基于FPGA和CoaXpress的图像采集回放系统的制作方法

基于fpga和coaxpress的图像采集回放系统
技术领域
1.本实用新型涉及图像采集回放系统，尤其涉及一种基于fpga和coaxpress的图像采集回放系统。


背景技术：

2.现在市面上有多种类型的相机接口，每种接口代表着不同的图像传输协议，coaxpress接口作为一种高速的图像传输接口已经在需要采集高速高分辨率图像视频的应用领域使用广泛。
3.现有的视频源的采集、存储、回放系统所需要的组成部分框图如图1所示。由coaxpress图像采集卡将采集后的图像数据输出至计算机进行处理，计算机将处理后的数据发送给固态存储阵列进行存储，这样完成整套图像的采集、存储、回放就需要一套复杂、较大的系统来实现，主要的缺点是系统过于复杂，需要多个板卡才能完成所需功能，需要的板卡包括coaxpress接口的图像采集卡，主控计算机系统和挂载的固态阵列卡，这样导致整个系统成本非常高，并且现有技术过分依赖计算机系统完成全部功能，导致整个系统复杂程度加高，配套增加，从而导致整个大系统过于庞大，增加系统负担和维护成本。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种基于fpga和coaxpress的图像采集回放系统，采用一块板卡完成图像的采集、存储及回放功能，大大减小了系统复杂程度。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：
6.一种基于fpga和coaxpress的图像采集回放系统，包括设置于板卡上的fpga模块、第一信号均衡模块、固态存储阵列和phy芯片，所述fpga模块包括pl端和ps端，所述pl端和ps端通过axi总线连接，所述pl端通过coaxpress接口以及gtx总线和第一信号均衡模块连接，所述pl端还通过sata接口和固态存储阵列中对应的固态硬盘连接，所述sata接口和固态存储阵列中的固态硬盘一一对应，所述ps端通过emac接口和phy芯片连接，所述coaxpress接口包括图像输入接口和图像输出接口，所述图像输入接口和图像输出接口分别与gtx总线中的通道一一对应，所述图像输入接口和图像输出接口分别通过对应的通道和第一信号均衡模块连接。
7.进一步的，所述板卡上还设有第一ddr3缓存单元、第二ddr3缓存单元和flash存储单元，所述pl端和第一ddr3缓存单元连接，所述ps端和第二ddr3缓存单元以及flash存储单元分别连接。
8.进一步的，所述pl端包括coaxpress ip核、协议转换单元和缓冲单元，所述coaxpress ip核和图像输入接口、图像输出接口、协议转换单元分别连接，所述协议转换单元和缓冲单元、sata接口、ps端分别连接，所述缓冲单元还和第一ddr3缓存单元连接。
9.进一步的，还包括cxp相机、cxp图像显示设备、第二信号均衡模块和同轴电缆，所
述cxp相机、cxp图像显示设备分别和第二信号均衡模块连接，所述第二信号均衡模块、同轴电缆和第一信号均衡模块依次连接。
10.进一步的，所述第一信号均衡模块、第二信号均衡模块分别包括电缆均衡器和电缆驱动器，所述cxp相机、第二信号均衡模块的电缆驱动器、同轴电缆、第一信号均衡模块的电缆均衡器和图像输入接口形成第一通路，同时所述cxp图像显示设备、第二信号均衡模块的电缆均衡器、同轴电缆、第一信号均衡模块的电缆驱动器和图像输出接口形成第二通路。
11.进一步的，还包括以太网回放显示设备，所述板卡上还设有网络变压器和rj45连接器，所述phy芯片、网络变压器、rj45连接器和以太网回放显示设备依次连接。
12.进一步的，所述ps端还通过mdio接口和phy芯片连接。
13.进一步的，还包括12v直流电源，所述板卡上还设有电源转换模块，所述电源转换模块的输入端和12v直流电源连接，所述电源转换模块的输出端和pl端、ps端、第一信号均衡模块、固态存储阵列和phy芯片的供电端分别连接。
14.进一步的，所述板卡上还设有第一晶振和第二晶振，所述第一晶振和ps端连接，所述第二晶振和pl端连接。
15.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
16.本实用新型基于fpga，将fpga模块、第一信号均衡模块、固态存储阵列和phy芯片集成在同一板卡上，通过一块板卡就能实现对于图像的采集、存储和回放，fpga模块pl端通过coaxpress接口以及gtx总线和第一信号均衡模块连接以对图像进行采集和回放，pl端通过sata接口和固态存储阵列中对应的固态硬盘连接以对图像数据进行存取，采用gtx总线以及sata接口保证了数据的高速传输，同时ps端通过emac接口和phy芯片连接，使得本实用新型同时支持coaxpress接口和以太网进行图像的回放，增加了适用范围。
