一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，包括使用高速CMOS传感器用于采集可见光图像，对采集的模拟图像进行AD转换的图像采集模块；通过主控元件FPGA，接收图像采集模块采集到的图像数据进行数据处理，包括数据训练、数据调整、图像校正以及按照CoaXPress协议规定的数据格式进行数据处理的图像处理模块；接收图像处理模块处理后的图像数据，使用CoaXPress接口及其相应驱动芯片，对处理过的图像数据进行传输的数据传输模块；和分别向图像采集模块、图像处理模块以及数据传输模块进行供电的电源模块。本发明专利技术解决了现有的高速相机视频数据无法实时传输的问题，实现了1000帧/秒速率，图像分辨率为1280×1024像素，数据位深为8Bits的高速图像传输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统
本专利技术属于高速图像数据传输领域，具体涉及到一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统。
技术介绍
科学的发展推动着人类向更精细、更微妙世界的探索。在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种高速运动过程进行观察、数据采集与分析变得越来越有意义。在军事研究方面，通过记录和分析高速变化过程中的各个瞬态，例如武器发射、炮弹轨迹、火药爆破、火箭飞行等，为实验研究、武器设计与改良提供了更加有效的途径；在工业生产方面，通过实时监测生产线上的零件缺陷，提高了生产效率，又避免了人工的漏检与错检；在汽车制造方面，通过研究汽车碰撞瞬间各部位的变化以及人体模型的受力状况，生产出安全系数更高的汽车。在中等亮度的光刺激下，人眼视觉极限分辨频率仅为12~16帧/秒，无法观察几十、几百甚至上千帧的高速运动现象。此外，由于普通摄像机技术的“冻结”能力有限，在观察具有一定速度变化的运动过程时，常会出现图像歪斜甚至拖尾等模糊不清的现象，速度越高，图像质量越差。因此，研制一种能够对快速现象进行拍摄，并将其放慢到人眼视觉可以分辨程度的摄像机，显得尤为重要。早期的高速摄影设备主要是光机式高速相机，此类相机运用光学原理配合高速动作的机械结构完成对快速变化过程的观测和记录。按照工作方式的不同，光机式高速相机可分为间歇式高速相机、光学补偿式高速相机和转镜式高速相机三种。尽管就拍摄速度而言，光机式高速相机可以达到观测和记录的需要，但由于使用胶片作为存储介质，不可避免的引入了显影、定影等繁琐的胶片处理工作，然后才得以进行数据的分析，这就造成光机式高速相机后端处理速度慢，无法实时观察所拍到的图像；并且判读误差大，在试验中容易受到干扰；高速拍摄时所要耗费的胶片数量也过大，使用成本进一步增加，以上这些难以克服的弊端制约了胶片式高速相机的发展。随着电子技术的发展，在上世纪90年代出现了高速数字式相机。当前，能够实现“快摄慢放”技术的探测器主要分为CCD和CMOS两种类型。近年来，CCD图像传感器以噪声小、灵敏度高等特点在摄像领域占据一定位置，但其分辨率与帧频不可兼得，在追求高速摄影时势必会损失画质、增加器件成本与器件功耗。然而，CMOS传感器并不存在帧频与分辨率的折衷问题，在百万像素分辨率下拍摄速度可达1000fps甚至更高，与CCD相比，能够为瞬态研究提供更加精确的瞬间信息，成为瞬态研究的得力工具。高速成像系统的海量数据存储与采集一直是设计的计数瓶颈。对于1000帧以上的高速成像系统，它要求在1ms以内处理一整帧的图像数据，在分辨率大于1000*1000、数据位数为10bit时，其数据量超过10Gbps，实时处理难度很大，需要采用其他方法。目前市场上的高速摄像机的图像数据采集一般是先采用高速海量数据存储单元对图像进行存储，而后再进行处理送至计算机显示的方法完成，这种方法原理简单，虽然不能实时处理高速图像，对于高速高清成像系统是唯一可行的方法。中国专利200910021207.6，公开了一种高帧频高分辨率CMOS成像系统，以CPLD为控制单元，以SDRAM作为高速存储单元，实现了500帧，1280*1024分辨率的高帧频高分辨率成像，但SDRAM存储速度较慢，数据带宽较小，不适合1000帧以上的高分辨率成像系统的数据缓存，且没有将探测器和其他单元的供电分开，噪声较大，图像效果一般，另外，采用一般数据接口传输图像数据，只能实现缓存显示。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，解决了现有的高速相机视频数据无法实时传输的问题，实现了1000帧/秒速率，图像分辨率为1280×1024像素，数据位深为8Bits的高速图像传输。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，包括使用高速CMOS传感器用于采集可见光图像，对采集的模拟图像进行AD转换的图像采集模块；通过主控元件FPGA，接收图像采集模块采集到的图像数据进行数据处理，包括数据训练、数据调整、图像校正以及按照CoaXPress协议规定的数据格式进行数据处理的图像处理模块；接收图像处理模块处理后的图像数据，使用CoaXPress接口及其相应驱动芯片，对处理过的图像数据进行传输的数据传输模块；和分别向图像采集模块、图像处理模块以及数据传输模块进行供电的电源模块。