２０１１年第１Ｏ期 中图分类号：ＴＮ９２９．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２５５２（２０１１）１０一ＯＯＯ９一ｏ４ 高速Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ图像数据光纤传输系统设计 何家维 ，何 昕 ，魏仲慧 （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院，北京１０００３９） 摘要：Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接１２是目前工业数字相机的主要图像输出接口。但受传输距离限制，在远程 视频网络中，图像数据一般以光信号传输。针对Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口相机在光纤网络中应用的这一具 体问题，对Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口光纤传输系统进行了研究。设计的传输系统可兼容多种像素时钟的相 机，最高传输带宽达到１．９２Ｇｂ／ｓ，可满足１０２４ ｘ １０２４相机１００帧／秒拍摄频率下的数据量要求。 关键词：Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口；光纤；光线传输 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ＨＥ Ｊｉａ．ｗｅｉｌ， ，ＨＥ Ｘｉｎ ，ＷＥＩ Ｚｈｏｎｇ．ｈｕｉ （１．Ｃｈａｎｇｅｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＢｅＵｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ｉｍａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｂｕｔ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｖｉｄｅｏ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ＵＳｅＳ ｆｉｂｅｒ．Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｒｎａｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｏｒ ｃａｍｅｒａ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｔｅ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｗｉｈｔ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｃａｍｅｒａ ｐｉｘｅｌ ｃｌｏｃｋ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｔａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ １．９２Ｇｂ／ｓ．ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ￣ｅｑｕｅｎｅｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ １０２４× １Ｏ２４ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ １００ ｆｒａｍｅｓ／ｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ；ｆｉｂｅｒ；ｆｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ０ 引言 兴通信技术，适于远距离传输，采用光介质传输数据 随着光电技术的发展，ＣＣＤ和ＣＭＯＳ工业数字 已经是当前通信技术发展的潮流，虽然目前Ｒｓ一 相机已经应用在生产生活的各个领域。在实际应用 ２３２、ＲＳ一４２２、百兆网甚至千兆网的接口光纤收发 中，数字相机拍摄的数字图像需要传输到图像处理 器均已商业化，但由于Ｃａｍｅｒｌａｉｎｋ接口出现相对较 计算机或显示终端，数字图像信号的数据量很大，传 晚，并且专门针对工业相机，所以目前国内对Ｃａｍ— 输速率也很快。以常见的１０２４×１０２４大小的１６位 ｅｒａｌｉｎｋ接口光纤传输系统的研究还较少。本文对 图像为例，当拍摄帧频为５Ｏ帧／秒时，需要实时传输 Ｃａｍｅｒｌａｉｎｋ图像数据光纤传输系统进行了深入研 的数据量为８００Ｍｂ／ｓ。这样的数据量给数字图像的 究，并已应用于实际工程中，取得了良好的效果，解 传输提出了较高要求。 决了Ｃａｍｅｒｌａｉｎｋ图像数据长距离光传输问题。 Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口是目前工业数字相机的主要图 １ 系统设计方案 像输出接口之一。