基于LVDS的高速數(shù)字圖像存儲采集系統(tǒng)

劉 瑋，崔永俊，張 昊

(中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

彈載設(shè)備需要采集大量的數(shù)字圖像信息，因此在彈載設(shè)備與地面測試臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要很高的傳輸速率[1]。而目前物理層接口無法滿足數(shù)據(jù)的傳輸速率，常用的RS422接口，每百m雙絞線的最高傳輸速度為1 MB/s[2]，這樣的傳輸速度和傳輸距離，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在對高速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蟆VDS技術(shù)的應(yīng)用提供了解決快速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆椒?。對NAND型FLASH存儲器K9WBG08U1M，運(yùn)用交叉雙平面的編程方式，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高速存儲。LVDS技術(shù)與交叉雙平面編程方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸、存儲以及準(zhǔn)確回讀，為大量圖像數(shù)據(jù)的傳輸和存儲提供了新的方法。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該方案以LVDS技術(shù)和交叉雙平面編程方式為基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，各組成部分既在結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，又在功能上相互配合。該設(shè)計(jì)主要突破數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速存儲和高速傳輸，這兩個(gè)困擾采集系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括FPGA主控接口模塊設(shè)計(jì)，USB通信接口及讀寫操作時(shí)序控制設(shè)計(jì)和一對并行FLASH模式操作的邏輯設(shè)計(jì)。

數(shù)字圖像采集存儲系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。具體工作流程為：一段視頻或者一張完整的圖片被上位機(jī)分割成具有連續(xù)幀的圖片，USB芯片F(xiàn)T2232H將圖片下傳，下傳的數(shù)據(jù)在FPGA的控制下存儲在兩片并聯(lián)的FLASH芯片K9WBG08U1M中。當(dāng)圖像需要發(fā)送時(shí)，F(xiàn)PGA把3組存儲在FLASH中的圖像數(shù)據(jù)快速讀出，通過MAX9247把16位的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，并以LVDS的方式發(fā)送到圖像存儲轉(zhuǎn)發(fā)裝置。在圖像存儲轉(zhuǎn)發(fā)裝置中保存一路，另一路以PCM碼的形式轉(zhuǎn)發(fā)到下游設(shè)備，供其采集，第三路同樣以PCM碼的形式回讀給上位機(jī)。

圖1 數(shù)字圖像采集存儲系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件組成

數(shù)字圖像采集存儲系統(tǒng)在硬件方面主要由電源模塊、USB接口模塊、FPGA主控模塊、FLASH存儲模塊等4部分組成。

FPGA是數(shù)字圖像采集和存儲的控制核心，控制圖像數(shù)據(jù)的接收、變換、存儲及發(fā)送。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集接口采用PCM接口的形式，存儲器和邏輯控制單元的數(shù)據(jù)接口采用TTL電平。利用PCM接口芯片SN65HVD10實(shí)現(xiàn)PCM接口電路的搭建，完成TTL→422及422→TTL的電平轉(zhuǎn)換；用DS92LV18芯片構(gòu)成采集存儲系統(tǒng)回讀接口，其內(nèi)部既含有集成的解串器又有集成的串化器[3]。設(shè)計(jì)中的DS92LV18芯片起解串作用。當(dāng)采集存儲系統(tǒng)接收到串行差分信號時(shí)，差分信號通過DS92LV18芯片轉(zhuǎn)換成16位并行數(shù)據(jù)傳到FPGA，F(xiàn)PGA接收到數(shù)據(jù)后上傳到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

主控板和PC機(jī)之間的通信任務(wù)依靠USB通信接口完成。USB通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、能夠熱插拔、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]。在數(shù)字圖像采集存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用USB通信芯片F(xiàn)T2232H. 該芯片內(nèi)部集成了固件庫，不需要進(jìn)行額外復(fù)雜的編程[5]。

3 關(guān)鍵邏輯設(shè)計(jì)

邏輯控制主要實(shí)現(xiàn)：USB讀、寫功能；利用交叉雙平面頁編程對下傳的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、讀出及擦除功能；將圖像存儲轉(zhuǎn)發(fā)裝置所存儲的圖像數(shù)據(jù)回讀至上位機(jī)等功能。

