LVDS技術(shù)在高速多通道圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、    LVDS技術(shù)在高速多通道圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用        宋燕星， 袁 峰， 丁振良， 曹 時間:2008年04月11日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>圖像數(shù)據(jù)<"cblue" "

2、 target='_blank'>采集系統(tǒng)<"cblue" " target='_blank'>多通道<"cblue" " target='_blank'>差分信號<"cblue" " target='_blank'>發(fā)送器            摘要： 針對CMOS圖像傳感器輸出通

3、道多、傳輸速率高的特點，將LVDS技術(shù)應(yīng)用于<"cblue" " title="采集系統(tǒng)">采集系統(tǒng)中，提出一種適用于高速<"cblue" " title="多通道">多通道<"cblue" " title="圖像數(shù)據(jù)">圖像數(shù)據(jù)采集的采集系統(tǒng)。詳細介紹了LVDS技術(shù)和應(yīng)用、圖像數(shù)據(jù)傳輸部分的硬件構(gòu)成、接口設(shè)計以及工作原理。關(guān)鍵詞： CMOS圖像傳感器 LVDS Camera Link目前在圖像采集系統(tǒng)中，由于

4、采集數(shù)據(jù)量很大，因此對采集系統(tǒng)的采集速率以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸有很高的要求。尤其在應(yīng)用CCD/CMOS高速圖像傳感器進行圖像采集的系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸通道多的特點使傳統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸方法存在很大的局限性。比如，物理層接口無法滿足數(shù)據(jù)的傳輸速度；由于傳輸通道的增多引起傳輸導(dǎo)線數(shù)量的增加導(dǎo)致系統(tǒng)功耗、噪聲也隨之增大1等。因此，采用新的技術(shù)解決多通道、高速CCD/CMOS 圖像數(shù)據(jù)采集成為必然趨勢。低電壓<"cblue" " title="差分信號">差分信號傳輸技術(shù)簡稱LVDS（Low Voltage Differential S

5、ignaling）為解決這一瓶頸問題提供了可能。本文設(shè)計一種適用于高速、多通道CMOS圖像數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，將LVDS技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸部分,使系統(tǒng)能滿足圖像數(shù)據(jù)實時、穩(wěn)定、高速傳輸?shù)囊蟆? LVDS技術(shù)LVDS是一種低擺幅的差分信號技術(shù)，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上傳輸數(shù)據(jù)，并且允許單個通道傳輸率達到每秒數(shù)百兆比特（Mbps）。LVDS接口是一種單工方式，必要時也可使用半雙工、多點配置方式，但一般在噪聲較小、距離較短的情況下才適用。其點到點連接的差分對由一個驅(qū)動、互聯(lián)器和接收器組成。LVDS技術(shù)的主要特點有：(1)高速傳輸能力。LVDS技術(shù)的恒流源模式低擺幅輸出意味著L

6、VDS能高速驅(qū)動。(2)低噪聲/低電磁干擾。LVDS信號是低擺幅的差分信號，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式比單線數(shù)據(jù)傳輸對共模輸入噪聲有更強的抵抗能力，在兩條差分信號線上電流方向及電壓振幅相反，噪聲以共模方式同時耦合到兩條線上。而接收端只關(guān)心兩信號的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號線周圍的電磁場也相互抵消，故比單線信號傳輸電磁輻射小得多。而且，恒流源驅(qū)動模式不易產(chǎn)生振鈴和切換尖鋒信號，進一步降低了噪聲。(3)低功耗。LVDS器件是用CMOS工藝實現(xiàn)的，因此靜態(tài)功耗低。而且其負載功耗低、恒流源模式驅(qū)動設(shè)計也降低系統(tǒng)功耗。(4)節(jié)省成本。功率的大幅降低允許在單個集成電路上集成多個接口驅(qū)動器和接收器，這樣提高了

7、PCB板的效能，減少了成本。另外，由于是低擺幅差分信號技術(shù)，其驅(qū)動和接收不依賴于供電電壓，如5V，因此LVDS能比較容易應(yīng)用于低電壓系統(tǒng)中，如3.3V甚至2.5V的系統(tǒng)都能保持同樣的信號電平和性能。LVDS也易于匹配終端。無論其傳輸介質(zhì)是電纜還是PCB走線，都必須與終端匹配，以減少不希望的電磁輻射，提供最佳的信號質(zhì)量。通常一個盡可能靠近接收輸入端的100 終端電阻跨在差分線上即可提供良好的匹配。目前LVDS技術(shù)在傳輸距離上有其局限性，一般應(yīng)用在20米以下2。2設(shè)計思想及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)設(shè)計思想系統(tǒng)選用LUPA1300高速CMOS圖像傳感器，它具有1280×1024的像素，像素尺寸為

8、14m×14m,全分辨率下的幀速為450幀/秒，其高幀速通過16個并行輸出<"innerlink" " title="放大器">放大器實現(xiàn)，每一放大器的像素率為40MHz，每相元的數(shù)據(jù)為8bit。如果16通道同時并行輸出圖像數(shù)據(jù)，則傳輸通道的數(shù)據(jù)吞吐量可達40×8×16=5.120Gbps。如此大的數(shù)據(jù)吞吐量要求系統(tǒng)不僅有極高的數(shù)據(jù)傳輸率，而且要能夠適應(yīng)于多個通道、不同速率的CMOS圖像數(shù)據(jù)采集，即要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通道合并，并且有較寬的數(shù)據(jù)傳輸頻帶。根據(jù)以上的分析，本系統(tǒng)在基于LVDS技術(shù)的情況下采用了

