高速ccd圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的研究

高速ccd圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的研究

0數(shù)據(jù)存儲(chǔ)適用條件圖像數(shù)據(jù)總量大，輸出速度快，因此高速圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。現(xiàn)在，這種方法是計(jì)算機(jī)上的高速數(shù)據(jù)集卡，并使用高速磁盤矩陣或冗余磁盤驅(qū)動(dòng)行進(jìn)行存儲(chǔ)。然而，這種方法通常只能記錄特定范圍的圖像數(shù)據(jù)，并且只能記錄各種通道的圖像數(shù)據(jù)。此外，高速磁盤采集卡、高速硬盤和冗余磁盤驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格相對(duì)較高，因此在一些需要存儲(chǔ)多數(shù)據(jù)的情況下是不合適的。我們?cè)?jīng)遇到了將面陣幀轉(zhuǎn)移CCD相機(jī)輸出的多路高速圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄的問(wèn)題.CCD相機(jī)的每一路數(shù)據(jù)輸出率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)速率,但是CCD輸出的圖像數(shù)據(jù)中間有一定的行間隔和幀間隔.我們?cè)噲D使用高速采集卡或磁盤陣列,但是經(jīng)過(guò)調(diào)研,由于采集速度不夠或是資金問(wèn)題均被否定.最終決定利用普通存儲(chǔ)介質(zhì)自己研制一種適合自身系統(tǒng)的采集存儲(chǔ)設(shè)備.為了用普通的存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)時(shí)記錄高速的數(shù)據(jù)流,需要將CCD輸出的高速數(shù)據(jù)流與普通介質(zhì)的低速存儲(chǔ)速度相匹配,為了達(dá)到這一目的,在CCD相機(jī)與存儲(chǔ)介質(zhì)之間加入高速FIFO(先進(jìn)先出)數(shù)據(jù)緩存器,通過(guò)對(duì)緩存器輸入輸出的不同操作,達(dá)到數(shù)據(jù)速率匹配的要求.1高效輸出數(shù)據(jù)的產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用中,面陣幀轉(zhuǎn)移CCD相機(jī)以20MHz的速率并行輸出四路12bit的圖像數(shù)據(jù),存儲(chǔ)介質(zhì)的最大寫入速度為9MHz,實(shí)際只用到了其標(biāo)稱的最佳寫入速度5MHz.CCD相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)首先在CCD像元時(shí)鐘(FIFO寫時(shí)序)的驅(qū)動(dòng)下以20MHz的速率存入一組FIFO中,然后在FIFO的讀時(shí)序的驅(qū)動(dòng)下以5MHz的速率從FIFO中讀出,并且經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,再存入規(guī)定的存儲(chǔ)介質(zhì)中.這樣,通過(guò)在CCD相機(jī)和存儲(chǔ)介質(zhì)中間加入FIFO緩存器,并且合理地利用了行間隔和幀間隔時(shí)間,達(dá)到了使CCD相機(jī)的數(shù)據(jù)輸出速率與存儲(chǔ)介質(zhì)寫入速率相匹配的目的.日本OKI公司生產(chǎn)的MSM518221FIFO緩存器是一種高性能的2M位或256K×8位的存儲(chǔ)器.它的輸入輸出是相互獨(dú)立的,因此,可以對(duì)其輸入和輸出端口分別進(jìn)行不同的控制,實(shí)現(xiàn)輸入輸出按照不同的速度工作.MSM518221的原理框圖如圖1所示.為了能將CCD相機(jī)產(chǎn)生的高速圖像數(shù)據(jù)及時(shí)而且無(wú)遺漏地存入到低速的永久性存儲(chǔ)介質(zhì)中,我們發(fā)現(xiàn)MSM518221的存儲(chǔ)容量256Kbytes,而這正好是四分之一幀圖像的大小,也就是CCD相機(jī)拍攝一幀圖像后每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)量.于是,考慮在CCD相機(jī)的每一路輸出通道中使用了兩片MSM518221,當(dāng)CCD相機(jī)拍攝第一幀圖像后,這一幀圖像數(shù)據(jù)被分成四份,并分別存入四路通道中的四個(gè)MSM518221中;當(dāng)CCD相機(jī)拍攝第二幀圖像時(shí),MSM518221將其中的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到永久性存儲(chǔ)介質(zhì)中,當(dāng)?shù)诙瑘D像拍攝完成后,這一幀的圖像數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到四路輸出的另外四個(gè)MSM518221中,當(dāng)CCD相機(jī)拍攝第三幀圖像時(shí),再將這四個(gè)MSM518221中的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到永久性介質(zhì)中.這樣,在FIFO緩存器接收CCD相機(jī)數(shù)據(jù)的同時(shí),另一片F(xiàn)IFO緩存器將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入存儲(chǔ)介質(zhì)中.于是兩片F(xiàn)IFO緩存器交替接收數(shù)據(jù)、交替將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)介質(zhì)中,完成了數(shù)據(jù)從高速數(shù)據(jù)源存入低速存儲(chǔ)介質(zhì)的功能.為了有效地控制FIFO的寫入和讀出操作以及數(shù)據(jù)能正確快速地存入到永久性存儲(chǔ)介質(zhì)中,在系統(tǒng)中還增加了一片控制單片機(jī),而且針對(duì)FIFO的輸入操作、FIFO地讀出操作和存儲(chǔ)介質(zhì)地寫入操作分別進(jìn)行了相應(yīng)的時(shí)序設(shè)計(jì).