所述图像采集模块通电后对外部可见光图像进行采集，光电转换后的像素数据被片上ADC数字化，然后数字信号被串行化送至LVDS驱动器，最后以16路LVDS差分形式向片外输出，并伴随两路LVDS差分时钟信号，即像素时钟PCLKP/N和数据时钟DCLKP/N。所述图像处理模块的FPGA采用了AlteraStratixIVGT系列的EP4S100G5H40I2，通过FPGA中的串转并高速LVDS数据接收IP核LVDS_RX对传感器输出数据的串并转换，对串并转换后的数据进行数据训练和数据调整，并进行非均匀性校正，校正后的数据通过高速串行收发器IP核ALTGX进行高速串行处理。所述图像传输模块包括4片CoaXPress接口驱动芯片，驱动芯片使用的是Microchip公司的EQCO31T20，通过图像处理模块处理过的图像数据，发送至驱动芯片的数据输入端，每个芯片均输出一对高速差分串行数据，所述高速差分串行数据通过BNC接口和同轴电缆传输至图像采集卡。所述电源模块采用DC-DC和LDO相结合的方式供电，采用DC-DC芯片将输入的12V电压转换成5V、3.6V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1.5V、1.4V、1.1V、0.95V、0.9V，其中3.0V、2.5V、1.8V、1.5V、1.1V、0.95V、和0.9V用于向图像处理模块供电；1.2V用于向图像传输模块供电；采用LDO芯片将5V电压转换成3.3V、3.0V、2.5V、1.8V给图像采集模块供电。本专利技术与现有技术相比，显著的优点有：（1）使用的CoaXPress接口是一种高速点对点串行通信接口标准，可以通过一根同轴电缆将相机和主机连接，且单根线缆传输速率最高可以达到6.25Gbps,可以使用多根线缆来增加带宽，从而满足高帧频相机实时传输的要求。（2）通过FPGA控制CoaXPress接口的驱动，与其他高速接口相比，只需要很少的FPGA资源。（3）驱动芯片只需要EQCO62T20一种，且外围电路较简单，并且可以进行双向通信。附图说明图1是本专利技术基于CoaXPress接口的高速图像传输系统整体框图。图2是系统数据流向示意图。图3是CoaXPress接口协议传输规则示意图。图4是EQCO31T20外围电路图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述：一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，在图像采集模块使用高速CMOS芯片进行图像采集和数模转换，使用FPGA作为控制元件，对传感器进行驱动，对采集到的图像进行处理；不需要再使用片上存储器进行缓存再输出；采用DC-DC电源和LDO电源相结合的方式进行供电，功耗更低，噪声较小；使用CoaXPress接口进行高速图像传输，利用四根同轴电缆，每根线缆上数据传输速度可以达到3.125Gbps，数据总速率达12.5Gbps，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，其特征在于：包括使用高速CMOS传感器用于采集可见光图像，对采集的模拟图像进行AD转换的图像采集模块；通过主控元件FPGA，接收图像采集模块采集到的图像数据进行数据处理，包括数据训练、数据调整、图像校正以及按照CoaXPress协议规定的数据格式进行数据处理的图像处理模块；接收图像处理模块处理后的图像数据，使用CoaXPress接口及其相应驱动芯片，对处理过的图像数据进行传输的数据传输模块；和分别向图像采集模块、图像处理模块以及数据传输模块进行供电的电源模块。

【技术特征摘要】
1.一种基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，其特征在于：包括使用高速CMOS传感器用于采集可见光图像，对采集的模拟图像进行AD转换的图像采集模块；通过主控元件FPGA，接收图像采集模块采集到的图像数据进行数据处理，包括数据训练、数据调整、图像校正以及按照CoaXPress协议规定的数据格式进行数据处理的图像处理模块；接收图像处理模块处理后的图像数据，使用CoaXPress接口及其相应驱动芯片，对处理过的图像数据进行传输的数据传输模块；和分别向图像采集模块、图像处理模块以及数据传输模块进行供电的电源模块。2.根据权利要求1所述的基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，其特征在于：所述图像采集模块通电后对外部可见光图像进行采集，光电转换后的像素数据被片上ADC数字化，然后数字信号被串行化送至LVDS驱动器，最后以16路LVDS差分形式向片外输出，并伴随两路LVDS差分时钟信号，即像素时钟PCLKP/N和数据时钟DCLKP/N。3.根据权利要求1所述的基于CoaXPress接口的高速图像传输系统，其特征在于：所述图像处理模块的FPGA采用了AlteraStratixIVGT系列的EP4S100G5H40I2，通过FPGA中的串转并...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋修宝，刘慧，陈钱，顾芷西，袁锦飞，于雪莲，吴骁斌，吴少迟，钱惟贤，何伟基，王雨馨，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32