3．1 USB讀寫邏輯設(shè)計(jì)

FT2232H芯片的A通道能夠被設(shè)置為FT245同步FIFO模式，在此工作模式下，數(shù)據(jù)在CLKOUT的上升沿被寫入或讀出，在同一時(shí)刻不能同時(shí)進(jìn)行讀和寫的操作[6]。

在FT2232H進(jìn)行讀操作時(shí)，RXF#的優(yōu)先級最高，當(dāng)FIFO中有要讀出的數(shù)據(jù)時(shí)，RXF#為低，同時(shí)將輸出使能信號OE#拉低，然后，再把讀使能信號RD#拉低。在此工作模式下，只有在RXF#和RD#同時(shí)為低時(shí)數(shù)據(jù)才會被讀出。來自FIFO的數(shù)據(jù)會在RD#的下降沿，輸出到A通道的8位數(shù)據(jù)端口，RD#被拉高，這樣就實(shí)現(xiàn)了1個(gè)字節(jié)的讀操作；在進(jìn)行寫操作時(shí)，TXE#的優(yōu)先級最高，所以首先判斷TXE#的電平情況。若為低，不能進(jìn)行寫操作；若為高，則可以進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作。當(dāng)TXE#為低后，把寫使能信號WR置高，寫入數(shù)據(jù)，然后把WR拉低，數(shù)據(jù)將被送到FIFO，完成1個(gè)字節(jié)的寫操作[7]。USB內(nèi)部FIFO讀寫時(shí)序如圖2所示。

3．2 交叉雙平面頁編程邏輯設(shè)計(jì)

K9WBG08U1M是NAND型FLASH存儲芯片，其數(shù)據(jù)寬度為8，而需要其實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)的讀寫和存儲。為達(dá)到這一要求，一般采用將數(shù)據(jù)分高低各8位，然后分2次存到1片K9WBG08U1M中的方法。這種方法可行，但存儲一個(gè)16位的數(shù)據(jù)，需要執(zhí)行2次存儲過程，這大大制約存儲速率，達(dá)不到快速存儲的技術(shù)要求。該設(shè)計(jì)中采用2片F(xiàn)LASH并行的方式，即將K9WBG08U1M-1和K9WBG08U1M-2并聯(lián)，以達(dá)到將8位存儲器寬展為16位的目的。具體操作是將兩芯片的片選管腳CE、命令使能管腳CLE、地址使能管腳ALE、讀寫使能管腳WE、RE分別串聯(lián)，而各個(gè)芯片的R/B管腳相互獨(dú)立。這樣，兩個(gè)芯片能夠同時(shí)寫入命令或地址，存儲速度與普通方法相比，提高了1倍。相互獨(dú)立的R/B管腳為交叉雙平面頁編程提供了控制依據(jù)。并行FLASH管腳連接圖如圖3所示。

K9WBG08U1芯片的內(nèi)部被分為8 192個(gè)Block，每個(gè)Block共由64個(gè)Page組成，編號為0～63；每2 048個(gè)Block分為一個(gè)Plane，Block 0～4 095編號中的偶數(shù)編號Block組成Plane0，奇數(shù)編號Block組成Plane1；Block 4 096～8 191的劃分方法同前，分為Plane2和Plane3。

(a)USB讀時(shí)序

(b)USB寫時(shí)序圖2 USB內(nèi)部FIFO讀寫時(shí)序

圖3 并行FLASH管腳連接圖

K9WBG08U1內(nèi)部，數(shù)據(jù)的存儲是一頁一頁(Page)進(jìn)行的，這樣的頁編程可以分為命令、地址、數(shù)據(jù)的加載過程和自動(dòng)編程的實(shí)現(xiàn)過程。加載過程就是通過控制外部的時(shí)鐘，將命令、地址、數(shù)據(jù)等信息寫入內(nèi)部的寄存器；自動(dòng)編程過程就是芯片按照加載的信息，將數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的位置，這樣就完成了一個(gè)數(shù)據(jù)的存儲，所花費(fèi)的時(shí)間即是一個(gè)頁編程時(shí)間，一般在200～700 μs之間。由芯片資料知該FLASH芯片的讀寫速度是40 MB/s，所以讀寫一頁所需的時(shí)間是：

