Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 基于千兆以太网的图像采集系统设计 马腾飞 ，高世杰 ，吴志勇 （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院，北京１０００３９） 摘 要：在光电测控设备中，提出了在一块板卡上实现所有信息同步采集的方案，并采用千兆以 太网实现数据远程传输。结果表明该系统能够很好地同步采集数据，为判读系统提供了良好的条件， 满足实际工程的需求。 关键词：图像采集；千兆以太网；图像存储 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｆｒａｍｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｉｇａｂｉｔ ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＭＡ Ｔｅｎｇ Ｆｅｉ 一．ＧＡＯ Ｓｈｉ Ｊｉｅ 。ＷＵ Ｚｈｉ Ｙｏｎｇ （１．Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｇａｔｈｅｒ ａｌｌ ｄａｔａ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏａｒｄ， ｒｅａｌｉｚｅ ｄａｔａ ｒｅｍｏｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｇｉｇａｂｉｔ ｅｔｈｅｒｎｅｔ．Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄａｔａ ｖｅｒｙ ｗｅｌｌ， ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｇｉｇａｂｉｔ ｅｔｈｅｍｅｔ；ｉｍａｇｅ ｓｔｏｒａｇｅ 随着光学测量技术的提高，测控设备不仅要获得目 标的飞行轨迹等参数，同时还要获得飞行姿态参数、瞬 行适当的组合，通过千兆网发送至存储控制计算机，Ｂ 码时统输出各类同步信号完成整个系统的高精度同步。 系统组成由图１所示。 时速度等目标特性参数。这些参数的测量必须依赖于高 帧频、高分辨率成像器件，因此对图像采集系统的硬件 和软件结构设计、特别是在数据传输和提高图像处理速 度方面都提出了较高的要求…。 传统的光电经纬仪图像采集系统分立的图像和测 量信息采集模块使得同步采集不易实现，而且受到图像 传输线距离的限制，使得数据采集前端与存储计算机必 须处在同一地点，限制了系统的灵活性。因此需要一种 集成的、可远程传输的采集系统。本文针对Ｃａｍｅｒａ Ｌｉｎｋ 数字图像接口的红外相机设计了图像采集及传输系统， 同步采集图像及测量信息通过千兆网实时传输至存储 计算机，并通过软件对图像进行恢复及判读。 １采集系统组成 图像采集系统由基于ＦＰＧＡ的采集前端、存储控制 计算机、摄像机、Ｂ码时统等组成。计算机通过千兆以太 网对采集前端发送控制命令，ＦＰＧＡ采集数字图像并进 ７２ 图１ 图像采集系统组成框图 ２采集系统设计 ２．１图像采集 Ｃａｍｅｒａ Ｌｉｎｋ接口是现阶段高速相机普遍采用的图 《微型机与应用》２０１０年第９期 Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 像输出接口，它是由美国国家半导体实验室提出的一种 从而保证数据处理的精度。