張甫愷，崔 明，張維達(dá)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

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基于GTX串行收發(fā)器的高速Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸

張甫愷，崔 明，張維達(dá)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

針對(duì)目前Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)當(dāng)中的不足，以實(shí)現(xiàn)高帶寬的Cameralink-Full模式數(shù)字圖像實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸為目的，對(duì)基于GTX串行收發(fā)器的數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究；系統(tǒng)采用GTX串行收發(fā)器代替編解碼芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換功能，再通過(guò)數(shù)據(jù)通道的時(shí)分復(fù)用提高GTX串行收發(fā)器的傳輸帶寬以及利用異步FIFO數(shù)據(jù)緩存處理等提高數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GTX串行收發(fā)器的數(shù)據(jù)誤碼率達(dá)到10-12以下，光纖傳輸系統(tǒng)傳輸帶寬達(dá)到4.19Gb/s。

Cameralink；GTX串行收發(fā)器；圖像傳輸；光纖通訊

0 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)相機(jī)拍攝的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，這對(duì)數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)的帶寬以及傳輸速率提出了更高的要求。光纖技術(shù)具有抗干擾、保密性好以及通信容量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，采用光作為傳輸介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信中。采用高性能的FPGA設(shè)計(jì)高速光收發(fā)器具有體積小、功耗低以及設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，近來(lái)受到廣泛關(guān)注[1-2]。Xilinx公司在FPGA內(nèi)部集成的GTX(Gigabit Transceiver)串行收發(fā)器，采用CDR、線路編碼、預(yù)加重及相位補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，可以極大地減小線路噪聲、時(shí)鐘失真和信號(hào)衰減對(duì)數(shù)據(jù)的影響，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的光纖收發(fā)器串行速率可以達(dá)到12Gb/s[3]。

Cameralink接口是目前工業(yè)數(shù)字相機(jī)的主要輸出接口之一，已廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)Cameralink接口的光纖傳輸系統(tǒng)普遍集中在Cameralink-Base這種工作模式上，且串行傳輸常采用TLK2711、DS90UR241這些編解碼芯片實(shí)現(xiàn)，其傳輸帶寬低且設(shè)計(jì)不靈活，對(duì)于圖像位數(shù)較高的相機(jī)還需要增加光纖數(shù)量來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)位數(shù)[4-6]。本文提出利用GTX高速串行收發(fā)器設(shè)計(jì)數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)，通過(guò)異步FIFO數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)通道時(shí)分復(fù)用、圖像數(shù)據(jù)重建等處理，最大限度的提高傳輸帶寬，實(shí)現(xiàn)Cameralink-Full模式的數(shù)字圖像傳輸，傳輸帶寬達(dá)到4.19 Gb/s。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)以Kintex7 XCYK325T FFG900作為核心，其包含的GTX高速串行收發(fā)器通道速率最大可達(dá)到XXX.XGb/S；采用125 MHz的差分晶振為高速串行收發(fā)器提供高質(zhì)量的時(shí)鐘，100 MHz的普通時(shí)鐘作為系統(tǒng)的參考時(shí)鐘；發(fā)送端外接芯片DS90CR288將Cameralink接口中的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，接收端對(duì)應(yīng)采用DS90CR287再將FPGA的輸出恢復(fù)成LVDS數(shù)據(jù)，相機(jī)觸發(fā)信號(hào)及串行通信信號(hào)直接利用FPGA的LVDS專(zhuān)用接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)發(fā)送端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)

2 光纖傳輸方案設(shè)計(jì)

圖2所示為Cameralink數(shù)字圖像的光纖傳輸設(shè)計(jì)方案。在發(fā)送端，經(jīng)DS90CR288轉(zhuǎn)換后的Cameralink圖像數(shù)據(jù)通過(guò)異步FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存重建，將圖像數(shù)據(jù)從相機(jī)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換到串行收發(fā)器同步時(shí)鐘的時(shí)鐘域；由于GTX收發(fā)器的輸入時(shí)鐘頻率較高，直接利用其讀取數(shù)據(jù)會(huì)造成帶寬的浪費(fèi)，在FIFO之后加入數(shù)據(jù)通道時(shí)分復(fù)用模塊，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)流經(jīng)GTX串行收發(fā)器其轉(zhuǎn)化成高速串行數(shù)據(jù)送入到SFP光模塊中；在接收端，利用高速串行收發(fā)器依照協(xié)議將SFP光模塊傳輸過(guò)來(lái)的高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，從時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)中恢復(fù)出圖像數(shù)據(jù)，再經(jīng)異步FIFO將圖像數(shù)據(jù)從串行收發(fā)器的同步時(shí)鐘轉(zhuǎn)換到接收端本地系統(tǒng)時(shí)鐘，完成了數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的光纖傳輸。

