2 2 Camera L ink硬件接口电路设计 朱齐丹 , 刘进业 , 康 　岭 (哈尔滨工程大学 自动化学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 　要 :介绍了 Camera L ink接口的工作原理及 Camera L ink协议的主要内容 ,阐述了 Camera L ink硬件接口电 路的设计方案. 接口电路为图像采集卡的前端部分 ,主要功能为低压差分信号 (LVDS)至 CMOS/ TTL (LVCMOS/ LVTTL)信号的转换 ,相机控制和图像采集卡与相机间的串行通信. 系统以 FPGA 为主控制器 ,通过实验实现了 上述功能 ,完成了 Camera L ink接口相机图像的采集和显示. 关键词 : Camera L ink; LVDS; CMOS/ TTL;电平转换 中图分类号 : TP 274. 3 　　　文献标识码 : A 第 35卷第 8期 2008年 10月 应 技 App lied　Science　and　Technology 科 用 Vol. 35, №. 10 Oct. 2008 文章编号 : 1009 - 671X (2008) 10 - 0057 - 04 The design of hardware circuit for Camera L ink interface ZHU Q i dan, L IU J in ye, KANG L ing (College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: The p rincip le of Camera L ink interface and the p rotocol of Camera L ink were introduced. The design i dea of Camera L ink interface circuit was p resented. The interface circuit is the front part of image acquisition card, which makes a signal transformation from LVDS to CMOS / TTL and the serial communication between camera and image acquisition system. FPGA was taken as the main controller in the system. Those functions were finally real ized in the experiment, comp leting the acquisition and disp lay of images via the Camera L ink interface. Keywords: Camera L ink; LVDS; CMOS / TTL; electrical level transformation 　　Camera L ink是一种基于视频应用发展而来的 通信接口 ,是在 Channel L ink技术基础上发展出来 的 [ 1 ]. 过去 ,在科学和工业视频市场缺少一种标准 的通信方式 ,相机制造商和图像采集卡制造商使用 不同的连接器发展他们的产品 ,这使得线缆很难整 合生产 ,也给用户带来了很多麻烦. 同时 ,随着数据 传输速率和复杂性的不断提高 ,原有的通信方式已 无法满足需求 ,对一种通用的传输标准的需求就变 得非常重要了. 因此 , N I(National Instruments) 、摄像 头供应商和其他图像采集公司在 2000年 10月联合 推出了 Camera L ink 协议 ,旨在简化摄像头和采集 卡之间的连接. Camera L ink可为高速 、高精度的数 字摄像头提供简单 、灵活的连接. Camera L ink协议 是各公司间达成的一种协议 ,它不是一种行业标准. 1　Camera L ink简介 Camera L ink协议是各公司间为简化图像采集 的接口 ,方便高速数字相机和图像采集卡的连接而 达成的一种协议. Camera L ink是 N I公司基于 Chan nel L ink技术发展而来的 ,而 Channel L ink是一种用 来传输视频数据的新技术. Channel L ink以 LVDS规 范为基础 ,作为平面显示等相关性产品的解决方案 , 后来 ,这种 技 术 也 被 延 伸 用 于 资 料 传 输. Channel L ink的核心组成元件包括一个并转串驱动器和一 个串转并接收器. 驱动器将 28 位 CMOS / TTL 信号 以 7: 1方式串行化为 4条 LVDS数据流. 一个锁相 环传输时钟通过第 5条 LVDS链路与其他 LVDS数 据流并行传输. 接收器接收 4路 LVDS数据信号和 1 路 LVDS时钟信号 ,将数据流转换回 28位的 CMOS / 收稿日期 : 2008 作者简介 :朱齐丹 (1963 - ) , 男 , 教授 ,博士生导师 ,主要研究方向 :机器人控制技术 、模式识别与智能控制技术 ; E - mail: zhuqidan@ hrbeu. 04. 12 　　 edu. cn. 

