基于FPGA和FLASH ROM的图像信号发生器设计

摘要：以XC2V1500-FPGA为硬件架构，设计了一种图像信号发生器，作为自适应光学系统波前处理机的信号源，为波前处理机的调试和算法验证提供支持。系统采用大容量的NAND型FLASH存储数据，存储容量为1 GB。图像数据通过USB总线预存入FLASH ROM，在FPGA控制逻辑作用下循环读出，并通过Camera Link接口输出。该Camera Link接口支持base，medium，full三种模式，输出像素时钟频率可以达到70 MHz。
关键词：FPGA；FLASH ROM；图像信号发生器；USB；Camera Link

0 引言
在自适应光学系统中，哈特曼波前传感器检测到的波前信息通过高速CCD相机采集输出，然后由波前处理机完成斜率计算、波前复原运算和控制运算。自适应光学系统研制时，为了缩短研制周期，哈特曼传感器和波前处理机需要同步进行设计和研制，以便同步完成后进行系统集成调试。
然而，通常都要等到哈特曼传感器研制完成，并且配合必要的光学系统之后，才能输出子光斑图像给波前处理机进行调试。这样给波前处理机的研制周期带来了很大压力。因此，如果可以建立一个模拟前端系统哈特曼传感器作为子光斑图像输出的信号源，则可以简化波前处理机对调试环境的要求、缩短其研制周期。本文以XC2V1500-FPGA和K9F1G16UOM-FLASH ROM为载体，设计了一种模拟哈特曼传感器中CCD相机图像输出的信号发生器。该系统不仅能为波前处理机的调试提供信号源，而且还可以为已经研制完成的波前处理机提供算法验证的支持。

1 系统原理及组成
该图像信号发生器的基本原理如下：通过模拟产生CCD相机输出控制时序，将特定图像进行循环播放输出。目标图像数据可通过PC机进行加载，并且需要进行非易失性存储。这样在完成图像加载之后，系统一经启动就能够将图像数据按照要求进行输出。目标图像按要求均是灰度图像，可以是单帧、也可以是多帧，可以是从相机采集而来，也可以是通过Matlab仿真模拟得到的。选择载入不同的目标图像序列，则系统可以完成不同的需求任务。
系统组成如图1所示，主要由主控模块、USB接口模块、数据存储模块和Camera Link接口模块组成。

主控模块由一片XC2V1500-FPGA来实现。CY7C68013A芯片组成USB接口模块，实现PC机与系统的通信功能。8片并行K9F1G16UOM-FLASHROM芯片组成数据存储模块，可提供1 GB的存储空间、良好的读写速度。对于Camera Link接口模块，采用3片DS90CR287、1片DS90LV019和1片DS90LV048A来实现，可以支持Carnera Link接口的初级配置(Base)、中级配置(Medium)和高级配置(Full)。Camera Link接口是一种应用最广泛的高帧频相机接口，具有差分传输、传输速率高的特点。
系统的任务可以分为两个过程：首先PC机通过USB总线和FPGA将目标图像序列写入FLASH；然后由于FLASH是一种非易失存储器，接下来系统一旦启动后FPGA就能够模拟产生CCD相机时序、将FLASH中的数据进行循环输出。这两个过程的实现可加载不同的FPGA程序来完成。