系统采用的Ｂ码终端同步精 度可以达到１００ ｎｓ，可产生各种频率的同步信号，并以 此作为系统的同步源完全可以满足高精度采集系统之 间以及系统内部信号的同步精度要求。 ｃｈａｎｎｅｌ ｌｉｎｋ技术标准发展而来的，在传统低压差分信 号（ＬＶＤＳ１传输数据的基础上又增加了并转串发送器和 串转并接收器ｌ ２ｌ。ＤＳ９０ＣＲ２８６的主要作用是把相机按照 Ｃａｍｅｒａ Ｌｉｎｋ标准输出的ＬＶＤＳ信号转换成ＴＴＬ电平信 号。转换后的ＴＴＬ信号包含像素时钟及２８位的并行数 据ｆ包括像素数据、帧同步信号、行同步信号和其他的控 制信号）。 实验采用分辨率为３２０（Ｈ）Ｘ２５６（Ｖ）、１４位像素、 ５０ Ｈｚ或１００ Ｈｚ拍摄的红外相机，而千兆以太网接口芯 测控信息采集主要是测量角度信息和时间信息的 采集以及采样时刻的控制。本系统采用ＲＳ一４２２接口通 信，将测控信息的采集与图像采集在单块电路板上完 成，可以保证信息的严格同步。为了保证测量精度，高速 测量设备都应与控制信号实现同步工作，测控信息采集 时刻应与摄像机曝光时间中心对齐。采集到的测控信息 缓存至专用ＦＩＦＯ中，帧同步信号无效时，在ＦＰＧＡ的控 制下，加上测量信息标记后通过干兆以太网发送。 片ＡＸ８８１８０的数据总线为３２位。为了提高总线利用率， 在行同步信号及帧同步信号的控制下，将两个相邻的 １４位像素组合成３２位数据后缓存入ＦＰＧＡ片内ＦＩＦＯ。 采用片内ＦＩＦＯ可以减少缓存带来的延时并节省系统成 本。 ３千兆以太网传输系统设计 ３．１千兆以太网结构 出于网络效率的考虑应采用较大的数据包，缓存图 像以两行为单位，这样每个ＦＩＦＯ中缓存的数据量为 １ ２８０字节。由于片内ＦＩＦＯ信号的延时导致满空状态并 千兆以太网是开放系统互连ｆＯＳＩ１参考模型中数据 链路层和物理层的技术，物理层负责用户设备和网络端 设备之间物理与电气的接口，为链路层提供在两个通信 系统之间发送序列位流的途径。数据链路层的主要组成 不准确，并且持续对已满ＦＩＦＯ写请求以及已空ＦＩＦＯ读 请求很容易导 致片内ＦＩＦＯ崩溃［３１，所以采用容量为２ ０４８ 字节的ＦＩＦＯ，根据ＦＩＦＯ的ｗｒｕｓｅｃｌｗｔ８：０１标志产生ｂｕｆｆｅｒ－ ｆｕｌｌ信号，并且在每次读操作完成后异步清空ＦＩＦＯ，使 得前一次操作后的状态不会影响到下一次操作，较好地 解决了状态不准确的问题。 部分是媒体无关子层ｆＭＡＣ１和网络驱动程序，负责在两 个相邻终端问的线路上无差错地传输以帧为单位的数 据，每一帧由控制信息和数据组成［４１。 在千兆以太网标准集中．ＩＯ００ＢＡＳＥ—Ｔ标准在桌面 领域占据主流地位。ｌ００ｏＢＡＳＥ—Ｔ采用复杂的、效率很高 的４Ｄ—ＰＡＭ５编码方式，在每对５类非屏蔽双绞线ｆＵＴＰ一 乒乓操作是数据采集和数据处理应用中最常采用 的技巧之一，通过输入数据选择单元和输出数据选择单 元按节拍相互配合切换，将过缓冲的数据流及时送到处 理单元，实现了采集模块与发送模块的异步操作。采用 ＦＰＧＡ内部存储资源建立两块ＦＩＦＯ对乒乓的图像缓存， 由ＦＰＧＡ控制更新ＦＩＦＯ标记。乒乓ＦＩＦＯ的ＦＰＧＡ实现 如图２所示。 ５）上以１２５ ＭＨｚ的线路频率实现２５０ Ｍｂ／ｓ的传输速度。 考虑到实际应用环境，本系统设计符合ｌ０００ＢＡＳＥ—Ｔ标 准的千兆以太网传输系统。 ３ ２硬件设计 ＡＸ８８１８０是台湾ＡＳＩＸ公司针对嵌入式应用推出的 千兆以太网数据链路层（ＭＡＣ）芯片，提供 １６／３２位类ＳＲＡＭ主机接口，内置４０ ＫＢ 的ＳＲＡＭ数据缓存，可用于多种需要高速 接入网络的嵌入式系统，在串流媒体、多 媒体网络、高频宽带传输等领域有广泛的 应用前景。