Twr=1/(40 M)×4 K=102.4 μs

普通的頁編程是順序進(jìn)行的，即先對某一單元進(jìn)行命令、地址、數(shù)據(jù)的加載，完成后，再進(jìn)行自動(dòng)編程。若按照此速度計(jì)算，得到FLASH的寫入速度為：

v=4 096 b/((200+1 024)μs)=13.54 MB/s

這樣的速度無法滿足任務(wù)書的要求。而選用交叉雙平面頁編程方式，則可使編程時(shí)間大大減少。交叉雙平面頁編程的操作過程如下：首先寫入K9WBG08U1M-1中的Plane0的Block0的第0頁，緊接著寫入K9WBG08U1M-1中的Plane1的Block1的第0頁。當(dāng)再次回到K9WBG08U1M-1的Plane0時(shí)，已經(jīng)過去了：

1/(40 M)×4 096×7=716.8 ns>tprog

式中tprog為編程所用時(shí)間。

tprog最大值為700 ns，所以不會對Plane0的Block0進(jìn)行的第二次操作造成影響。這樣對時(shí)間的復(fù)用，可以縮短加載過程的時(shí)間，大大提高存儲速度。寫FLASH過程如圖4所示。

圖4 寫FLASH過程

在存儲芯片并行操作模式中，數(shù)字圖像采集存儲系統(tǒng)上電后會立刻進(jìn)行壞塊監(jiān)測。只要有一塊是無效塊，就會把整個(gè)存儲塊當(dāng)作是無效塊來處理。這種無效塊地址的統(tǒng)籌管理，極大地方便了流水線式的交叉雙平面頁編程操作，降低了控制邏輯的復(fù)雜度，提升了存儲速度。

3．3 下發(fā)和上傳圖像數(shù)據(jù)程序流程

圖像數(shù)據(jù)的下發(fā)過程為：將要下發(fā)的圖片或者視頻轉(zhuǎn)換成具有連續(xù)幀的格式；將幀圖像進(jìn)行編碼，并加上自檢標(biāo)志和幀標(biāo)志，然后將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行下發(fā)。

圖像數(shù)據(jù)的回讀過程為：上位機(jī)將采集或回讀的圖像數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)；上位機(jī)對接收到的圖像數(shù)據(jù)計(jì)算誤碼率，之后通過動(dòng)畫的形式，將幀圖像播放，最后把數(shù)據(jù)分析的結(jié)果生成文件并保存在指定目錄中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在系統(tǒng)的各模塊單獨(dú)測試順利完成后，將各模塊連接，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的功能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息存儲到FLASH中的速度是30 MB /s. 上位機(jī)將下傳的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的變化后，從圖像轉(zhuǎn)發(fā)裝置進(jìn)行了回讀。上位機(jī)的分析軟件，可以將回讀的數(shù)據(jù)和發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并且可以還原成圖像進(jìn)行顯示。測試階段，下發(fā)了一幅周期性良好的圖片，并通過上位機(jī)軟件顯示了接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比對結(jié)果顯示，誤碼率為0。FAF300是數(shù)據(jù)的自檢幀頭，F(xiàn)AF400是數(shù)據(jù)的行頭，原始數(shù)據(jù)截圖如圖5所示，將回讀的數(shù)據(jù)解密后由上位機(jī)進(jìn)行圖形顯示得到如圖6所示的圖片，該圖片的形式更容易觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖5 原始數(shù)據(jù)

圖6 回讀數(shù)據(jù)還原的圖片

5 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)大量數(shù)字圖像信號的采集與存儲，提出了一種基于LVDS和交叉雙平面頁編程的數(shù)字圖像采集與存儲設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在使用LVDS技術(shù)和一對并行FLASH交叉雙平面頁編程方式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的快速存儲、高速傳輸及準(zhǔn)確回讀。實(shí)際測試的結(jié)果也充分證明了文中所提出的數(shù)字圖像采集存儲設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性。

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