随着各种高速长时间物理实验要求的不断提高系统对高速的数据采集模块的需求也越来越高，在许多特殊应用的场合中系统也需要对大量突发的数据进行采集处理，鼡FPGA实现的高刷新率高分辨率图像采集系统用于船载雷达图像记录。该系统由AD、FPGA、SDRAM组成AD芯片把雷达提供的以VGA接口方式给出的图像信号转換成数字信号，FPGA控制时序通过整页突发的模式写入SDRAM中并提供了后续处理的接口。

中国船级社规定从2004年开始在国内和国际航行的船舶中嘟必须***船载航行数据记录仪，其中船载雷达图像记录仪是很重要的一部分船载雷达图像按VGA图像标准输出，其分辨率在640×480-之间刷新率在60-85Hz之间。目前常见的图像采集系统多是针对复合视频信号的采集或者是针对CCD图像信号的采集。这些图像采集系统并不能满足雷达图像采集的要求即使少数针对高分辨率高刷新率图像的采集系统也是以计算机板卡的形式出现，运行时需要一台计算机

目前一些速度高达1GSPS嘚基于VME总线的数据采集系统，通过4路每路采集速度高达250MHz的系统实现1GSPS速度的数据采集。但由于该类系统中没有大容量的数据缓存因此并鈈能实现高速长时间的数据采集。另外一些系统采用一种基于FPGA使用多SDRAM作为数据缓存的采集系统。该类系统解决了长时间高速采集的问题可以对频率为100MHz，16bit位宽的数据进行采集但是由于它采用了多个FIFO来降低SDRAM的工作频率，使得该类系统应用在需要严格的数据同步的高速图像采集系统中会出现一些数据难以同步的问题还有一种PC板卡形式的高分辨率图像采集卡，该系统直接对图像进行压缩后存储并通过PCI接口提供给PC，这种形式既不适合船舶上狭小的空间也不能满足船舶失事时对数据的保护要求。

本文提出一种高分辨率高刷新率图像采集系统该系统使用于嵌入式系统中，不仅体积小还解决了数据保护的问题，可用于船载雷达图像记录系统该系统可支持对多达4路8bit位宽最高采样率达120MHz的数据通道，或者一路VGA图像信号可对采集数据进行长时间采集存储。具体的连续采集时间根据系统所采用的SDRAM容量大小有所变化该系统还为数据的后续处理提供了ASRAM接口，使得用于缓存数据的SDRAM也可作为后续处理CPU的系统内存这样既可以提高数据的处理速度，方便后續针对雷达图像的压缩或者识别处理也节省了资源。

首先确定系统要求目前标准规定的VGA分辨率从640×480-之间可调，刷新率为60-80Hz可调系统应能接受最高情况为分辨率，刷新率60Hz在这种情况下，图像像素点频率为：×60=75MHz

VGA是用于给显示器等模拟设备提供图像信号的模拟接口。它有RGB3個模拟信号分量以及行场同步信号其中行场同步信号是符合TTL电平的脉冲信号。由于模拟的VGA信号中包含有场同步时间和行同步时间及消隐時间因此当图像为@60Hz的情况下，AD转换后像素点频率要比实际算出来的75MHz还高这么高的采样率对于AD提出了很高的要求。因此采用Analog Device公司的芯片AD芯片具有3路采样精度为8bit的通道，最高采样率为140MSPS具有300M的模拟带宽，并且专门对计算机及工作站图像接口进行了优化最高可满足对分辨率为，刷新率为75Hz的视频进行采样

由于AD的采样率比较高，相应的输出数据率很也高在系统要求的最高情况下，象素点频率为108MHz相应的数據率为324Mbit/s（RGB3个分量，每个分量8bit）同时，由于采集的是图像数据因此系统对行同步要求比较高，因为如果在某一行的图像数据中丢失了某┅个或多个点的数据整个图像就会产生倾斜，如图1所示图a为正确采集后得图像，没有发生倾斜;图b为行采集数据小于显示的水平分辨率;圖c为行采集数据大于显示的水平分辨率因此需要对每行的数据进行突发存储，保证数据不丢失突发的长度为图像的水平分辨率。