圖2顯示了本系統(tǒng)其中一路輸出的原理框圖,圖中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分是為了達(dá)到總線數(shù)據(jù)位數(shù)匹配的目的.2fpga讀取數(shù)據(jù)的控制和存儲(chǔ)過(guò)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過(guò)程是由時(shí)序來(lái)控制的.因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)包含了CCD相機(jī)、FIFO以及存儲(chǔ)介質(zhì)三個(gè)部分,而且各個(gè)部分的數(shù)據(jù)速率不同,所以在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)時(shí)序時(shí),必須將所有的因素都考慮周全,分兩部分設(shè)計(jì):1)FIFO的寫入時(shí)序設(shè)計(jì);2)FIFO的讀出以及存儲(chǔ)介質(zhì)地寫入時(shí)序設(shè)計(jì).CCD相機(jī)的輸出時(shí)序與FIFO的寫入時(shí)序必須嚴(yán)格一致對(duì)應(yīng),而FIFO的讀出時(shí)序與存儲(chǔ)介質(zhì)的輸入時(shí)序也必須相對(duì)應(yīng).整個(gè)時(shí)序的設(shè)計(jì)是利用EPLD和單片機(jī)共同實(shí)現(xiàn)的.首先利用MAXPLUSII設(shè)計(jì)出所需的時(shí)序電路,經(jīng)過(guò)編譯仿真后,將其固化到ALTERA的專用芯片中.這種方法比較簡(jiǎn)單,而且調(diào)試方便,修改容易.同時(shí),也利用單片機(jī)對(duì)FIFO的讀出和存儲(chǔ)介質(zhì)的寫入時(shí)序進(jìn)行了有限的控制.圖3顯示的是FIFO的寫入時(shí)序圖.圖中HSY是行同步信號(hào),PCLK是像元時(shí)鐘,DATA是CCD相機(jī)的輸出數(shù)據(jù),RST是有效像元使能信號(hào),WE1和WE2分別是兩組FIFO的寫使能信號(hào).這里直接應(yīng)用了CCD相機(jī)的像元時(shí)鐘和行同步信號(hào)(此處的像元時(shí)鐘為20MHz).在行正程期間,當(dāng)有效數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí),時(shí)序控制一組FIFO被選中,并且設(shè)置它的寫控制信號(hào)有效,數(shù)據(jù)便在像元時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下,按照CCD相機(jī)的輸出順序被存入FIFO中.當(dāng)寫完一行數(shù)據(jù)后,時(shí)序控制FIFO停止寫入數(shù)據(jù),等到下一行數(shù)據(jù)到來(lái)后,繼續(xù)將下一行數(shù)據(jù)寫入到FIFO中,如此循環(huán),一直到將整個(gè)一幀數(shù)據(jù)完全寫入到FIFO中后,時(shí)序控制FIFO的寫信號(hào)無(wú)效,開(kāi)始等待FIFO讀信號(hào)的到來(lái).而當(dāng)再有數(shù)據(jù)時(shí),時(shí)序會(huì)控制另一組FIFO進(jìn)行寫入操作.圖4顯示的是FIFO的輸出時(shí)序.這一部分時(shí)序是由數(shù)據(jù)控制時(shí)鐘以及FIFO的讀出控制信號(hào)組成.這里的控制時(shí)鐘由外接的晶體振蕩器產(chǎn)生,振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后得到頻率大約為5M的時(shí)鐘信號(hào).當(dāng)發(fā)出開(kāi)始記錄命令時(shí),單片機(jī)向FIFO發(fā)出讀命令以及向存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)出寫入信號(hào),從而開(kāi)始將一組FIFO中的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下按順序發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器后,被轉(zhuǎn)存入存儲(chǔ)介質(zhì)中.當(dāng)這組FIFO中的數(shù)據(jù)完全被寫入到存儲(chǔ)介質(zhì)后,存儲(chǔ)介質(zhì)向單片機(jī)發(fā)出寫入完畢中斷信號(hào),一旦單片機(jī)接收到這個(gè)中斷信號(hào),就會(huì)發(fā)出命令使這組FIFO的讀出和存儲(chǔ)介質(zhì)的寫入控制信號(hào)無(wú)效,便完成了一幀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).在一組FIFO向存儲(chǔ)介質(zhì)轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的同時(shí),FIFO寫入時(shí)序又控制CCD相機(jī)的輸出數(shù)據(jù)寫入到另一組FIFO中.這樣,在一組FIFO緩存器向存儲(chǔ)介質(zhì)轉(zhuǎn)存圖像數(shù)據(jù)的同時(shí),另一組FIFO緩存器也在接收CCD的輸出數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)接收和寫盤操作同步進(jìn)行,如此循環(huán),一直到所有的數(shù)據(jù)都被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)中.兩組FIFO如此交替地工作,連續(xù)不斷地將CCD相機(jī)圖像數(shù)據(jù)緩存、寫盤,于是數(shù)據(jù)就無(wú)丟失地完全被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)中.3高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)在CCD相機(jī)與存儲(chǔ)介質(zhì)之間加入FIFO緩存器,有效地使CCD相機(jī)輸出的20MHz的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)介質(zhì)可以存儲(chǔ)的5MHz