圖2 Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸設(shè)計(jì)方案

2.1 GTX串行收發(fā)器

GTX收發(fā)器是Xilinx公司在FPGA內(nèi)部集成的高速串行收發(fā)模塊，其能提供600 Mbps到12 Gbps的數(shù)據(jù)線路速率，支持各種物理層協(xié)議，包括光纖、以太網(wǎng)、PCIE等常用接口；GTX收發(fā)器由PMA(物理媒介適配層)和PCS(物理編碼子層)構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。其中，PMA子層主要用于數(shù)據(jù)的串行化及解串、PCS子層主要用于CRC校驗(yàn)及線路編碼，外部提供的GTX參考時(shí)鐘經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)為整個(gè)模塊提供工作時(shí)鐘。

圖3 GTX串行收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

設(shè)計(jì)中設(shè)置GTX串行收發(fā)器的數(shù)據(jù)線路速率為10 Gbps，配置的協(xié)議格式為Aurora協(xié)8b10b協(xié)議的4字節(jié)單通道模式，收發(fā)器的參考時(shí)鐘為125 MHz(GTX REFFCLK)；設(shè)置外部數(shù)據(jù)寫(xiě)入為32位數(shù)據(jù)，外部數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)鐘為250 MHz(TX USERCLK)，Comma檢測(cè)及對(duì)齊使用K28.5，使能RX緩沖功能等。光纖收發(fā)器的接收和發(fā)送端口直接與GTX串行收發(fā)器的發(fā)送端和接收端相連，使用時(shí)只需要編寫(xiě)接口及復(fù)位程序即可完成光纖通訊。

2.2 異步FIFO數(shù)據(jù)緩存

由于GTX串行收發(fā)器的參考時(shí)鐘需要高精度外部差分晶振布線至專(zhuān)用的GTX時(shí)鐘輸入管腳提供，不同數(shù)字相機(jī)輸出的像素時(shí)鐘往往不同且像素時(shí)鐘的精度不高，所以為了提高穩(wěn)定性以及適應(yīng)不同像素時(shí)鐘相機(jī)，系統(tǒng)采用異步FIFO數(shù)據(jù)緩存的方法來(lái)解決圖像數(shù)據(jù)到GTX串行收發(fā)器之間的時(shí)鐘域匹配問(wèn)題。

圖4 異步FIFO數(shù)據(jù)緩存原理

圖4所示為異步FIFO數(shù)據(jù)緩存原理框圖，異步FIFO緩存模塊以相機(jī)輸出的像素時(shí)鐘作為FIFO的寫(xiě)輸入時(shí)鐘，將奇數(shù)及偶數(shù)行圖像數(shù)據(jù)分別寫(xiě)入兩個(gè)FIFO中；讀FIFO控制器再根據(jù)行、場(chǎng)同步信號(hào)以及寫(xiě)FIFO控制器狀態(tài)產(chǎn)生讀控制信號(hào)，以GTX高速串行收發(fā)器的時(shí)鐘作為FIFO的讀時(shí)鐘，讀出的圖像數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)圖像重建后產(chǎn)生新的行場(chǎng)數(shù)據(jù)，完成了圖像數(shù)據(jù)的時(shí)鐘域匹配。

2.3 數(shù)據(jù)通道時(shí)分復(fù)用

目前使用的大部分工業(yè)相機(jī)像素時(shí)鐘低于80 MHz，在異步FIFO緩存中，如果直接采用GTX串行收發(fā)器的外部數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)鐘(250 MHz)讀取數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的話，會(huì)造成帶寬極大的浪費(fèi)；并且Cameralink-Full工作模式下一個(gè)像素時(shí)鐘需要傳輸64位圖像數(shù)據(jù)、行有效信號(hào)、列有效信號(hào)、數(shù)據(jù)有效信號(hào)、以及相機(jī)觸發(fā)信號(hào)和串行通信信號(hào)，共計(jì)74位數(shù)據(jù)；GTX串行收發(fā)器的外部數(shù)據(jù)寫(xiě)入位數(shù)為32位，直接傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)不夠，所以設(shè)計(jì)在FIFO異步緩存之后需要加入數(shù)據(jù)時(shí)分復(fù)用模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)通道的時(shí)分復(fù)用，達(dá)到數(shù)據(jù)位數(shù)的擴(kuò)展，時(shí)分復(fù)用的原理如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)通道時(shí)分復(fù)用原理

