前端發(fā)送控制命令，F(xiàn)PGA采集數(shù)字圖像并進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，通過千兆網(wǎng)發(fā)送至存儲(chǔ)控制計(jì)算機(jī)，B碼時(shí)統(tǒng)輸出各類同步信號(hào)完成整個(gè)系統(tǒng)的高精度同步。系統(tǒng)組成由圖1所示。

圖1 圖像采集系統(tǒng)組成框圖

2 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集

Camera Link 接口是現(xiàn)階段高速相機(jī)普遍采用的圖像輸出接口，它是由美國國家半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室提出的一種channel link技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來的，在傳統(tǒng)低壓差分信號(hào)(LVDS)傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上又增加了并轉(zhuǎn)串發(fā)送器和串轉(zhuǎn)并接收器[2]。DS90CR286的主要作用是把相機(jī)按照Camera Link標(biāo)準(zhǔn)輸出的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的TTL信號(hào)包含像素時(shí)鐘及28位的并行數(shù)據(jù)(包括像素?cái)?shù)據(jù)、幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)和其他的控制信號(hào))。

實(shí)驗(yàn)采用分辨率為 320(H)×256(V)、14位像素、50 Hz或100 Hz拍攝的紅外相機(jī)，而千兆以太網(wǎng)接口芯片AX88180的數(shù)據(jù)總線為32位。為了提高總線利用率，在行同步信號(hào)及幀同步信號(hào)的控制下，將兩個(gè)相鄰的14位像素組合成32位數(shù)據(jù)后緩存入FPGA片內(nèi)FIFO。采用片內(nèi)FIFO可以減少緩存帶來的延時(shí)并節(jié)省系統(tǒng)成本。

出于網(wǎng)絡(luò)效率的考慮應(yīng)采用較大的數(shù)據(jù)包，緩存圖像以兩行為單位，這樣每個(gè)FIFO中緩存的數(shù)據(jù)量為1 280字節(jié)。由于片內(nèi)FIFO信號(hào)的延時(shí)導(dǎo)致滿空狀態(tài)并不準(zhǔn)確，并且持續(xù)對(duì)已滿FIFO寫請(qǐng)求以及已空FIFO讀請(qǐng)求很容易導(dǎo)致片內(nèi)FIFO崩潰[3]，所以采用容量為2 048字節(jié)的 FIFO，根據(jù) FIFO的 wrusedw[8:0]標(biāo)志產(chǎn)生 bufferfull信號(hào)，并且在每次讀操作完成后異步清空FIFO，使得前一次操作后的狀態(tài)不會(huì)影響到下一次操作，較好地解決了狀態(tài)不準(zhǔn)確的問題。

乒乓操作是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中最常采用的技巧之一，通過輸入數(shù)據(jù)選擇單元和輸出數(shù)據(jù)選擇單元按節(jié)拍相互配合切換，將過緩沖的數(shù)據(jù)流及時(shí)送到處理單元，實(shí)現(xiàn)了采集模塊與發(fā)送模塊的異步操作。采用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源建立兩塊FIFO對(duì)乒乓的圖像緩存，由FPGA控制更新FIFO標(biāo)記。乒乓FIFO的FPGA實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

2.2 測(cè)控信息的同步采集

圖像采集系統(tǒng)要求所有設(shè)備高精度同步工作，這樣才能保證圖像和對(duì)應(yīng)的角度信息、時(shí)間信息的一致性，從而保證數(shù)據(jù)處理的精度。系統(tǒng)采用的B碼終端同步精度可以達(dá)到100 ns，可產(chǎn)生各種頻率的同步信號(hào)，并以此作為系統(tǒng)的同步源完全可以滿足高精度采集系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)的同步精度要求。

測(cè)控信息采集主要是測(cè)量角度信息和時(shí)間信息的采集以及采樣時(shí)刻的控制。本系統(tǒng)采用RS-422接口通信，將測(cè)控信息的采集與圖像采集在單塊電路板上完成，可以保證信息的嚴(yán)格同步。為了保證測(cè)量精度，高速測(cè)量設(shè)備都應(yīng)與控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步工作，測(cè)控信息采集時(shí)刻應(yīng)與攝像機(jī)曝光時(shí)間中心對(duì)齊。采集到的測(cè)控信息緩存至專用FIFO中，幀同步信號(hào)無效時(shí)，在FPGA的控制下，加上測(cè)量信息標(biāo)記后通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送。

3 千兆以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 千兆以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

千兆以太網(wǎng)是開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的技術(shù)，物理層負(fù)責(zé)用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備之間物理與電氣的接口，為鏈路層提供在兩個(gè)通信系統(tǒng)之間發(fā)送序列位流的途徑。數(shù)據(jù)鏈路層的主要組成部分是媒體無關(guān)子層(MAC)和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)在兩個(gè)相鄰終端間的線路上無差錯(cuò)地傳輸以幀為單位的數(shù)據(jù)，每一幀由控制信息和數(shù)據(jù)組成[4]。

