CCD系统下基于FPGA的PCI图像采集卡设计与实现

摘要：文章设计了一种基于FPGA的CCD图像数据采集卡。以FPGA作为图像数据采集卡的核心，通过LVDS传输技术，异步FIFO，异步块RAM，SRAM缓存乒乓操作等技术，在PCI核的基础上实现了Initiator下的DMA传输；并基于VxWorks平台编写PCI图像采集卡的驱动程序。经测试和验证，PCI图像采集卡稳定可靠，能够实现数据流为60Mb／s的CCD系统图像数据的高速传输。
关键词：图像采集；PCI总线；FIFO；DMA传输；VxWorks

0 引言
CCD是一种高性能光电转换式图像传感器。由于其几何精度高、稳定性好、噪声小，广泛用于遥感遥测，天文测量等领域。现实中许多利用单片机作为控制核心，并配备其他一些外围电路实现CCD的数据采集，这种方式速度慢、集成度低。
由于CCD相机的精度和分辨率的不断提高，以及对CCD成像系统本身可靠性要求的不断提高，对数据采集系统采集速度、可靠性，以及易用性提出了更高的要求。本文设计的基于FPGA的PCI数据采集及回放系统，系统设计以Xilinx的FPGA为核心，以LVDS芯片传输过来的CCD数据为源头，运用成熟的PCI总线传输技术，实现了高速数据采集的功能。在VxWorks平台下编写了相应的驱动程序。经测试和验证，该系统稳定可靠，传输速率高，满足应用的要求。

1 系统的总体结构以及原理
整个系统由模拟前端和采集后端组成，如图1所示。前端主要由CCD镜头，CCD传感器、垂直驱动器、A／D转换器、FPGA、电源管理电路以及高速串行总线接口LVDS组成。CCD镜头把光线聚焦在CCD传感器的感光面上，CCD传感器完成光信号到电信号的转换。在驱动器的控制下完成像素电荷的转移，输出模拟信号，再经过A／D转换芯片把模拟信号转换成数字信号，经LVDS输出到后端。

采集后端的硬件主要由LVDS芯片、用作缓存图像数据的SRAM芯片、电源管理模块、FPGA组成。FPGA是整个后端采集模块的核心模块，FP GA不仅要完成数据的采集、组织、传输，还要根据PCI规范配置成标准的PCI设备，进行数据与主机之前的传送。由于数据传输要求60Mb／s的速度，所以简单的单次传输不能满足系统的整体需求。FPGA必须能支持DMA方式的数据传送。为了使PCI图像采集卡有更大的通用性，在修改最小的驱动代码的情况下跨平台地使用，须把FPGA配置成能作为主动发起DMA请求的PCI设备，从而屏蔽不同的桥芯片之间的差异。
本文主要关注采集后端，即PCI图像采集卡的硬件、逻辑、以及软件的设计与实现。