摘要：為實現高速電容耦合器件(CCD)數字圖像采集傳輸，提出一種基于PXIE總線和Camera Link協議的高速圖像采集系統設計方案。設計了Camera Link硬件接口電路，實現了視頻數據信號的接口設計、控制信號的接口設計、串行通信信號接口設計；同時采用Xilinx公司的Vir-tex-5 LX50T型FPGA作為PXIE傳輸控制器，并對IP核進行了開發，減少了外圍電路設計難度。創新性地運用直接內存訪問的工作方式對PXIE傳輸速度進行優化。實驗結果表明，PXIE配置為8通道時，讀取數據速率達到1 504 MB／s，寫入速率達到了1 490 MB／s，可以滿足高速CCD數據的傳輸要求。
關鍵詞：PXIE；Camera Link；IP核；CCD DMA

電容耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)，是20世紀70年代初發展起來的新型半導體光電成像器件。由于其具有信號輸出噪聲低、動態范圍大、量子效率和電荷轉移效率高等特點，加之多年來新型半導體材料技術的不斷積累和大規模集成技術的日臻完善，CCD技術目前廣泛應用于國民經濟、國防建設、科學研究等各個領域。隨著上述領域對數字圖像的分辨率以及傳輸速度的要求越來越高，人們對高速圖像采集系統的性能、穩定性和可靠性也提出了新的要求。本文提出了一種基于PXIE總線和Camera Link協議的高速CCD圖像采集系統設計方案，并詳細說明了部分模塊的具體實現方式。

1 系統工作原理及總體設計
1．1 Camera Link協議及PXIE協議介紹
(1)Camera Link協議簡介
Camera Link是一種基于視頻應用發展而來的通信接口。它是NI等13家公司基于Channel Link技術聯合推出的一種新型接口，簡化了相機與其他設備的連接。Camera Link的驅動端將28位并行數據以7：1方式轉化為4組LVDS數據流和1組LVDS時鐘信號，串行發送至接收端進行處理。其最高傳輸速率可達2．38 Gb／s。圖1為Camera Link工作原理圖。

Camera Link接口協議提供4類信號：相機控制信號、圖像數據信號、電源和串行通信信號。其接口有3種結構，分別是初級配置(Base)、中級配置(Medium)和高級配置(Full)。Camera Link使用端口定義來區分這些配置。3M 26-pin MDR(Mini D Ribbon)連接器之所以被選擇與Camera Link配套使用是因為它優秀的設計和先前Channel Link高速傳輸的成功經驗。
(2)PXIE協議簡介
PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出。PXIE基于Compact PCI標準，增加了時鐘和同步觸發總線，但其核心仍然是PCI總線。PXI Express相對PXI最顯著的改進和優勢就在于它融入PCI Express的特點，采用串行傳輸，點到點的總線拓撲結構。不同于PXI在所有總線設備間分享帶寬，PXI Express為每一個設備提供單獨的傳輸通道。同時它所增加的時鐘和同步觸發信號以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測量、通信、工業自動化等領域擁有更大的技術優勢。本文采用PXIE-8x，最高傳輸速度達到1400Mb／s。
1．2 總體設計
系統總體結構圖，如圖2所示。

圖2中，DS90CR288A為NI公司高性能串并轉換器，將Camera Link接口協議的4路LVDS信號和1路LVDS時鐘轉換為28位LVCMOS／LVTTL數據和一路時鐘信號，DS90LV047A為NI公司的3 VLVDS 4路單端轉差分驅動器。DS90LV049為NI公司的3V LVDS雙向線路驅動器和雙向線路接收器。
系統工作流程為：
首先，采集卡通過DS90LV047A對CCD相機發出的控制指令。CCD相機在接到指令后，將采集到的圖像數據分為4路LVDS數據信號和1路LVDS時鐘信號，通過接口連接器MDR26，輸送到圖像采集卡；圖像采集卡將串行數據轉換成38路并行信號和1路隨路時鐘傳送給FPGA進行數據處理。由于數據量很大，為保證數據低誤碼率及提高可靠性，使用了2塊Micron 2 GB DDR2對數據進行緩存和乒乓處理。FPGA根據用戶的需求進行高速的圖像處理。采集卡通過PXIE-8x將圖像數據上傳至PC(上位機)上進行后期處理，同時實現PC(上位機)對圖像采集卡的控制。圖像數據最終通過PC將數據存儲在SSD(Solid-state Drive)電子盤上，以供隨時調用。在讀／寫速度等關鍵性能上，SSD電子盤遠遠優于傳統機械硬盤，因此選用SSD電子盤為數據存儲介質。采集卡還采用DS90LV049(LVDS雙線路驅動器，帶有雙線路接收器)來實現采集卡與相機間的串行通信，用戶可以根據需要對CCD相機進行配置。