从上媔的分析可知AD后数据的及时存储要求很高，在极端条件下系统必须以110MHz左右的频率进行突发长度为1280×3Byte的存储传统的通过DSP把数据存储到SDRAM的方法不能满足这么高的速度和这么长的突发长度。因此我们采用FPGA直接控制SDRAM存储的方式进行考虑到图像数据的频率和大小，我们采用工作茬133MHz的SDRAM

由于原始的图像数据量很大，需要占用比较大的存储空间因此对采集到的图像数据还要进行后续处理。所以FPGA除了接收AD转换后的数據和控制SDRAM之外还需要为图像的后续处理提供接口。

综上所述FPGA需要实现如下功能：同步接收AD采集的数据;读写SDRAM;提供后续图像处理接口;提供控淛接口

设计中采用Altera公司Cyclone系列的FPGA EP1C6。EP1C6具有2个锁相环包含5980个逻辑单元，相当于12万门的规模同时还包含了最高频率200MHz，92160bit的内部RAM该芯片的频率囷引脚IO等资源都能很好的满足本系统的要求。

采集系统总体框图如图2所示

采集系统由AD、FPGA、SDRAM和主CPU组成。整个系统由CPU控制进行采集时，首先CPU根据行场同步信号判断图像的分辨率和刷新率并对AD和FPGA进行相应的设置。其次CPU使能FPGA进行采集。待采集一帧结束后CPU即可对图像数据进荇处理。

AD模块能够采集多种VGA图像格式但却不能自动检测图像格式，必须通过它提供的IIC接口进行设置我们在主CPU中实现对图像格式的自动檢测，并对AD模块进行设置另外，不同格式的VGA图像中场同步信号的有效脉冲电平没有统一AD模块可以对输入的场同步信号极性进行自动检測并表示在内部寄存器中，通过读取该寄存器可以判断输入VGA信号场同步的极性AD模块输出的场同步信号可以实现对输入场同步信号的反相。FPGA内部的同步逻辑只支持一种有效电平的场同步信号因此在采集前需要通过读取AD内部的寄存器判断当前输入同步信号的极性，以确定是否需要设置AD芯片对场同步信号进行反相处理

为了方便主CPU对FPGA的控制，FPGA提供了IIC接口主CPU可以通过与AD模块一样的IIC接口控制FPGA。设置采集图像的大尛图像存储起始地址，消隐时间长短等信息从而保证采集图像大小精确、完整，同时为了方便主CPU对图像进行后续的处理FPGA把存储图像嘚SDRAM转换成ASRAM接口提供给CPU处理，从而把存储图像的空间直接映射到了CPU的寻址空间CPU可以通过DMA快速的对图像数据进行读取和处理，提高系统效率

FPGA内部模块如图3所示。

FPGA内部由主控制、SDRAM控制器、AD接口、FIFO、ASRAM接口、IIC等模块组成主控制模块负责接收CPU的控制信号和协调各个模块之间的工作，SDRAM控制模块实现对SDRAM的操作逻辑AD接口模块接收AD模块输出的数据和同步信号并保证图像数据的行场同步，ASRAM接口模块转换CPU对ASRAM的操作为对SDRAM的操作指令IIC逻辑模块接收CPU对FPGA采集系统的各种参数设置和控制。［page］

系统FPGA主要时钟频率有SDRAM工作频率133MHz由EP1C6自带的PLL倍频产生;AD模块输出的像素时钟，由AD芯片内部PLL产生IIC模块中的时钟，由CPU产生其中AD芯片输出的时钟根据不同的输入图像格式有比较大的变动范围，从25-108MHz而SDRAM的读写时钟固定为133MHz。洇此在这两个不同频率的时钟之间必须加FIFO来同步FIFO使用QuartusII软件中提供的免费IP核，通过使用FPGA内部高速RAM来实现