在千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)集中，1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)在桌面領(lǐng)域占據(jù)主流地位。1000BASE-T采用復(fù)雜的、效率很高的4D-PAM5編碼方式，在每對(duì)5類非屏蔽雙絞線(UTP-5)上以125 MHz的線路頻率實(shí)現(xiàn)250 Mb/s的傳輸速度?？紤]到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

AX88180是臺(tái)灣ASIX公司針對(duì)嵌入式應(yīng)用推出的千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)芯片，提供16/32位類SRAM主機(jī)接口，內(nèi)置40 KB的SRAM數(shù)據(jù)緩存，可用于多種需要高速接入網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)，在串流媒體、多媒體網(wǎng)絡(luò)、高頻寬帶傳輸?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。Marvell公司的m88e1111是一款應(yīng)用廣泛的千兆以太物理層(PHY)芯片，其在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)4D-PAM5編解碼及一系列的硬件信號(hào)處理技術(shù)、在實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)秀的表現(xiàn)。

圖3所示為千兆以太網(wǎng)硬件組成圖，采用Cyclone EP1C12系列FPGA作為主控制器。FPGA與AX88180之間采用SRAM LIKE接口連接，通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制寄存器及內(nèi)部緩存的訪問。物理層芯片M88E1111與AX88180之間通過簡(jiǎn)化千兆媒體無關(guān)接口(RGMII)互連。

圖3 千兆以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)

3.3 千兆以太網(wǎng)控制驅(qū)動(dòng)程序

數(shù)據(jù)采集前端要通過千兆以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，必須實(shí)現(xiàn)針對(duì)AX88180的控制驅(qū)動(dòng)程序。本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)具有圖像傳輸及命令接收功能，所以驅(qū)動(dòng)程序需要實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)雙向通信。設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)思想，驅(qū)動(dòng)程序被分為4個(gè)模塊，分別是初始化模塊、發(fā)送模塊、總線控制模塊和接收模塊。

其中初始化模塊在系統(tǒng)上電時(shí)運(yùn)行，完成網(wǎng)絡(luò)初始設(shè)置、狀態(tài)判斷后阻塞。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送所需要的時(shí)序，對(duì)AX88180發(fā)送相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，將數(shù)據(jù)寫入芯片的發(fā)送緩存，等待發(fā)送成功后返回?？偩€控制模塊根據(jù)程序運(yùn)行狀態(tài)控制數(shù)據(jù)總線與地址總線在初始化模塊、發(fā)送模塊、接收模塊之間切換。場(chǎng)同步信號(hào)無效后，總線控制模塊判斷AX88180中斷狀態(tài)，如果接收中斷有效則將總線交給接收模塊，接收模塊從AX88180接收緩存中讀取數(shù)據(jù)幀并且更新接收緩存指針地址后返回，場(chǎng)無效時(shí)間足夠完成數(shù)據(jù)包接收及命令解析的操作。各模塊之間的關(guān)系如圖4所示：

圖4 各模塊之間的關(guān)系

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

數(shù)據(jù)要經(jīng)過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸，必須經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的封裝，即在數(shù)據(jù)前面加上各層協(xié)議的信息首部?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信環(huán)境下，并且生成協(xié)議首部的所有信息(包括MAC地址、IP地址、UDP端口號(hào)、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度等)都可以事先確定。所以提前將協(xié)議首部生成，附加在數(shù)據(jù)前面直接發(fā)送即可。數(shù)據(jù)幀由接收計(jì)算機(jī)端網(wǎng)卡及系統(tǒng)協(xié)議棧后去掉各層信息頭后到達(dá)應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)采用各層協(xié)議格式如表1所示。

4.2 存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)

由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，而且存盤時(shí)間除了主要依賴于存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件性能外還有很大的隨機(jī)性，所以必須設(shè)計(jì)良好的緩存結(jié)構(gòu)，以防止因存盤導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。本系統(tǒng)采用不定常隊(duì)列式緩存結(jié)構(gòu)，將每個(gè)隊(duì)列單元設(shè)置為1 282×1 024字節(jié)(1 024個(gè)數(shù)據(jù)包為一個(gè)緩存單元)，采用較大的數(shù)據(jù)單元可以有效減少寫磁盤請(qǐng)求次數(shù)。

表1 采用的協(xié)議格式

采用多線程程序設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)分配緩存單元。網(wǎng)絡(luò)接收線程將緩存接收滿后訪問隊(duì)列并且將緩存掛載至隊(duì)列尾。存儲(chǔ)線程在隊(duì)列不空時(shí)，從隊(duì)列中取出緩存單元后存盤。使用互斥信號(hào)量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收線程與存盤線程之間的同步。接收數(shù)據(jù)包與存盤操作均采用異步模式，以提高程序的效率，降低系統(tǒng)負(fù)荷。系統(tǒng)可以做到只要平均寫磁盤速度大于數(shù)據(jù)采集速度，就可以保證無丟幀的存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)，較好地解決了圖像與測(cè)量信息的同步采集問題。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)可以穩(wěn)定在600 Mb/s的傳輸速度下運(yùn)行，滿足大多數(shù)紅外相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸需求，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。對(duì)于其他需要遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，也有一定的參考價(jià)值。

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