以Cameralink-Base數(shù)據(jù)發(fā)送端時(shí)分復(fù)用為例，采用數(shù)字鎖相環(huán)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)鐘(TX USERCLK)三分頻產(chǎn)生異步FIFO讀時(shí)鐘(TX DIVCLK)，利用這個(gè)時(shí)鐘讀取出圖像數(shù)據(jù)，BASE的數(shù)據(jù)一共為28位，除第23位為空閑位不用之外，在連續(xù)的3個(gè)寫(xiě)入時(shí)鐘中分別發(fā)送低、中、高9位數(shù)據(jù)，再加上一位指示位(1表示當(dāng)前數(shù)據(jù)為高9位數(shù)據(jù))，通過(guò)這樣的數(shù)據(jù)通道時(shí)分復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)用10位數(shù)據(jù)通道來(lái)傳輸Cameralink-Base圖像數(shù)據(jù)，接收端時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)的功能就是在連續(xù)3個(gè)讀出周期中讀出數(shù)據(jù)，根據(jù)指示位將他們合成，再以分頻時(shí)鐘輸出；由于分頻之后的時(shí)鐘為83.3 MHz，這樣像素時(shí)鐘不大于80 MHz的圖像均可傳輸；而且對(duì)于Camera-Full模式的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)通路時(shí)分復(fù)用之后，需要30位的數(shù)據(jù)通道，GTX串行收發(fā)器完全能夠完整傳輸數(shù)據(jù)，這樣代表著使用GTX串行收發(fā)器的光纖傳輸系統(tǒng)僅需要單根光纖即可完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)首先測(cè)試GTX串行收發(fā)器的性能，利用10G帶寬的SFP光模塊連接收發(fā)器的發(fā)送端與接收端；編寫(xiě)計(jì)數(shù)器模塊，以250 MHz的系統(tǒng)頻率產(chǎn)生0x00000000—0x7FFFFFF的32位遞增序列碼，該序列碼經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后發(fā)出，經(jīng)過(guò)光纖后，在接收端編寫(xiě)測(cè)試模塊測(cè)試所接數(shù)據(jù)是否按照協(xié)議遞增，并給出序列碼狀態(tài)指示位；采用分析工具ChipScope觀測(cè)FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 自定義協(xié)議GTX串行收發(fā)器傳輸實(shí)驗(yàn)測(cè)試

從圖6中可以看出，GTX串行收發(fā)器接收端的數(shù)據(jù)與發(fā)送端的序列碼完全相同，說(shuō)明功能正確，測(cè)試時(shí)間為10分鐘，一共發(fā)送4.8×1012bit數(shù)據(jù)，序列碼狀態(tài)指示位正常，未見(jiàn)誤碼，可以得到GTX串行收發(fā)器的誤碼率低于10-12。

利用本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)型號(hào)為MC1362的MIKROTRON可見(jiàn)相

機(jī)的Cameralink數(shù)字圖像的光纖傳輸，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置相機(jī)的幀頻為500 Hz，分辨率為1 024*1 024，相機(jī)工作模式為8*8 bit，數(shù)字圖像的傳輸帶寬為4.19 Gb/s；將相機(jī)輸出的Cameralink-Full的接口連接在圖像發(fā)送端上，利用DALSA采集卡采集圖像接收端輸出的圖像，輸出圖像清晰穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用GTX串行收發(fā)器代替光纖傳輸系統(tǒng)中常用的編解碼芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像的光纖傳輸，并通過(guò)數(shù)據(jù)通道的時(shí)分復(fù)用、異步FIFO數(shù)據(jù)緩存技術(shù)等提高了系統(tǒng)的傳輸帶寬，適應(yīng)性；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GTX串行收發(fā)器的傳輸通道誤碼率低，數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳輸圖像效果較好，傳輸帶寬達(dá)到4.19 Gb/s。

[1]肖兒良，韋榮明，彥文超,等.基于Aurora及CameraLink的高速數(shù)字圖像傳輸[J].信息技術(shù)，2015，4(25)：94-101.

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Optical Fiber Transmission for High-speed Cameralink Digital Image Based on GTX Series Transceiver

Zhang Fukai, Cui Ming, Zhang Weida

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

In order to achieve high-bandwidth real-time Cameralink-Full mode digital image for the purpose of long-distance transmission, the Cameralink digital image optical fiber transmission system based GTX serial transceiver is provided for the shortcomings of current systems. Increase the transmission bandwidth and the suitability of the digital image optical fiber transmission system by using GTX serial transceiver replace encoding and decoding chip to realize the serial data conversion function, time division multiplexing of channels and asynchronous FIFO. Experimental results show that, GTX serial transceivers data error rate of 10-12or less, the transmission bandwidth of the optical fiber transmission system reach 4.19 Gb/s.

Cameralink; GTX serial transceiver; image transmission; fiber optic

2015-12-14；

2016-01-07。

中國(guó)科學(xué)院三期創(chuàng)新工程(Y10532B110)。

張甫愷(1989-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事激光及光電通訊技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0192-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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