CCD系統下基于FPGA的PCI圖像采集卡設計與實現

摘要：文章設計了一種基于FPGA的CCD圖像數據采集卡。以FPGA作為圖像數據采集卡的核心，通過LVDS傳輸技術，異步FIFO，異步塊RAM，SRAM緩存乒乓操作等技術，在PCI核的基礎上實現了Initiator下的DMA傳輸；并基于VxWorks平臺編寫PCI圖像采集卡的驅動程序。經測試和驗證，PCI圖像采集卡穩定可靠，能夠實現數據流為60Mb／s的CCD系統圖像數據的高速傳輸。
關鍵詞：圖像采集；PCI總線；FIFO；DMA傳輸；VxWorks

0 引言
CCD是一種高性能光電轉換式圖像傳感器。由于其幾何精度高、穩定性好、噪聲小，廣泛用于遙感遙測，天文測量等領域。現實中許多利用單片機作為控制核心，并配備其他一些外圍電路實現CCD的數據采集，這種方式速度慢、集成度低。
由于CCD相機的精度和分辨率的不斷提高，以及對CCD成像系統本身可靠性要求的不斷提高，對數據采集系統采集速度、可靠性，以及易用性提出了更高的要求。本文設計的基于FPGA的PCI數據采集及回放系統，系統設計以Xilinx的FPGA為核心，以LVDS芯片傳輸過來的CCD數據為源頭，運用成熟的PCI總線傳輸技術，實現了高速數據采集的功能。在VxWorks平臺下編寫了相應的驅動程序。經測試和驗證，該系統穩定可靠，傳輸速率高，滿足應用的要求。

1 系統的總體結構以及原理
整個系統由模擬前端和采集后端組成，如圖1所示。前端主要由CCD鏡頭，CCD傳感器、垂直驅動器、A／D轉換器、FPGA、電源管理電路以及高速串行總線接口LVDS組成。CCD鏡頭把光線聚焦在CCD傳感器的感光面上，CCD傳感器完成光信號到電信號的轉換。在驅動器的控制下完成像素電荷的轉移，輸出模擬信號，再經過A／D轉換芯片把模擬信號轉換成數字信號，經LVDS輸出到后端。

采集后端的硬件主要由LVDS芯片、用作緩存圖像數據的SRAM芯片、電源管理模塊、FPGA組成。FPGA是整個后端采集模塊的核心模塊，FP GA不僅要完成數據的采集、組織、傳輸，還要根據PCI規范配置成標準的PCI設備，進行數據與主機之前的傳送。由于數據傳輸要求60Mb／s的速度，所以簡單的單次傳輸不能滿足系統的整體需求。FPGA必須能支持DMA方式的數據傳送。為了使PCI圖像采集卡有更大的通用性，在修改最小的驅動代碼的情況下跨平臺地使用，須把FPGA配置成能作為主動發起DMA請求的PCI設備，從而屏蔽不同的橋芯片之間的差異。
本文主要關注采集后端，即PCI圖像采集卡的硬件、邏輯、以及軟件的設計與實現。