·85· 应 　　　用 　　　科 　　　技 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 35卷 TTL并行数据. 5 对线缆可以传输 28 位数据信号 , 减少了线缆的使用数量 ,也意味着可以使用较小的 连接器. Channel L ink最高传输速率可达 2. 38Gbits/ s. 图 1为 Channel L ink工作原理图. 通信 ,分别是 SerTFG (相机串行输出端至图像采集 卡串行输入端 ) , SerTC (图像采集卡串行输出端至 相机穿行输入端 ). 4)电源信号 : Camera L ink连接器不提供电源 , 而是通过单独的电缆提供. Camera L ink协议允许相 机制造商自由定义电源连接器和相机的工作电流和 电压. 1. 1. 2　端口分配 一个端口定义为一个 8位的字. Camera L ink标 准使用 8个端口 ,即端口 A至端口 H. 表 2　3种配置的端口分配 图 1　 Channel L ink示意图 1. 1　Camera link协议 Camera L ink协议包含以下几个方面的内容 [ 2 ] : 信号分类 ,端口分配 ,位分配 ,连接器. 1. 1. 1　信号分类 Camera L ink信号分为 4类 [ 3 ] : 1)图像数据信号 :图像信号分为 24 位数据信 号和 4 位数据有效信号. 数据有效信号为 FVAL、 LVAL、DVAL和 Spare,分别是帧允许 、行允许 、数据 允许和保留信号. 2) 相机控制信号 :在 Camera L ink接口中有 4 条 LVDS线对用来实现相机的控制 ,分别为 Camera Control1 (CC1) 、Camera Control2 (CC2) 、Camera Con trol3 (CC3) 、Camera Control4 ( CC4 ). 相机制造商可 以自由定义各控制信号的功能以满足他们的特殊产 品. 表 1给出了通常相机制造商对控制信号的定义 表 1　相机控制信号定义 信号名称 缩写格式 定义 Camera Control1 Camera Control2 Camera Control3 Camera Control4 CC1 EXSYNC (外部同步信号 ) 下降沿触发开始读取数据 CC2 PR IN (像素重置 )低电平有效 CC3 FORWARD高电平有效 ,低电 CC4 平反转 保留 　　3 ) 异 步 串 行 通 信 信 号 : 相 机 接 口 中 有 两 对 LVDS信号用于相机和图像采集卡之间的异步串行 支持端口 芯片数量 连接器数量 名称 Base A , B , C Medium A , B , C, D , E, F Full A, B , C, D , E, F, G, H 1 2 3 1 2 2 　 　 Camera L ink 接 口 有 3 种 结 构 : 初 级 配 置 (Base) 、中级配置 (Medium )和高级配置 ( Full). 3种 结构所使用的端口 、连接器和 Channel L ink芯片数 量各不相同. 表 2给出了 3种配置的端口分配 、芯片 及连接器的使用数量情况. 1. 1. 3　位分配 每个 Camera L ink驱动器都有从 TX0至 TX27的 28个数据位输入引脚 ,相应的接收器有从 RX0 至 RX27的 28个数据输出位引脚. Camera L ink协议端 口位分配中定义了图像数据位是怎样分配到端口的 , 3种结构的端口详细位分配方式可参见文献 [ 1 ]. 1. 1. 4　连接器 3M 公司的 26 p in MDR连接器因为其优秀的设 计和先前用于 Channel L ink高速传输的成功经验而 被选做 Camera L ink接口的连接器. Camera L ink协 议规定了连接器及连接电缆的引脚分配 ,详细的引 脚分配可参见文献 [ 1 ]. 2　Camera L ink接口电路设计方案 Camera L ink 采用 LVDS信号传 输数 据 , 根据 Camera L ink标准及硬件接口电路要实现的功能 : LVDS信号至 CMOS / TTL信号的转换 ;相机的控制 ; 图像采集卡与相机间的异步串行通信 ,采用 N I公司 的 DS90CR288A , DS90LV031A , DS90LV019 来实现 Camera L ink硬件接口电路. 

