摘 要： 設計了一種針對具有大數據量特點圖像數據采集、存儲及長線回讀的測控系統。在控制信號的作用下，此測控系統將CMOS傳感器采集的大容量數據存儲到Flash芯片中。存儲完成后，通過LVDS總線，將Flash芯片中存儲的數據回傳到上位機進行存盤并顯示。實驗證明，此系統穩定性高，在工業控制領域具有借鑒意義。

0 引言

隨著科學技術的發展，視覺技術被廣泛應用于軍事、工業以及測控領域。視覺是人們主要的信息源，通過圖像采集系統對周圍環境圖像數據進行采集，這樣機器能夠替代人類獲得環境信息，此種系統被廣泛應用于測控系統，以獲得飛行器的環境參數。利用高性能的FPGA控制圖像數據的采集與圖像數據處理，通過交錯雙平面技術對處理后的圖像數據進行存儲，通過USB總線，將處理后的數據傳輸給上位機進行解包并顯示。

1 系統的總體設計

系統工作過程：采集存儲模塊的FPGA通過模擬IIC時序，對CMOS模擬傳感器進行初始化與配置，并采集圖像數據，通過信號調理電路將采集的模擬信號進行濾波放大，并將調理放大的信號進行A/D轉換后輸出給FPGA，FPGA將接收的數據通過內部FIFO緩存后傳輸給Flash芯片進行存儲。FPGA回讀Flash芯片內的數據，通過LVDS總線（型號DS92LV1023）發送給監控讀數模塊，通過USB接口（型號CY7C68013）傳輸給上位機，由上位機對圖像進行解碼顯示。系統的原理框圖如圖1所示。

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FPGA采用XILINX公司的XC3S1400AN，內部包含有豐富的RAM資源，便于數據采集[1-3]。

2 CMOS圖像數據采集模塊

通過FPGA對CMOS圖像采集模塊進行邏輯控制。其中采集模塊主要完成對視頻圖像的采集，對采集到的信號進行模數轉換，并對此信號進行低通濾波及放大后[4-7]傳輸給圖像數據存儲模塊進行存儲。

在本文的系統設計中，對圖像數據的采集是核心模塊。視頻前端應用CMOS圖像傳感器（型號OV7670），輸出的圖像數據最高為30幀/s，30萬像素，芯片內部的寄存器達201個，通過FPGA控制單片機對傳感器寄存器進行配置。單片機采用IIC總線為傳感器寄存器串行傳輸數據，在對IIC總線時序控制中，利用54個SDA時鐘傳輸32 bit的配置數據，其中前兩個時鐘周期完成時序模塊的初始化，延時4個周期后，啟動串行數據的傳輸，傳送完一個字節數據后等待從接收器（CMOS圖像傳感器）的應答信號，當單片機確定從接收器正確接收后，啟動發送下一個字節的配置數據，直到發送完4個字節的配置數據后，發送終止信號，結束IIC總線的傳輸，完成傳感器的初始化，從而控制圖像數據的質量、圖像數據的制式以及數據的傳輸方式。其中IIC總線傳輸模塊的時鐘為30 kHz。

CMOS圖像傳感器將采集到的光信號轉換為模擬信號，被轉換的模擬信號很微弱，為達到A/D轉換芯片對處理信號電平的要求，需要對傳感器輸出的模擬信號進行放大處理，經A/D轉換芯片將模擬信號轉換成數字信號輸出。FPGA的解碼部分通過控制3種同步信號（像素時鐘同步信號、行同步信號和場同步信號），進而得到8 bit的RGB制式的圖像數據信號。圖像傳感器的分辨率為640×480，行同步信號為“1”時有效，每行顯示的有效數據是640 bit；每列顯示的有效數據是480 bit，場同步信號為“0”時輸出轉化后的有效數據，當其變為“1”時，表明一幀圖像數據傳輸完成。采集到的數據通過FPGA芯片的內部FIFO緩存。