该种接口具有实时性好、抗干扰 图１是光纤传输系统的设计方案。相机输出的 的优点，可满足大部分相机的数据流量要求。但是 收稿日期：２０１１—０４—２２ Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ数据传输格式对线路要求较高、布线困 基金项目：国家８６３计划项目 作者简介：何家维（１９８２一），男，助理研究员，博士研究生，主要从 难，且不能进行图像数据的长距离传输。光纤是新 事ＣＣＤ成像技术、光纤通信技术等方面的研究。 一９一 睚 恒 匪 瘴 霉一—— ｌ 光纤 Ｉ图１ Ｃａｍｅｒａｌｌｎｋ光纤传输系统设计方案 在图１中，数据的缓存和重构的主要作用是实 现时钟域匹配，光纤的编解码采用８ｂ／１０ｂ编码，由 硬件完成，光模块的功能是实现光信号和电信号的 转换。数据的缓存、重构与编解码是光线传输系统 设计需要考虑的主要问题。 ２ Ｃａｍｅｒａ１ｉｎｋ数字图像接口协议 目前大部分工业数字相机通过Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口 输出图像数据，该接口是机器视觉领域中应用最广 泛的一种接口协议。Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ是基于ＬＶＤＳ技术 的一种接口标准，这种标准特别适用于高速相机的 数据传输。Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口标准包含一对接收器和 驱动器。驱动器最多接收２８位单端数据信号和一 路时钟信号。这２９路信号以７：１的比例串行发送， 使用５路ＬＶＤＳ通道传输４组ＬＶＤＳ数据流和一组 ＬＶＤＳ时钟信号，因此采用该标准完成２８位数据的 同步传输只需要５对ＬＶＤＳ线即可。 图２是Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口Ｂａｓｅ模式的数字图像 信号的时序关系图，Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口芯片编码前和 解码后的数字信号满足图２的时序关系。根据 Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ接口协议，一帧数字图像由场同步信号、 行同步信号、像元时钟和多位图像数据组成，各信号 均在像元时钟的下降沿变化，在其上升沿是数据稳 定时期。 像元时 厂］ｒ＿］厂］ｒ－］厂］ｎ ｌ…ｌ ｒ］厂］厂］几 ．—— 场同步信 ＿－Ｊ 夺像元周期 … Ｌ ｉ行同步信 厂 一 ——］一一— …１ 图像数 二二二＞ Ｘ二二＞ ×）一一 … Ｌ—————一一帧图像数据周期————————一 图２ Ｃａｍｅｒａ］ｉｎｋ图像数据帧格式时序关系 图２中的信号由专用编解码和驱动芯片进行图 像数据、行、场、时钟的ＴＴＬ和ＬＶＤＳ通道之间的转 换。在本设计中使用了ＤＳｇ０ＣＲ２８６和ＤＳ９０ＣＲ２８５ —１０一 芯片完成这一功能。 ３ 图像数据的时钟域匹配 图像数据时钟域匹配是Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ图像数据光 纤传输系统时序设计要解决的主要问题。由于设计 中采用固定本地时钟作为光纤通信同步时钟，受编 解码芯片ＴＬＫ２７１１Ａ和传输速率的限制，光纤通信 同步时钟固定设为８０ＭＨｚ。但不同的相机输出的 图像数据的像素时钟往往是不同的，大部分相机的 像素时钟低于８０ＭＨｚ，为了适应多种低于光纤同步 时钟的像素的图像传输需要，系统使用双ＦＩＦＯ缓 存方案进行时钟域匹配，通过使用该方案增加了系 统的通用性。ＦＩＦＯ是先进先出存储器的简称，通过 使用ＦＰＧＡ内部存储器构成ＦＩＦＯ来实现不同时钟 域上数据的转换。图３是双ＦＩＦＯ结构时钟域匹配 的方案框图。 场信号 图３双ＦＩＦＯ结构时钟域匹配 系统以相机输出的像素时钟作为ＦＩＦＯ写时 钟，按奇偶行分时写入ＦＩＦＯ１和ＦＩＦＯ２。再根据数 据行场等同步信号生成读信号，以８０ＭＨｚ本地时钟 为读时钟，写ＦＩＦＯ１的同时读ＦＩＦＯ２，读出的数据进 行图像重构然后送芯片ＴＬＫ２７１１编码，直接以 ８０ＭＨｚ的时钟作为光纤通信同步时钟，从而完成时 钟域匹配功能。 对于一些相机的数字图像输出是Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ双 通道格式，１２位的该格式数据对于传输信道来说等 １６位数据。为解决这一问题，本文采用了双路光纤 位数扩展的方法，图４—５为双路光纤扩展位数传输 效于一个像素时钟传输的图像位数是２４位，而利用 ＴＬＫ２７１１芯片编码的光纤信道单路最多只能传输 方案的发送和接收端数据缓存和重构方案。 奇数行 高ｌ２位 ＲＤＩ ＲＣＫＩ ＷＲ１ 写 ＷＣＫｌ 读 光纤Ａ ２４位数据 ＦＩＦＯ 控 奇数行低ｌ２ ＦＩＦＯ 控 行 制 制 行场、时钟（Ａ路） （本地时钟） 器 偶数行 器 场 高１２位 ＆ 时钟 图 奇偶 ＲＤ２ 像 ＷＲ２ ＲＣＫ２ 重 组 ＷＣＫ２ 光纤Ｂ 一Ｉ 行场、时钟（Ｂ路） （本地时钟） 图４发送端的数据缓存（双路光纤位数扩展） ｍ。 