关于基于GTP的Cameralink图像采集传输系统应用的设计

0 引言

在星间激光通信系统中，光电捕获、瞄准与跟踪(Acquisition Pointing and Tracking，APT)平台根据光学系统获得的目标图像等数据计算得到的目标空间方位信息，控制光轴精确指向目标是实现星际链路中全双工无线激光可靠通信的基础。在实际应用中，作为光、机、电一体化的精密动态定位系统，受机械系统定位精度、载体振动、电缆转动约束等多种因素的影响，APT的跟踪精度不可避免地存在较大误差。对于采用高性能数字相机的小型化精密APT平台，图像数据传输电缆对APT平台转动的非线性扰动变得更为突出，成为影响APT跟踪精度的一个不可忽视的因素。

采用高速串行数据传输技术，减小传输电缆数量与重量，降低对APT转动约束，是实现星间激光高带宽、可靠通信必须解决的问题之一。Cameralink技术采用并串转换与数据复用技术[1-2]，仅用4 路LVDS差分对，有效解决了各类相机的数据高质量传输问题。但是，对于小型精密APT平台，Cameralink线缆转动约束仍是制约APT跟踪精度的重要因素之一。采用FPGA接收Cameralink相机图像数据，并利用吉比特高速收发模块(GTP)实现图像数据并串转换与编码传输[3]，可实现任意窗口大小图像传输。GTP传输速率在0.6~10 G范围内可灵活配置，单路GTP即可满足现有不同Cameralink相机图像数据传输需求。采用光纤作为GTP数据传输介质[4]，可进一步减小对APT平台的转动约束。本文针对星间激光通信具体应用，介绍了基于GTP的Cameralink图像数据采集与传输方案[5]，对于图像数据采集、接口匹配与并串转换等关键技术的实现进行了详细阐述，并给出了相应试验结果。

1 系统组成

星间激光通信光学图像采集与传输系统构成如图1所示。

系统由图像采集发送端和图像接收处理端两部分组成，其中发送端固定于APT平台上，由Cameralink相机、Cameralink接收芯片、FPGA与光模块构成，完成目标图像信号采集与传输；接收端为远程数据处理系统，采用光模块接收串行图像数据，送入FPGA进行图像还原与VGA显示。根据接收端FPGA获得的目标图像数据，可以计算目标的脱靶量信息，作为伺服系统实现目标跟踪的计算依据。发送端和接收端之间数据传输采用单模光纤，以减小对APT平台转动的非线性扰动，提高目标角度测量精度。

2 功能模块设计

2.1 图像采集模块

在图像采集发送端，数字相机、DS90CR288A接收器与FPGA 控制逻辑构成图像采集模块。数字相机MV-D1024E-40-CL-12[6]是瑞士Photonfocus公司的一款高分辨率和高性能的线阵CMOS相机，其分辨率为1 024×1 024，满分辨率下帧频最大为37 f/s，像素时钟为40 MHz，输出的数据格式为CameraLink base配置。为降低开发难度，采用DS90CR288ACameraLink接收芯片对相机输出的4对差分数据和1对时钟信号，按照CameraLink协议编码的图像信号进行解析，将其转换成28位并行数据(RxOUT0~RxOUT27)以及1路时钟信号RxCLKOUT。在28位并行数据中，RxOUT0~RxOUT22和RxOUT27为图像数据，RxOUT23~RxOUT26为图像数据同步控制信号，分别表示行有效(LVAL)、帧有效(FVAL)、数据有效(DVAL)和空(Spare)。按照图像数据同步控制信号时序约束，FPGA接收逻辑判断RxOUT0~RxOUT22和RxOUT27上图像数据的有效性，并进行本地存储。

CameraLink技术采用LVDS电平传输图像数据与时序控制信号[7]。为实现差分传输线的最大匹配及降低终端信号的反射对信号完整性的影响，在硬件设计时，需在DS90CR288A的差分对RxINx±间跨接一个100 Ω端接电阻。图2为CameraLink接口电路原理图。