3 圖像數據存儲模塊

本文采用的FPGA片內存儲器有限，考慮到大數據量的圖像數據，需要外部擴展存儲器，選用K9WBG08U1M型號的Flash，此Flash最大存儲4 GB圖像數據，以頁為單位對數據進行讀寫，以塊為單位對數據進行擦除，包含3種地址控制信號（列地址、行地址和塊地址）。圖像存儲模塊在上電初始化后，FPGA控制時序擦除Flash內存，并等待存儲視頻前端采集到的圖像數據。采用交錯雙平面式對接收到的圖像數據進行存儲，將1片4 GB的Flash分成2片2 GB的Flash，對其中一片Flash進行寫操作的同時對另一片Flash進行讀操作，此種交錯方式使輸入輸出不間斷，實現圖像數據的無縫處理，提高數據傳輸與處理的效率。

為了方便對圖像數據進行讀寫操作，引入3種控制信號：地址使能信號、命令使能信號和數據鎖存信號。在FPGA的邏輯時序控制中，當地址使能信號有效為“0”時，FPGA的8個I/O口并行輸出地址，在對Flash芯片進行尋址時寫入32 bit地址(13 bit是字節地址，19 bit是頁地址和塊地址)，分5次輸出；當命令使能信號有效為“0”時，8位I/O口輸出命令，當數據鎖存信號有效為“0”時，8位I/O口輸入8 bit圖像數據。圖2所示為Flash存儲模塊工作時序流程圖。

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4 監控讀數模塊

通過綜合考慮，圖像數據存儲模塊與監控讀數模塊通過低壓差分傳輸方式（LVDS）進行數據的傳輸，此種傳輸方式適用于高速短距離傳輸，但是，在利用普通雙絞線進行數據的傳輸時，信號的傳輸損耗隨著信號頻率的增加而增加。基于此種限制，在圖像數據的發送端加入驅動以增強信號，在圖像數據的接收端采用均衡補償法補償信號在傳輸過程中的損耗。

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此監控讀數模塊采用LVDS接口和422接口與圖像數據存儲模塊進行通信。LVDS接口主要負責存儲命令的下發和回讀存儲模塊的圖像數據，422接口主要負責對存儲模塊狀態的監控，通過回讀存儲模塊的狀態信息以確定存儲模塊是否正常工作。圖3所示為監控讀數模塊與數據存儲模塊的LVDS接口示意圖。存儲模塊接收到讀數命令，通過LVDS接口，將數據傳輸給監控讀數模塊，監控讀數模塊通過檢測數據的高兩位判斷是否為有效數據。若為有效數據，將此數據存儲到外部的FIFO中，若為無效數據，則丟棄。監控讀數模塊向存儲模塊發送啟動存數數據命令后，數據存儲模塊通過422接口將本身的狀態信息發送給數據監控模塊，通過這些狀態信息能夠判斷存儲模塊是否正常工作。

5 系統測試結果

在對本系統的硬件和軟件模塊調試成功后，對系統的總體功能進行測試。CMOS模擬傳感器對圖像數據進行采集后，通過數據存儲模塊對采集到的數據進行存儲，由監控讀數模塊通過LVDS接口回讀圖像數據，并將此數據通過USB接口上傳給上位機，上位機對此數據進行解碼并顯示，圖4所示為還原后的圖像數據。其中FAF6為幀開始標志，幀標志前面的3個字節是幀計數。

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6 結論

本文利用CMOS傳感器實現了對圖像數據實時采集的要求。應用K9WBG08U1M型號的Flash芯片通過交叉雙平面技術對此圖像數據進行存儲，實現了數據的無縫傳輸，以流水線的數據傳輸方式提高了本系統的傳輸效率。監控讀數模塊通過LVDS接口和422接口對存儲模塊的數據進行回讀并在上位機上顯示。系統充分利用了具有高性能的XC3S1400AN（所用FPGA型號）芯片，提高了系統的運行速度，具有很高的參考價值。