基于FPGA实现线阵相机图像采集的光纤传输系统的制作方法

本实用新型涉及光通讯技术领域，尤其涉及一种基于FPGA实现线阵相机图像采集的光纤传输系统。

背景技术：

线阵相机采用单束光线来扫描物，可以在快速扫描物体时保证扫描结果的精准，因此在工业领域获得了广泛的用途，可以应用在一些需要高精度扫描的场合。线阵相机一般使用Camera link接口传输图像信息。Camera link接口是一种高速数字相机与图像采集卡间的通信接口，通过多路高速并行LVDS信号传输数据，Camera link接口数据线传输距离有限，最大距离只能为几米，无法实现远距离数据传输。现有技术中的采集电路成本高，结构复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于FPGA实现线阵相机图像采集的光纤传输系统。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种基于FPGA实现线阵相机图像采集的光纤传输系统，其特征在于:包括发送端和接收端，所述发送端包括2路线阵相机、发送端FPGA芯片、晶振和发送端光模块，所述发送端FPGA芯片的输入端通过2路Camera link接口分别与所述2路线阵相机相连，输出端与所述发送端光模块连接；所述接收端包括上位机、接收端FPGA芯片、晶振和接收端光模块，所述接收端FPGA芯片的输入端与所述接收端光模块连接，输出端通过Camera link接口与上位机连接，所述发送端光模块与所述接收端光模块通过光纤连接，所述接收端FPGA通过RS232 串行接口接收上位机指令，对线阵相机进行远程控制，上位机用于显示2路线阵相机采集到的图像数据。

优选地，所述发送端FPGA芯片和接收端FPGA芯片采用Xilinx公司的 XC6VLX25T-FGG484。

优选地，所述线阵相机采用Basler公司的L301kc。

优选地，所述FPGA芯片通过RS232串行接口与上位机连接。

优选地，所述发送端FPGA芯片内部划分为主控电路、时钟管理电路、图像采集电路、GTP收发器控制电路、链路同步状态监控电路；

发送端主控电路与各电路相连，负责各单元电路信号的管理和调度；

发送端时钟管理电路，输入20MHz时钟，输出60MHz的时钟，输出的时钟作为主工作时钟；

发送端图像采集电路的输入信号是工业相机Camera link接口的输出，输出信号连接到主控电路；

发送端GTP收发器控制电路数据收发信号连接到主控电路，链路状态信号输出到链路同步状态监控电路；

发送端链路同步状态监控电路的输入信号是GTP收发器控制电路的状态信号，输出信号连接到主控电路。

优选地，接收端FPGA芯片内部由主控电路、时钟管理电路、图像发送电路、 GTP收发器控制电路、链路同步状态监控电路、RS232串口电路组成；

接收端主控电路与各电路相连，负责各单元电路信号的管理和调度；

接收端时钟管理电路输入20MHz时钟，输出60MHz的时钟作为GTP收发器控制电路的参考时钟，从GTP收发器控制电路得到的60MHz恢复时钟作为工作主时钟；

接收端图像发送电路的输入信号是主控电路的输出，输出信号连接到上位机；

接收端GTP收发器控制电路数据收发信号连接到主控电路，链路状态信号输出到链路同步状态监控电路；

接收端链路同步状态监控电路的输入信号是GTP收发器控制电路的状态信号，输出信号连接到主控电路；

接收端RS232串口电路与上位机相连，接收和发送对线阵相机的控制指令。

本实用新型的有益效果是:相对于现有技术，通过在FPGA中完成利用专用芯片才能实现的功能，能够实现线阵相机Camera link接口信号的远距离传输，运行稳定、可靠、操作简单、维护方便,达到了设计要求。

附图说明

图1为本实用新型的硬件及主要信号线连接示意图；

图2为本实用新型中发送端FPGA内部功能模块连接示意图；

图3为本实用新型中接收端FPGA内部功能模块连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1和图2所示，一种基于FPGA实现线阵相机图像采集的光纤传输系统，包括：

1)晶振：对FPGA提供20MHz高精度低抖动的时钟信号；

2)FPGA：主要完成Camera link接口传输的图像信号的接收、处理和转发；

3)线阵相机：主要完成图像采集功能；

4)上位机：主要完成线阵相机的图像显示功能和人机交互功能；

5)光模块：主要完成高速光电信号之间的变换功能。

本系统上电后，发送端和接收端首先进行链路同步连接初始化，两端按照 8B/10B编码协议双向发送K28.5数据完成码元同步，然后进行双向帧同步判断，一旦码元同步和帧同步完成，即可进行图像数据的正常传输。