ＴＬＫ２７１１ ————— 偶高位一一一（Ａ） － 写 １卖 Ｆ工Ｆ０ ＦＩＦＯ 图 控 控 像 曜 器制 ￣ 』＼＼ 制 器 构 重 ＦＩＦ０３．－ ａ／ 图５接收端的图像重构（双路光纤位数扩展） 由图３—４可见，该方案使用Ａ路和Ｂ路光纤 （２）８ｂ／１０ｂ编码可以平衡位流中“０”和“ｌ”的 同时传输２４位数据。在发送端，主要作用是将图像 数量，实现直流平衡，有利于高速差分传输。 分为高低ｌ２位和奇偶行进行分时传输，并进行时钟域 （３）采用冗余方式，８位数据加入特殊字符按特 匹配；而在接收端，主要是对两路光纤分别传输的数据 定规则编码成１０位数据，解码时根据规则可监测 进行同步恢复和图像重构。采用双路光纤扩展传输 误码。 时，本文设计的系统的带宽最高可达１．９２ Ｇｂ／ｓ。 （４）规定了一些特殊字符作为帧同步或控 ４ 光纤信道８ｂ／１０ｂ编码 制字。 在光纤通信应用中，并行数据一般被编码成串 本文选用串并转换芯片ＴＬＫ２７１１实现８ｂ／ｌＯｂ 行同步数据流，从而实现高速传输目的。本设计选 编解码功能。ＴＬＫ２７１ １是一款主要用于光纤通信的 用８ｂ／１０ｂ编码方法进行高速串行编码方法。８ｂ／ ８ｂ／１０ｂ编解码双向收发器。可并行传输ｌ６位数 １０ｂ编码可以解决以下几个通信方面问题。 据，串行差分传输速率可达１．６Ｇｂ／ｓ至２．７Ｇｂ／ｓ。 （１）通过使数据流中的连续“１”或连续“０”不 本系统每路图像数据的发送和接收各使用一片 超过５个，８ｂ／１０ｂ编码保证了信号转换密度，这样 ＴＬＫ２７１１。 可以降低接收端时钟漂移或同步丢失发生的概率。 对ＴＬＫ２７１ｌ的控制由ＦＰＧＡ内部构建的控制 一】】一 器进行，控制器完成的主要功能有上电同步，传输同 步和数据链路恢复。 上电同步是指无论系统接收方还是发送方先上 电，系统均应建立有效数据链路。信号ＥＮＡＢＬＥ是 上电同步控制的关键信号，该信号为低时ＴＬＫ２７１１ 发送同步码。通过实验发现对于双向工作模式时可 正常同步，但当ＴＬＫ２７１１单向工作时如果接收端后 上电则无法正常通信，这是由于接收端上电时，发送 端的同步码已经发出，在这种情况下接收端没有收 到同步码，所以系统无法建立数据链路。可采用的 解决方法是利用上行光纤链路中的某一位构建双向 链路，用ＦＰＧＡ检测该路信号的同步状态，当其为同 步状态时，ＦＰＧＡ强制发送端的ＴＬＫ２７１１再发一次 同步码（ＥＮＡＢＬＥ再置低），从而完成同步。 传输同步则是指利用图像信号在场逆程不传送 有效信息的特点，在图像数据的场逆程强行使能 ＲＫＬＳＢ和ＲＫＭＳＢ信号来控制ＴＬＫ２７１１发送同步 码，通过这种方法可以使通信系统在每帧图像结束 后都同步一次，提高了系统的抗干扰性和链路自动 恢复的速度。 数据链路恢复是指导致系统数据传输终止的错 误解决后，系统自动恢复数据链路的能力。 ＴＬＫ２７１１具有信号丢失检测电路，一旦接收端检测 到串行差分信号的幅度过低，则会使能接收端的 ＬＯＳ信号为高电平对于来自光纤传输链路的错误的 恢复主要靠ＴＬＫ２７１１的信号丢失检测电路进行。 实验过程中，拔掉传输光纤，可以立即看到接收端的 ＬＯＳ端变高，发出错误信息。针对此项功能专门设 计了ＬＯＳ信号检测电路，以便实时监控光纤链路通 断情况，并采取相应的同步措施。 ５ 光电转换 数据经缓存和编码后，使用光模块进行光电转 换，变成光信号进行传输。本文选用单模ＳＦＰ光模 块来完成转换功能，ＳＦＰ模块体积较小、并且可以随 时插拔，便于系统的升级与维护，上面的Ｌｃ光纤接 口通用性也比较好，可以不用转接头接人很多现有 光纤网。图６是ＳＦＰ模块照片，通过使用单模 （１３１０ｎｍ）模块，进一步增加了系统的传输距离，在 一１２一 无中继的情况下，可传输２０ｋｉｎ。 图６ ＳＦＰ光电转换模块 光模块与ＴＬＫ２７１１之间是ＰＥＣＬ接口，对传输 线阻抗匹配特性要求较高，这部分电路板在设计过 程中对分布参数进行了仿真和计算，使传输阻抗满 足５０Ｑ的设计要求。 ６ 结束语 本文设计的光线传输系统目前已在多个实际工 程项目中应用。其中，对某型号拍摄频率为１００帧／ 秒的高速ＣＭＯＳ相机成功实现传输，系统传输带宽 已达１．６Ｇｂ／ｓ，传输的图像稳定，效果较好。本系统 的创新在于通过对原始图像数据进行双ＦＩＦ０分奇 偶行的缓存和图像重构，实现了相机时钟域和光纤 传输时钟域的时域匹配，从而实现了不同像素时钟 下的稳定传输。 参考文献： ［１］许海东，王剑，李超．基于ＦＰＧＡ的数字视频光纤传输系统的研 究［Ｊ］．科学技术与工程，２００７（１９）：５ｏ６９—５０７３， ［２］李岩，司玉美，耿爱辉，等．基于同步时分复用技术的数字ＣＣＤ 图像数据的光纤传输设计［Ｊ］．微计算机信息，２００６（Ｉ）：２１１— ２１２． ［３］徐孟祥，张尔扬．ＬＶＤＳ与高速ＰｃＢ设计［Ｊ］．电子工程师，２００５ （５）：３８—４Ｊ０． ［４］王文华，何斌，韩双丽，等．星上ＣＣＤ成像非均匀性的实时校 正［Ｊ］．光学精密工程，２０１０，１８（６）：１４２０—１４２８． ［５］于海，樊晓桠．基于ＦＰＧＡ异步ＦＩＦＯ的研究与实现［Ｊ］．微电子 学与计算机，２００７（３）：２１０—２１６． ［６］方文森，许大舟．基于Ａ ９Ｃ５２的多处理器嵌入式系统［Ｊ］．信 息技术，２００７（１１）：１１８—１２０． 责任编辑：肖滨