2 2 朱齐丹 ,等 : Camera L ink硬件接口电路设计 ·95· 2 第 10期 2. 1　MDR 26与 DS90CR288A的接口设计 用 FPGA做图像采集卡的主控制器 , FPGA的支 持的 I/O 接口标准为 LVCMOS /LVTTL , 因此采用 DS90CR288A [ 4 ]接收器实现电平转换. DS90CR288A 接收器将 4 路 LVDS数据流转换成 28 位 COMS / TTL数据. 28 位数据包括 : 24位图像数据 ( RxOUT0 ～RxOUT23) , 4 位图像数据同步信号 ( RxOUT24 ～ RxOUT27)分别对应 Spare、LVAL、FVAL 和 DVAL. 同时 DS90CR288A 将 LVDS时钟信号转化为单端 COMS / TTL时钟信号输出. 28位数据信号和 1位时 钟信号接入 FPGA 完成图像的采集. 在 LVDS信号 设计中 ,需要为 LVDS信号进行终端匹配 ,以减少终 端信号的反射 ,确保信号的完整性 ,提高信号的传输 质量. 因此 ,在接收器的差分线对间跨接一个 100Ω 的电阻 ,系统也需要此终端电路来产生正常工作的 差分电压. 图 2 为 MDR 26 与 DS90CR288A 接口方 案图. 2. 2　MDR - 26与 DS90LV031A的接口设计 DS90LV031A 实现相机的控制. Camera L ink接口 的相机有 4路控制信号 ,分别是 CC1、CC2、CC3和 CC4, 他们也是 LVDS信号 ,因此需要通过 DS90LV031A将采 集卡发出的 COMS/ TTL 控制信号转化为 LVDS信号. FPGA发送控制命令 ,完成对相机的控制. MDR - 26与 DS90LV031A的接口设计方案如图 3所示. 图 2　 MDR 26与 DS90CR288A接口示意图 图 3　 MDR 26与 DS90LV031A接口示意图 2. 3　MDR - 26与 DS90LV019的接口设计 DS90LV019实现图像采集卡与相机间的串行通 信. 串行信号分别为 SerTFG和 SerTC,在相机中 ,这 2 个信号也为 LVDS信号 ,因此需要在相机和图像采集 卡之间架上一片收发器 ,选择国家半导体公司的 DS90LV019,它与 MDR 26之间的接口设计如图 4所 示. 图 5为 Camera L ink硬件接口电路的原理图. 3　图像采集程序设计 4M15 本设计使用 IMPERX公司的 IPX L 摄像 头 ,此摄像头可以输出分辨率为 2 048 ×2 048的黑白 图像 [ 5 ]. 4M15支持 2种输出模式 ,单通道模式时可以 15帧 / s的速度输出分辨率为 2 048 ×2 048的整帧图 像. 双通道模式时一帧图像被分割成左右两半 ,各为 1 024 ×2 048. 图像数据由 2个端口同时输出 ,再在图 

2 2 应 　　　用 　　　科 　　　技 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 35卷 ·06· 像系统中将 2部分进行合成. 相机默认的输出模式为 双通道模式. 双通道模式时相机输出信号时序图见图 6和 7. 示器的分辨率为 1 280 ×1 024,所以在实际应用中 将图像在垂直方向进行了压缩 ,在水平方向上保持 不变 ,因而图像显的扁平. 数据有效信号 (DVAL )的时序图没有给出 ,但 根据 DVAL 的定义 (当输出图像数据时 DVAL 为 高 )可知 , DVAL对数据采集没有影响. 根据双通道模式下 LVAL、FVAL 的时序图 ,设 计了系统的程序 ,软件流程图如图 8所示. 图 9　图像采集显示效果图 4　结束语 以上对 Camera L ink 协议做了简要介绍 ,并设 计了 Camera L ink 硬件接口电路 ,以此电路实现了 对 Camera L ink 接口相机的图像采集. 系统以 AL TERA公司 Cyclone系列 EP1C12Q240C8 芯片作为 主控制器 ,充分利用了 FPGA 功能强大 ,设计灵活 , 工作速度快 ,设计周期短的优点. 通过实际测试 ,采 用以上接口设计实现了 Camera L ink接口相机与图 像采集卡之间的数据传送 ,相机控制及采集卡与相 机之间的串行通信 ,具有一定的实际意义. 参考文献 : [ 1 ] Basler. Specification of the camera link interface standard for digital cameras and frame grabbers [ Z ]. Ahrensburg, Germany: Basler, 2000. [ 2 ] 李 　宁 ,汪骏发. 基于 Camera L ink的高速数据采集系 统 [ J ]. 红外 , 2005, 6 (7) : 31 - 37. [ 3 ] 魏 　明. 基于 Camera L ink接口的 CMOS数字相机技术 研究 [D ]. 长春 :长春理工大学 , 2005. [ 4 ] National Sem iconductor. DS90CR288 28 - B it camera link - 75MHz datasheet[ Z]. Santa Clara, USA: National Sem iconductor Corporation, 2002. IMPERX. PERX. INC, 2004. IPX4M15 _Manual[ Z ]. Boca Raton, USA: [ 5 ] IM 图 8　程序流程图 将采集到的图像数据输出至液晶显示器中 ,显 示效果如图 9所示. 图像信号在采集后未作任何处 理 ,直接输出至液晶显示器图像略有失真. 同时 ,该 摄像头的分辨率为 2 048 ×2 048,而选用的液晶显 [责任编辑 :李玲珠 ]