Ｍａｒｖｅｌｌ公司的ｍ８８ｅｌＩ１１是一 款应用广泛的千兆以太物理层（ＰＨＹ）芯片， 其在内部实现４Ｄ—ＰＡＭ５编解码及一系列 的硬件信号处理技术、在实际应用中具有 优秀的表现。 图３所示为千兆以太网硬件组成图， 采用Ｃｙｃｌｏｎｅ ＥＰＩＣ１２系列ＦＰＧＡ作为主 图２ 图像采集模块的ＦＰＧＡ实现 控制器。ＦＰＧＡ与ＡＸ８８１８０之间采用 ２．２测控信息的同步采集 ＳＲＡＭ ＬＩＫＥ接口连接，通过编程实现对其控制寄存器 图像采集系统要求所有设备高精度同步工作，这样 才能保证图像和对应的角度信息、时问信息的一致性， 及内部缓存的访问。物理层芯片Ｍ８８Ｅ１１１１与ＡＸ８８１８０ 之间通过简化千兆媒体无关接口ｆＲＧＭＩＩ）Ｅ连。 《微型机与应用》２０１０年第９期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ７３ ＦＰＧＡ ＥＰＩＣ１２ 表１ 采用的协议格式 ０Ｘ００ ０Ｘ１１ ｉ驱ＡＸ动８程８１序８０ Ｌ—— 目的地址 ０Ｘ５Ｂ ＯＸ５７ 以太网帧头 ＩＥＥＥ ８０２．３ ＯＸＤ５ ０Ｘｏ０ ＯＸＣ４ ０Ｘ１Ｂ １４字节 源地址 ０Ｘ１１ ＯＸ４０ ０Ｘ１０ ０Ｘ４２ 图３ 千兆以太网硬件设计 负载类型 ＯＸＯ８ ｏ１∞０ 版头，头长度（ＩＰＶ４、２０字节） ０Ｘ４５ ＩＰ包长度（１ ２９０＋２０） 数据包标识 标志位／ＩＰ碎片指针 ０Ｘ００ ＯＸ１Ｅ ＯＸｏｏ ０Ｘ００ ＯＸＯ５ ＯＸ０ｏ ０Ｘｏｏ ｌＰ包头ＲＦＣ７９１ ２０字节 存活期／负载协议 ＩＰ包头校验 源ｌＰ ０Ｘ８０ ＯＸＥＣ １９２ ｌ０ｏ ＯＸ１ｌ ＯＸ ７ １６８ ２ 目的ＩＰ １９２ １ｏｏ １６８ ４ 源端口 ０ＸＯＯ ０Ｘｏ０ ＵＤＰ报头ＲＦＣ７６８ 目标端１：３ （４ ０９６） ０Ｘ１Ｏ ０Ｘ００ ８字节 ＵＤＰ数据报长度（１ ２９０）１ ２８０ ０Ｘ０５ ＯＸ０Ａ ＵＤＰ校验 ＯＸｏｏ ＯＸ０ｏ 采用较大的数据单元可以有效减少写磁盘请求次数。 采用多线程程序设计，动态分配缓存单元。网络接 收线程将缓存接收满后访问队列并且将缓存挂载至队 列尾。存储线程在队列不空时，从队列中取出缓存单元 后存盘。使用互斥信号量实现网络接收线程与存盘线程 之间的同步。接收数据包与存盘操作均采用异步模式， ｌＩ一匪 接塞 至 嚣收Ｋ三二 —毳 ｝ ——— 一 … 。／ｌ 以提高程序的效率，降低系统负荷。系统可以做到只要 的存储图像数据。 本文设计的图像采集系统，较好地解决了图像与测 平均写磁盘速度大于数据采集速度，就可以保证无丢帧 量信息的同步采集问题。经过实际测试，系统可以稳定 在６００ Ｍｂ／ｓ的传输速度下运行，满足大多数红外相机 的数据传输需求，在实际应用中取得了良好的效果。对 于其他需要远程传输数据的采集系统，也有一定的参考 价值。 参考文献 【１】张吴．高速视频中运动目标姿态自动判读方法的研究 【Ｄ１．天津：天津大学，２００５． 【２】王小艳，张会新，孙永生．Ｃａｍｅｒａ Ｌｉｎｋ协议和ＦＰＧＡ的数 字图像信号源设计［Ｊ］．国外电子元器件，２００８（７）：５９—６１． ［３１王智，罗新民．基于乒乓操作的异步ＦＩＦＯ设计及ＶＨＤＬ 实现【Ｊ］．电子工程师，２００５，３１（６）：１３—１６． ［４】谢希仁．计算机网络（第四版）［Ｍ］．北京：电子工业出版 社．２００３． ｆ收稿日期：２００９—０９—１４） 作者简介： 马腾飞，男，１９８５年生，硕士研究生，主要研究方向：光 纤通信技术。 《微型机与应用》２０１０年第９期