附图说明
17.图1为现有技术进行coaxpress视频图像的采集、存储和回放的结构示意图。
18.图2为本实用新型实施例中的系统结构示意图。
19.图3为本实用新型实施例中的fpga模块结构示意图。
20.图4为本实用新型实施例中的固态存储阵列结构示意图。
21.图5为本实用新型实施例的系统通过coaxpress接口进行采集和回放的示意图。
22.图6为本实用新型实施例的系统通过以太网进行回放的示意图。
23.图例说明：1-fpga模块、2-第一信号均衡模块、3-固态存储阵列、4-phy芯片、5-第一ddr3缓存单元、6-第二ddr3缓存单元、7-flash存储单元、8-cxp相机、9-cxp图像显示设备、10-第二信号均衡模块、11-同轴电缆、12-以太网回放显示设备、13-网络变压器、14-rj45连接器、15-12v直流电源、16-电源转换模块、17-第一晶振、18-第二晶振。
具体实施方式
24.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
25.如图2所示，本实用新型提出一种基于fpga和coaxpress的图像采集回放系统，包括设置于同一板卡上的fpga模块1、第一信号均衡模块2、固态存储阵列3和phy芯片4，所述
fpga模块1包括pl端和ps端，所述pl端和ps端通过axi总线连接，所述pl端通过coaxpress接口以及gtx总线和第一信号均衡模块2连接，所述pl端还通过sata接口和固态存储阵列3中对应的固态硬盘连接，所述sata接口和固态存储阵列3中的固态硬盘一一对应，所述ps端通过emac接口和phy芯片4连接，所述coaxpress接口包括图像输入接口和图像输出接口，所述图像输入接口和图像输出接口分别与gtx总线中的通道一一对应，所述图像输入接口和图像输出接口分别通过对应的通道和第一信号均衡模块2连接。
26.通过上述结构，本实施例的图像采集回放系统将fpga模块1、第一信号均衡模块2、固态存储阵列3和phy芯片4集成于同一板卡上，简化了设计，节约了成本，fpga模块1的pl端通过coaxpress接口以及gtx总线和第一信号均衡模块2连接，采用gtx总线保障了数据高速传输，coaxpress接口包括图像输入接口和图像输出接口，从而可以通过coaxpress接口进行图像的采集和回放，同时pl端还通过sata接口和固态存储阵列3中对应的固态硬盘连接以进行数据存取，采用与固态硬盘一一对应的sata接口使得每个固态硬盘都有独立的数据存取通道，且每个数据存储通道的传输速率互不影响，固态存储阵列3中固态硬盘数量越多，存取效率越高，此外，ps端通过emac接口和phy芯片4连接，使得本实施例的图像采集回放系统还可以通过以太网进行图像的回放，增加了适用范围。
27.本实施例中fpga模块1采用嵌入式平台芯片xc7z045，其内部的pl端为fpga，可以进行图像采集并驱动固态硬盘完成图像存储，ps端为arm处理器，可以进行存储图像的文件管理并完成存储图像的以太网回放功能，如图2所示，为了获得最大限度的缓存空间，所述板卡上还设有第一ddr3缓存单元5、第二ddr3缓存单元6和flash存储单元7，所述pl端和第一ddr3缓存单元5连接，所述ps端和第二ddr3缓存单元6以及flash存储单元7分别连接。
28.如图3所示，本实施例中所述pl端包括coaxpress ip核、协议转换单元和缓冲单元，所述coaxpress ip核和图像输入接口、图像输出接口、协议转换单元分别连接，所述协议转换单元和缓冲单元、sata接口、ps端分别连接，所述缓冲单元还和第一ddr3缓存单元5连接，本实施例中的coaxpress ip核可以采用euresys公司的coaxpress ip核。
29.图像采集时，coaxpress ip核从图像输入接口获取数据并解析后发送给协议转换单元，协议转换单元按照sata协议将数据转换后发送给缓冲单元以及sata接口，缓冲单元内部集成ddr3 sdram控制器，可以从第一ddr3缓存单元5写入或读取数据，本实施例中将第一ddr3缓存单元5用作数据缓冲池，一方面能够对外部输入的实时数据流进行缓冲，从而平滑硬盘阵列的短暂性带宽下滑，另一方面对数据进行纠错性缓存，例如如果写入硬盘的数据块出现偶发错误，则调用缓冲池中的数据进行再次写入，直至数据写入正确。
30.图像回放时，固态硬盘中数据发送到sata接口，协议转换单元从sata接口获取数据并解析后发送给缓冲单元，同时发送给coaxpress ip核或者ps端，然后coaxpress ip核将收到的数据通过图像输出接口发出至第一信号均衡模块2，或者ps端将收到的数据通过emac接口发出至phy芯片4。