2.2 GTP数据传输

2.2.1 GTP端口配置

采用Xilinxspant6系列FPGA XC6SLX45T-2FGG484I实现图像数据的高速串行收发。设置XC6SLX45T GTP IPcore参考时钟为125 MHz，配置串行数据传输速率为2.5 Gb/s，并行输入数据为16位方式，采用8 B/10 B编码，并行数据时钟tile0_txusrclk20_i频率为：

2.2.2 GTP发送逻辑

本设计中，GTP传输的有效数据为CameraLink相机A口的8位数据port_a与4位同步控制信号。为实现GTP端口与图像输出端口匹配，需将图像输出端口进行扩展：tile0_txdata0_i={标志位（1位）、填0（4位）、数据有效位（1位）、帧有效位（1位）、行有效位（1位）、A口数据（8位）}

CameraLink相机像素时钟频率(camlink_clk_i)为40 MHz，GTP端口时钟频率为125 MHz。为满足时序匹配，采用如下代码：

在每一帧结束时发送comma字符和charisk信号。使用Modelsim仿真的发送端波形如图3所示。

由图3看出，在帧结束（fram_valid_i为0）时，tile0_txdata0_i为16′h84bc，同时tile0_txcharisk0_i为8′h01，之后开始发送正常相机数据或填充数据。

2.2.3 GTP接收逻辑

在接收端，GTP控制逻辑根据接收到的comma字符和charisk字符对接收到的数据进行重新组合以恢复出原始数据。若收到数据的最高位为“1”，说明数据为相机数据；为”0”则表明收到的数据为无效填充数据。使用Modelsim仿真的接收端波形如图4所示。

由图4看出，当tile0_rxcharisk0_i为8′h10，tile0_rxdata0_i为16′hbc00时，表示收到了comma字符，之后收到的为图像数据或填充数据，根据数据的最高位即可实现图像数据的正确接收。

2.3 光电转换模块

在图像采集发送端，光电转换模块用以将GTP输出CML电平信号转换成光信号；在图像接收处理端，则将光信号转换成CML逻辑电平信号，以便于GTP接收。

设计选用FiberTower公司FPP85192-SRC的SFP+数字光模块。该模块为单模光纤，采用SFP封装，收发一体，带宽达到10.3 Gb/s，损耗低，传输距离达到300 m，全金属外壳屏蔽电磁干扰，适合近距离图像信号传输。同时该模块支持3G-SDI协议，可以与FPGA进行无缝连接。

3 实验验证

搭建桌面实验系统对本文设计图像采集传输系统进行验证，如图5所示。

图像采集发送端由MV-D1024E数字相机、Cameralink线缆、自行开发的GTP发送板构成；图像接收处理端由GTP接收板、VGA线、显示器组成。

使用Xilinx的ISE软件的chipscope捕获GTP发送波形，结果如图6所示。

由图6看出，当tile0_txcharisk0_i为1、tile0_txdata0_i为16′h0cbc时，数据发送开始。由于在对tile0_txdata0_i组合时，有4位填写的是固定数据0，此4位在chipscope中无显示，tile0_txdata0_i实为16′h84bc。

使用chipscope捕捉GTP接收端波形如图7所示。

在图7中，当tile0_rxcharisk0_i为1、tile0_rxdata0_i为16′h84bc时，开始接收数据。

对比图6与图7可知，本文设计图像采集与传输系统可满足设计需要。

4 结论

在工程应用中，Cameralink数据电缆对小型化精密APT平台的非线性扰动，在诸多影响APT跟踪精度的因素中，已不再是一个可忽略的因素。本文采用FPGA采集Cameralink相机输出数据，并利用GTP技术实现APT图像采集发送端至远程图像接收处理端的数据传输，显著降低了图像传输所需线缆数量。单模光纤的使用则进一步降低了线缆的重量，从而减少数据传输对APT跟踪精度的影响。本文设计的数据传输系统可在2.5 Gb/s波特率下实现Cameralink图像数据的稳定传输，满足工程应用需要。