0 引言

    CMOS圖像傳感器憑借著集成度高、功耗小、速度快、成本低、靈活性強等特點^[1]，在各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著CMOS傳感器的快速發(fā)展，其幀頻、分辨率等參數(shù)得到了大幅度提升^[2]。當(dāng)CMOS傳感器分辨率設(shè)置為2 048×2 048(約400萬像素)，幀頻設(shè)置為20 f/s時，CMOS圖像傳感器每秒產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)量可達80 MB，這意味著圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需在短時間內(nèi)對大量數(shù)據(jù)進行快速讀寫操作，對內(nèi)存的容量和速度提出了較高的要求。

    為了滿足對高速圖像數(shù)據(jù)的傳輸要求，在綜合考慮帶寬、速率、數(shù)據(jù)存儲容量、成本、功耗等因素后^[3]，本設(shè)計選用DDR2作為數(shù)據(jù)緩存單元。本文提出的分布式三級數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)，結(jié)合了FPGA內(nèi)部FIFO的高數(shù)據(jù)吞吐量與片外DDR2大容量的特點，很好地解決了高速圖像數(shù)據(jù)的緩存難題，實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的實時顯示。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

    本文介紹的基于DDR2的高速圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)采集前端接收的圖像數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    該設(shè)計由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)傳輸^[4]共3個模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊利用CMOS圖像傳感器進行圖像數(shù)據(jù)的采集，采集到的信號為串行信號；數(shù)據(jù)緩存模塊利用FPGA片內(nèi)FIFO資源與片外DDR2進行圖像數(shù)據(jù)的緩存，其中，F(xiàn)IFO主要用來解決各個模塊之間數(shù)據(jù)位寬不一致以及數(shù)據(jù)傳輸速度不匹配的問題，DDR2主要用來滿足高速大容量的數(shù)據(jù)緩存要求；數(shù)據(jù)傳輸模塊利用千兆以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)以巨型幀格式發(fā)送至上位機軟件并進行實時顯示。

    該設(shè)計選用的DDR2存儲容量為2 Gbit，有8個Bank存儲塊，由于DDR2讀寫操作不能同時進行，因此需要對DDR2的地址總線進行分時復(fù)用，以提高其數(shù)據(jù)帶寬利用率。為了適應(yīng)不同分辨率的圖像數(shù)據(jù)，設(shè)計了圖像參數(shù)計算模塊以得到不同分辨率下的圖像數(shù)據(jù)量以及各個參數(shù)，從而對DDR2存儲空間的重新分布提供理論基礎(chǔ)。同時，重新分布DDR2的存儲空間可實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的便捷式管理與控制。

2 數(shù)據(jù)緩存模塊硬件電路設(shè)計

    本設(shè)計選用的DDR2芯片為Micron公司生產(chǎn)的MT47H128M16RT，該芯片在時鐘上升沿與下降沿同時進行數(shù)據(jù)的傳輸，因而其傳輸速度為普通存儲器件的兩倍。DDR2控制器邏輯設(shè)計復(fù)雜，為了節(jié)省人力、加快開發(fā)速度，采用嵌入FPGA內(nèi)部的DDR2控制器對DDR2進行讀寫操作的控制^[5]。

    本設(shè)計利用FPGA的Bank1控制DDR2，在硬件電路設(shè)計時嚴格遵照固定引腳分配連接FPGA與DDR2，如圖2所示。其中，CK和CKN為時鐘差分線，數(shù)據(jù)在差分時鐘相交處進行數(shù)據(jù)傳輸；A[13:0]為行列地址復(fù)用線，BA[2:0]為塊地址，在進行讀寫操作時，需首先確定數(shù)據(jù)具體地址^[6]；D[15:0]為數(shù)據(jù)線；CKE、ODT、CS為控制信號線，其中，ODT為片內(nèi)終結(jié)電阻，通過調(diào)整電阻值來克服片內(nèi)總線上的信號反射效應(yīng)[3]；RAS、WE、CAS為命令信號線，F(xiàn)PGA通過這3條命令實現(xiàn)對DDR2讀寫操作的控制；UDM、LDM為數(shù)據(jù)屏蔽線，可用來屏蔽來自外部的干擾。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 DDR2讀寫邏輯設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集模塊在接收到上位機開始采集指令后，將會持續(xù)輸出串行數(shù)據(jù)，由于FPGA邏輯控制一般處理并行信號，因此需先對圖像數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換，而后再將其緩存至FIFO_in中。從FIFO_in中讀取圖像數(shù)據(jù)并按照一定格式寫入DDR2中；同時，從DDR2中讀取圖像數(shù)據(jù)，利用FIFO_out陣列進行位寬轉(zhuǎn)換及速度匹配后，通過千兆以太網(wǎng)傳輸至上位機軟件^[7]。整體邏輯控制框圖如圖3所示。