所述发送端FPGA芯片通过Camera link接口接收2路线阵相机采集的图像信息，按照线阵相机20MHz、40MHz、60MHz的不同工作频率进行数据复接，然后利用FIFO通过跨时钟域处理变换到本地60MMHz时钟域，将2路并行图像数据和同步信号经过GTP收发器控制电路的高速并串变换得到的串行信号送给发送端光模块，光模块将电信号转换为光信号由光纤发送到接收端光模块，接收端光模块将光信号变为电信号送给接收端FPGA，接收端FPGA将接收到的数据经过处理还原为2路图像信号，再经由Camera link接口送给工控机进行后端显示和处理。

工控机和接收端FPGA之间通过RS232串口进行通信，可以远程控制2路发送端线阵相机。

硬件及主要信号线连接示意图如图1所示。

发送端FPGA内部功能模块连接示意图如图2所示。

接收端FPGA内部功能模块连接示意图如图3所示。

本系统中线阵相机可以工作在三种时钟频率下：20MHz、40MHz、60MHz。在基本配置模式下Camera link接口经还原后有三端口8位数据A、B、C，在20MHz 时使用端口A、端口B和端口C，在40MHz时使用端口A和端口B，在60MHz时使用端口A。三种速率下每端口可以是8位，只有在60MHz和40MHz频率下端口位宽可以为10位。

发送端时钟管理电路，通过调用FPGA IP核实现。输入20MHz时钟，输出60MHz 钟。输出的时钟作为其它所有电路的主时钟。

发送端图像采集电路处理2路Camera link接口数据，利用FIFO进行跨时钟域处理，由三种工作频率调整到本地60MHz时钟域，同时将数据经过复接后生成10 比特数据，并将FVAL、LVAL数据控制信号调整到本地60MHz时钟域。

发送端GTP收发器控制电路利用FPGA内部的IP核，完成32位并行数据的并串变换和串并变换，线速为2.4GHz。线路传输码型采用8B/10B编码。

发送端链路同步状态监控电路接收GTP收发器线路失步信号，在线路失步状态下发送码元同步数据K28.5。在线路同步后发送帧同步信号，并在完成帧同步后继续监测链路帧同步状态。

发送端主控电路完成2路Camera link接口数据信号和控制信号以及同步信号的复接，32位并行数据中同步和控制信号占据2位，2路Camera link接口信号各占用14位，空闲2位可以作为辅助通道传输信息。根据其他电路提供的状态告警信号产生复位信号以控制各电路的初始化和进行信号复位。通过状态机管理电路，基本状态包括初始态、同步态、空闲态、工作态。当系统上电和失步时，处于初始态，需要发送码元同步和帧同步信号，从对端发送数据中检测同步信号，通过收发两端握手信号建立链路同步。链路同步后即进入同步态，检测图像数据有效信号。如果没有检测到有效信号，则进入空闲态，否则进入工作态。在空闲态需要发送码元同步数据K28.5维持链路同步状态。在工作态完成双向32 位并行数据的复接和分接。在帧间隙期间填充K28.5数据。

接收端时钟管理电路，通过调用FPGA IP核实现。输入20MHz时钟，输出60MHz 时钟作为接收端GTP收发器控制电路的参考时钟。接收端GTP收发器控制电路产生的恢复时钟作为全局工作时钟，产生的20MHz、40MHz和60MHz作为Camera link 接口的输出时钟。

接收端GTP收发器控制电路利用FPGA内部的IP核，完成32位并行数据的并串变换和串并变换，线速为2.4GHz。线路传输码型采用8B/10B编码。

接收端链路同步状态监控电路接收GTP收发器线路失步信号，在线路失步状态下发送码元同步数据K28.5。在线路同步后发送帧同步信号，并在完成帧同步后继续监测链路帧同步状态。

接收端主控电路完成来自发送端的数据信号和控制信号以及同步信号的分接，并根据其他电路提供的状态告警信号产生复位信号以控制各电路的初始化和信号复位，通过状态机进行电路管理，基本状态包括初始态、同步态、空闲态和工作态。当系统上电和失步时，处于初始态，需要发送码元同步和帧同步信号，从对端发送数据中检测同步信号，通过收发两端握手信号建立链路同步。链路同步后即进入同步态，检测从接收端GTP收发器控制电路有无收到图像数据有效信号，如果没有有效信号，则进入空闲态，否则进入工作态。在空闲态需要发送码元同步数据K28.5维持链路同步状态。在工作态完成双向32位并行数据的复接和分接。在帧间隙期间填充K28.5数据。

接收端图像发送电路从主控电路得到2路还原的Camera link接口数据，利用 FIFO进行跨时钟域处理，根据控制指令将数据由60MHz时钟域调整为三种工作频率之一，同时将10比特数据和FVAL、LVAL数据控制信号经过数据分接还原为三端口数据并经Camera link接口发送给上位机。

RS232串口电路与上位机相连，通过读写线阵相机寄存器的数据实现对线阵相机的远程控制。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。