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)03-46-03D 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 yS 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　第3期孙春凤等:基于L V D S 技术的高速图像采集系统的设计47 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>4004.57.0高低高T T L2.4×1031.2×103<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。