3.1.1 寫邏輯設(shè)計

    圖像采集時鐘與DDR2的工作時鐘頻率不同，又由于DDR2只支持突發(fā)寫入，一次寫入256 B的數(shù)據(jù)量，因而設(shè)計容量為2 KB的異步FIFO可將串并轉(zhuǎn)換輸出的并行數(shù)據(jù)進行緩沖，F(xiàn)IFO_in既能夠滿足數(shù)據(jù)緩存，又可以防止數(shù)據(jù)溢出。

    系統(tǒng)上電開始工作，F(xiàn)PGA為DDR2提供125 MHz的參考時鐘，DDR2開始初始化；待初始化完成后，通過判斷DDR2控制器的寫入命令是否有效，對DDR2輸入寫命令、突發(fā)長度命令以及命令使能信號^[8]；其后，當(dāng)FIFO讀空信號為‘0’，即該信號無效時，將DDR2的寫入使能置‘1’，并從FIFO_in中讀取圖像數(shù)據(jù)存入DDR2中，當(dāng)FIFO讀空信號有效時，停止從FIFO_in中讀取數(shù)據(jù)，以確保讀取的數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)；最后，通過計數(shù)信號判斷一次突發(fā)寫入是否完成。寫DDR2將會一直持續(xù)到整個數(shù)據(jù)采集裝置掉電為止。

    此外，為了方便對圖像數(shù)據(jù)進行管理，圖像數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)包添加包頭包尾后寫入DDR2中，該過程在一個獨立的進程中實現(xiàn)。

3.1.2 讀邏輯控制

    本設(shè)計利用千兆以太網(wǎng)作為傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件，所涉及的千兆以太網(wǎng)包大小為9 014 B，位寬為8 bit，不支持突發(fā)傳輸，所以為了與前級實現(xiàn)更好的匹配，設(shè)計FIFO來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖。DDR2與千兆以太網(wǎng)時鐘均為125 MHz，由于DDR2的傳輸速度可達456 MB/s，而千兆以太網(wǎng)傳輸速率為125 MB/s，因此設(shè)置4個容量為16 KB的FIFO陣列即可滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

    當(dāng)上位機接收到千兆以太網(wǎng)下發(fā)的讀取指令后，首先判斷DDR2的寫塊地址是否大于讀塊地址^[9]，若寫地址塊大于讀地址塊，則讀取的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)；而后判斷DDR2控制器的讀取命令是否有效，若有效，輸入對DDR2的讀取命令、突發(fā)長度命令以及命令使能信號；最后，通過計數(shù)信號完成對FIFO_out陣列的輪換寫入以及讀取操作。

    在往FIFO_out陣列寫數(shù)據(jù)前，通過復(fù)位信號將FIFO中數(shù)據(jù)清空；寫數(shù)據(jù)同時，將計數(shù)信號及地址信息上傳至數(shù)據(jù)傳輸模塊。

    利用邏輯分析儀Chipscope抓取到的DDR2讀寫時序圖如圖4所示。由圖可得，可以連續(xù)對DDR2進行突發(fā)讀寫操作，并且讀寫可分時進行；往DDR2中寫數(shù)據(jù)時，需要等待圖像傳感器采集滿256 B時才可突發(fā)寫入；在進行讀寫操作之前都要先進行命令空信號判斷。

3.2 重新分布DDR2存儲空間

    DDR2僅有一組地址總線，讀寫操作不能夠同時進行，所以要對DDR2的地址總線進行分時復(fù)用^[10]。控制DDR2地址即可實現(xiàn)對其內(nèi)部存儲空間的控制，因此，通過更改地址即可完成對DDR2內(nèi)部存儲空間的重新分布。為了滿足分辨率為2 048×2 048的圖像數(shù)據(jù)以巨型幀格式進行傳輸，本設(shè)計對DDR2存儲空間進行了擴展。

    本設(shè)計使用的DDR2的存儲容量為2 Gbit，內(nèi)部含有8個Bank，通過14位行地址與10位列地址判斷讀寫操作的具體地址，其中一個地址存儲2 B數(shù)據(jù)。為了方便對數(shù)據(jù)的讀寫以及對地址的管理，本設(shè)計利用一個地址存儲1 B數(shù)據(jù)，一個列地址存儲256 B數(shù)據(jù)，一個行地址存儲一包圖像數(shù)據(jù)，以行地址為尋址的主地址方式進行數(shù)據(jù)存儲。在一包數(shù)據(jù)中，除協(xié)議占用的50 B外，剩余8 964 B均為圖像數(shù)據(jù)。