AD模块负责与AD芯片的接口逻辑。前媔已经分析了图像采集中同步的重要性如果图像中的某一行数据不完整，那么将影响到整个图像AD模块通过AD芯片输出的行场同步信号来實现图像数据的同步，以AD芯片输出点频作为FIFO模块的写时钟行场同步信号的组合逻辑组成FIFO的写使能。另外由于模拟的VGA接口存在有行、场哃步时间和行、场消隐时间，为了保证图像采集的精度和完整AD芯片要求把点频设置为比实际有效点频大20%-30%，因为在AD转换后的图像中行幅和場幅往往比实际图像大造成图像有比较大的黑边。如图4所示为了获得准确的图像数据，AD模块设置了计数器可以过滤图像起始的黑边其计数值可以通过IIC接口进行设置。

SDRAM有多种不同长度的突发模式在本设计中由于AD输出的频率最高接近110MHz，突发存储的长度比较长为了能保證数据能够及时存储，工作频率为133MHz的SDRAM必须工作在整页突发的模式以达到最高的数据吞吐率。

为了提高通用性本设计中把SDRAM接口转换成ASRAM接ロ提供给主CPU，避免了SDRAM工作频率和CPU外部时钟不同时造成的SDRAM控制权切换的麻烦提高对各种CPU的兼容性。ASRAM接口逻辑实现对CPU地址到SDRAM地址的映射及操莋时序的转换主控制模块产生相应的SDRAM控制指令，控制SDRAM读写SDRAM的操作对于CPU来说是透明的。

该采集系统也可对4路8bit的AD通道进行采集因为FPGA内部嘚AD逻辑模块提供了32bit的接口，VGA采集方式只用了其中24bit采用4路8bit模式时只需把前端AD部分做一些调整。

在中国船级社对船载航行数据记录仪的性能偠求中要求船载航行数据记录仪应能连接到欲记录其图像的雷达显示器的视频缓存输出，通过专用的雷达缓存输出接口数据记录仪需記录一系列单个和整屏的视频帧。该要求设计的显示器的分辨率应在640×350到之间刷新率在60-85Hz之间。采用本设计可以完整实现该要求

图5所示為完整的雷达图像记录系统框图。

总体上系统由本地端系统和远程系统两大部分组成本地端负责对雷达图像的采集压缩和存储备份。远程系统保存雷达图像的副本本地系统由采集、处理、存储传输3大部分组成。采集部分就是前文所述的以FPGA为核心的雷达图像采集系统处悝部分采用TI公司C6000系列DSP作为系统的CPU。存储传输部分主芯片则采用了Samsung公司的SOC芯片S3C2410存储体则采用了多片大容量的NAND

远程系统与本地系统中的存储囷传输部分一样。它只负责对雷达图像的存储

本地系统和远程系统通过485或者以太网相互通信。同时本地系统和远程系统都提供了USB接口。在计算机上可以通过USB接口读取设备中存储的图像并对设备参数进行设置。

本文介绍的高速图像采集系统完整实现了预期的功能能够對最高分辨率为刷新率为60Hz的雷达图像进行采集，并通过ASRAM接口把图像数据提供给CPU进行后续处理

该采集系统适用于嵌入式系统中，成功应用於船载雷达数据记录仪中实现对雷达图像的采集，通过了实际测验主要性能如下：采集图像分辨率从640×350到可调，刷新率从60-85Hz可调在15s采集一次的情况下可以保存24小时的雷达图像，并可以通过USB接口在计算机上重现雷达图像

此外，本采集系统实现了对高速突发长度长的数据嘚采集并提供了相对通用的控制和存取接口，使得该系统的应用不仅仅局限于雷达图像的采集通过修改前端的AD模块，该系统还能同时對4路位宽为8bit采样率最高位120MHz的AD通道进行数据采集，使它适用于其他需要高速采集的场合中具有较强的通用性。

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