31.本实施例中的固态存储阵列3包括至少两个1.8寸的固态硬盘，如图4所示，固态存储阵列3包括u型的支架，支架中部的空隙用于容纳固态硬盘，固态硬盘分别从上至下依次叠放在支架中部的空隙中，支架的两侧为金属挡板，用于保护所容纳的固态硬盘，支架底部设有转接板，转接板一侧和固态硬盘分别连接，另一侧和xc7z045芯片的pl端连接。通过上述结构，本实施例中的固态存储阵列3满足存储容量和传输速率的基础上减小了体积。
32.对固态存储阵列3进行数据存取的过程中，本实施例采用xc7z045芯片的fpga内的raid控制器和sata控制器，raid控制器根据自身的阵列结构将coaxpress ip核采集的数据分解，将针对同一校验条带上的数据块组织在一起并写入对应的固态硬盘；sata控制器可支持sata1.0(1.5gbps)、sata2.0(3gbps)以及sata3.0(6gbps)，符合sata 3.0规范，可实现物理层、链路层、传输层、命令层、应用层等协议，支持主流设备厂商，如samsung、crucial、intel、ocz、plextor、sandisk、kingston和其他厂商的固态硬盘。
33.如图2和图5所示，本实施例的图像采集回放系统还包括cxp相机8、cxp图像显示设备9、第二信号均衡模块10和同轴电缆11，所述cxp相机8、cxp图像显示设备9分别和第二信号均衡模块10连接，所述第二信号均衡模块10、同轴电缆11和第一信号均衡模块2依次连接，cxp图像显示设备9可以为具有coaxpress接口的显示器，从而在通过coaxpress接口进行图像回放时可以看到原始图像。如图5所示，本实施例中所述第一信号均衡模块2、第二信号均衡模块10分别包括电缆均衡器和电缆驱动器，本实施例中第一信号均衡模块2、第二信号均衡模块10可以采用microchip公司的eqco125x40系列芯片，其将均衡器、电缆驱动器和时钟数据恢复集成到单一芯片中，能够通过单一同轴电缆提供高速、高分辨率视频和控制信号以及电源供应，所述cxp相机8、第二信号均衡模块10的电缆驱动器、同轴电缆11、第一信号均衡模块2的电缆均衡器和图像输入接口形成第一通路，同时所述cxp图像显示设备9、第二信号均衡模块10的电缆均衡器、同轴电缆11、第一信号均衡模块2的电缆驱动器和图像输出接口形成第二通路。通过上述结构，第一通路可用于图像采集时的数据传输，第二通路可用于图像回放时的数据传输。
34.如图2和图6所示，本实施例的图像采集回放系统还包括以太网回放显示设备12，所述板卡上还设有网络变压器13和rj45连接器14，所述phy芯片4、网络变压器13、rj45连接器14和以太网回放显示设备12依次连接。如图6所示，本实施例中所述fpga模块1的ps端还通过mdio接口和phy芯片4连接，通过mdio接口可以对phy芯片4进行枚举、配置和器件状态监测等。
35.进行以太网的图像回放过程中，本实施例采用xc7z045芯片的fpga内的emac模块以及mdio模块，emac模块是xc7z045芯片片内arm处理器内核与片外的网络物理层数据传输的接口，负责以太网数据的接收和发送，它实现了ieee802.3标准的以太网mac层协议功能：将从上层协议栈传递来的数据打包成符合ieee802.3标准的以太网数据包，并从收到的以太网数据包中剥离出载荷数据，提供给上层协议栈进行分析和处理。此外，xc7z045芯片的emac模块提供了2路gmii/rgmii/sgmii接口与phy芯片进行对接。mdio模块负责管理与emac模块相连的所有phy芯片。
36.如图2所示，本实施例的图像采集回放系统还包括12v直流电源15，所述板卡上还设有电源转换模块16，所述电源转换模块16的输入端和12v直流电源15连接，所述电源转换模块16的输出端和pl端、ps端、第一信号均衡模块2、固态存储阵列3和phy芯片4的供电端分别连接。
37.如图2所示，本实施例中所述板卡上还设有第一晶振17和第二晶振18，所述第一晶振17和ps端连接，所述第二晶振18和pl端连接，所述第一晶振17采用33.33mhz晶振，主要用途是为ps端提供系统时钟，为ps端内部pll锁相环提供时钟参考，生成ps端工作需要的arm时钟，ddr时钟以及io时钟等；所述第二晶振18采用100mhz晶振，主要用途为给fpga的pl端
提供主参考时钟，主要接入pl端pll锁相环为相关ip核及其他逻辑模块提供时钟参考。
38.上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。