    圖像參數(shù)計算模塊可計算不同分辨率下的一幅圖像要傳輸?shù)陌鼣?shù)，一包數(shù)據(jù)需要突發(fā)讀寫的次數(shù)以及最后一包數(shù)據(jù)需要突發(fā)讀寫的次數(shù)等參數(shù)，通過一幅圖像最后一包的行地址來判斷該幅圖像是否傳輸完成。

    文中數(shù)據(jù)采集模塊采集到的圖像數(shù)據(jù)的分辨率為2 048×2 048，一幅圖像需要傳輸467包余8 116 B，一包數(shù)據(jù)需要突發(fā)讀寫的次數(shù)為35次，最后一包數(shù)據(jù)需要突發(fā)讀寫的次數(shù)為31次余180 B，因此可通過最后一行列地址與其他行列地址是否相同來判斷數(shù)據(jù)是否有效。在DDR讀寫邏輯設(shè)計中首先判斷是否為最后一行數(shù)據(jù)，然后再對列地址進行操作。

    一列數(shù)據(jù)存儲256 B，所以列地址低8位需全部賦值為0；一包數(shù)據(jù)最大需要突發(fā)讀寫35(100011)次，因此列地址總共需要14位，即DDR2存儲空間的10位列地址需擴展至14位。由于DDR2控制器的IP核實際列地址位寬為11位，因而將列地址高3位以行地址高3位的形式輸入到地址控制端口即可完成列地址的擴展。DDR2存儲空間經(jīng)過擴展后，當(dāng)行地址小于468，列地址增加至35時，行地址加1列地址歸0；當(dāng)行地址增加至468，列地址增加至32時，行地址歸0塊地址加1。所以在邏輯設(shè)計中首先判斷是否為最后一行數(shù)據(jù)，然后再對列地址進行分別增加。

4 結(jié)果分析

    本設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊采集的圖像數(shù)據(jù)分辨率為2 048×2 048，幀頻為20 f/s，即1 s可產(chǎn)生80 MB的圖像數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)緩存模塊中，DDR2的工作時鐘為125 MHz，再考慮到自動刷新及預(yù)充電等消耗的時鐘，實際平均數(shù)據(jù)吞吐量為456 MB/s；數(shù)據(jù)傳輸模塊中，以太網(wǎng)傳輸速度為125 MB/s；經(jīng)測試，該設(shè)計能夠正常工作，上位機可實時顯示數(shù)據(jù)采集模塊采集的圖像數(shù)據(jù)，且穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

    本設(shè)計以FPGA為核心，對圖像數(shù)據(jù)流進行整體邏輯設(shè)計，采用三級數(shù)據(jù)緩存機制，利用FPGA內(nèi)部FIFO的高效讀寫性能與片外DDR2大容量存儲的特點，形成速率與容量(時間與空間)的優(yōu)勢互補，很好地滿足了高速圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對于圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苄枨蟆Ｍ瑫r，本設(shè)計通過設(shè)計圖像參數(shù)計算模塊，可應(yīng)對不同分辨率的圖像數(shù)據(jù)，增強了該設(shè)計的可操作性和可移植性。

參考文獻

[1] 葉威，肖康，康冰鋒，等.CMOS傳感器在航空攝影測量中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017(8)：150-151.

[2] 丁寧，常玉春，趙健博，等.基于USB 3.0的高速CMOS圖像傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2018，48(4)：1298-1304.

[3] 周彬，宋茂忠，熊駿，等.基于FPGA和DDR2的北斗導(dǎo)航信號模擬[J].電子設(shè)計工程，2016，24(6)：138-141.

[4] 王昊.基于FPGA的千兆以太網(wǎng)高速圖像采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2017.

[5] 袁鑫，盧磊，景彥哲.基于FPGA的DDR2緩存控制器在無線鏈路圖像跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].導(dǎo)航與控制，2016，15(4)：63-69，7.

[6] 段岑林.DDR2 SDRAM控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

[7] 高俊嶺，陳志飛，章佩佩.基于FPGA的實時視頻圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(2)：10-12，19.

[8] 王曉鵬.基于FPGA片內(nèi)存儲器讀寫控制與仿真[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2018，29(14)：296.

[9] WANG H，WENG Z，LI Y.Design of high-speed image acquisition system based on FPGA[C].第30屆中國控制與決策會議論文集(2)，2018.

[10] 田杰，王廣龍，喬中濤，等.基于FPGA高速視頻圖像實時采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件，2016，39(3)：623-627.

作者信息:

任勇峰，張澤芳，王國忠，張凱華

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051)