9、Camera Link協(xié)議。Camera Link協(xié)議是一個工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)和連接協(xié)議，它是各公司達成的一種協(xié)議，目的是簡化圖像采集接口，方便高速圖像傳感器和采集系統(tǒng)的連接。Camera Link硬件結(jié)構(gòu)分為三類：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（Base）、中間結(jié)構(gòu)（Medium）和完全結(jié)構(gòu)（Full）3。根據(jù)Camera Link的硬件結(jié)構(gòu)的分析，每個連接端口選用兩個MDR26連接器構(gòu)建Camera Link的Full結(jié)構(gòu)，即支持8路8bit的數(shù)據(jù)端口，將輸出的圖像數(shù)據(jù)按照8通道并行采樣。2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1 可以看出，CMOS圖像傳感器將圖像數(shù)據(jù)并行輸出后，通過Camera Lin

10、k<"cblue" " title="發(fā)送器">發(fā)送器/接收器將并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉刂茊卧蠼?jīng)過緩存模塊將數(shù)據(jù)存儲到SCSI硬盤陣列。其中，采集控制單元完成對圖像數(shù)據(jù)的簡單處理，同時也向相機發(fā)出相機控制信號。而虛線所框的部分為數(shù)據(jù)傳輸部分，這部分應(yīng)用LVDS技術(shù)實現(xiàn)，下面將重點介紹。3 數(shù)據(jù)傳輸部分3.1芯片選擇及其工作原理應(yīng)用LVDS技術(shù)，首先要將并行圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LVDS串行數(shù)據(jù)流，這就需要用到串行片和解串片（即圖1中所示的Camera Link發(fā)送器和Camera Link接收器）。Camera Link發(fā)送器將CMOS/T

11、TL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LVDS串行數(shù)據(jù)流進行傳輸。Camera Link接收器接收LVDS數(shù)據(jù)流并將其解串成CMOS/TTL數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用美國國家半導(dǎo)體公司的Channel Link芯片DS90CR287/DS90CR288。圖2所示為該芯片的工作原理。從圖2可以看出，28bit并行圖像數(shù)據(jù)經(jīng)DS90CR287轉(zhuǎn)換為4路LVDS串行數(shù)據(jù)流，同時在第5組LVDS鏈路上將移位時鐘信號發(fā)送出去。這些數(shù)據(jù)流通過Camera Link電纜傳輸。當(dāng)DS90CR28接收到LVDS數(shù)據(jù)流后，將其解串恢復(fù)為28bit的并行數(shù)據(jù)輸出進行后續(xù)處理。在每個時鐘周期，對28bit輸入數(shù)據(jù)進行采樣并且串行傳輸。每個LVDS數(shù)據(jù)

12、通道可以以525Mbps的速率傳輸28bit的TTL數(shù)據(jù)，如果使用75MHz的時鐘頻率，則整體的數(shù)據(jù)傳輸率可達到2.10Gbps。3.2 Camera Link接口連接根據(jù)Camera Link協(xié)議的要求，選用MDR26連接器作為圖像采集部分與圖像數(shù)據(jù)傳輸部分、圖像傳輸部分與系統(tǒng)控制部分的接口。當(dāng)并行圖像數(shù)據(jù)通過LVDS發(fā)送器轉(zhuǎn)變?yōu)長VDS數(shù)據(jù)流后，經(jīng)過MDR26連接器傳輸?shù)紺amera Link電纜進行傳輸，在Camera Link電纜與LVDS接收器之間仍需MDR26連接器作為接口連接。圖3所示為圖像傳輸部分與系統(tǒng)控制部分的接口圖。每塊MDR26可接收4路LVDS數(shù)據(jù)和1路LVDS的Cam

13、era Link時鐘信號。從圖3中可以看出，用兩塊MDR26在Base結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行擴展，構(gòu)建Camera Link協(xié)議中的Full結(jié)構(gòu)。其中，數(shù)據(jù)鏈路（Data）傳輸圖像數(shù)據(jù)信號和視頻數(shù)據(jù)信號（包括FVAL、LVAL、DVAL和SPARE，即幀允許信號、行允許信號、數(shù)據(jù)允許信號和保留信號）。Camera Control傳輸高速相機控制信號CC1、CC2、CC3和CC4，它們分別是外部同步信號（EXSYNC）、重置信號（PRIN）、向前信號（FORWARD）和保留信號（Future Use）4。串行通信線用于在相機與圖像采集裝置間進行異步串行通信。MDR26連接器從相機得到視頻數(shù)據(jù)信號作為高速數(shù)據(jù)同步信號，同時向相機傳輸相機控制信號完成外界與相機之間的通訊。本系統(tǒng)降低了功耗、減小了噪聲和電磁干擾，并且大幅度節(jié)省了PCB空間及連接件的尺寸和數(shù)量。參考文獻1王琳瑯,張伯珩,邊川平等. 多通道、高速C