基于LVDS的高速圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采集數(shù)據(jù)的有效傳輸和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的發(fā)展保證了數(shù)字圖像在現(xiàn)實(shí)中廣泛應(yīng)用。如今，從多媒體通信領(lǐng)域的遠(yuǎn)程教育、圖像監(jiān)視到醫(yī)學(xué)上的遠(yuǎn)程會(huì)診，都和數(shù)據(jù)的有效傳輸及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)息息相關(guān)。在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，圖像數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)和連續(xù)有效轉(zhuǎn)發(fā)也起著巨大的作用，航空遙感圖像和衛(wèi)星遙感圖像的處理加工，電視制導(dǎo)中數(shù)據(jù)視頻圖像的傳輸，都離不開圖像傳輸存儲(chǔ)技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的基于Flash的高速大容量固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用了基于LVDS的數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸兩路高速圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。不僅具有處理速度快、設(shè)計(jì)靈活性高等特點(diǎn)，還具有可配置性和可重構(gòu)性的特點(diǎn)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文介紹的圖像存儲(chǔ)器在飛行任務(wù)中負(fù)責(zé)完成兩路獨(dú)立視頻信號(hào)的采集存儲(chǔ)任務(wù)。視頻圖像存儲(chǔ)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，當(dāng)光耦接收到起飛和誘餌兩個(gè)控制點(diǎn)火信號(hào)后，F(xiàn)PGA就控制視頻信號(hào)1、視頻信號(hào)2經(jīng)2路獨(dú)立的LVDS接口傳輸，并分別解碼后緩存到2個(gè)外部FIFO中，最后寫入到2個(gè)各自的存儲(chǔ)模塊Flash當(dāng)中。在系統(tǒng)工作時(shí)，讀書裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄器關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)；系統(tǒng)存儲(chǔ)工作完成后，讀數(shù)裝置通過LVDS接口以20 Mbyte/s的速度遠(yuǎn)程高速讀取圖像記錄器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)進(jìn)行存盤判讀。


圖1存儲(chǔ)器功能框圖

本設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)接收的2路圖像尺寸均為640 X480 byte，在飛行器內(nèi)部傳感器下發(fā)起飛和誘餌兩個(gè)關(guān)鍵信號(hào)的控制下，圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別對(duì)這2路視頻圖像信號(hào)進(jìn)行采集，采樣位數(shù)：8 byte/像素，輸入數(shù)據(jù)碼率：30.72 Mbyte/s，幀率：100 f/s（幀/秒），然后將解碼后的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到2個(gè)Flash中，最后準(zhǔn)確地完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，使圖像數(shù)據(jù)順利進(jìn)入下一模塊。存儲(chǔ)器視頻信號(hào)處理硬件電路框圖如圖2所示。


圖2存儲(chǔ)器視頻信號(hào)處理硬件電路框圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LVDS長(zhǎng)線傳輸電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中攝像頭發(fā)出的視頻圖像信號(hào)屬于高速變化的信號(hào)，容易受到噪聲影響。低壓差分（Low Volt-age Differential Signaling，LVDS）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是一種新型的、具有很低的差分電壓擺動(dòng)幅度的信號(hào)傳輸方式。LVDS傳輸過程中以差分的方式傳送數(shù)據(jù)，從而具有很低的串?dāng)_和噪聲以及只消耗很少的功率。此外它通過一對(duì)并行PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)，可以達(dá)到100 Mbit/s甚至高于1 Gbit/s的高速率數(shù)據(jù)傳輸。解決了高速數(shù)據(jù)的有效傳輸，同時(shí)也將有助于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)可靠性?；贚VDS技術(shù)的傳輸特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)中圖像輸入接口采用LVDS進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)接收。設(shè)計(jì)中為滿足信號(hào)實(shí)時(shí)高準(zhǔn)確性的傳輸，在LVDS發(fā)送端采用串化器和驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的方式增強(qiáng)信號(hào)；在LVDS接收端采用均衡器和解串器相結(jié)合的方式，來補(bǔ)償信號(hào)長(zhǎng)線傳輸過程中的損耗。這樣高速圖像信號(hào)可以穩(wěn)定地傳輸上百米。如圖3為L(zhǎng)VDS接口端硬件電路設(shè)計(jì)圖。


圖3 LVDS接口端硬件電路設(shè)計(jì)圖（點(diǎn)擊查看大圖）

2.2 FIFO的電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中進(jìn)入FIFO前經(jīng)解碼得到的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率為30.72 Mbit/s，因此在FIFO的選型中，必須選擇一款讀寫速度快而且容量大的外部FIFO來緩存圖像數(shù)據(jù)。經(jīng)過計(jì)算并對(duì)比分析后，本設(shè)計(jì)選用了CYPRESS公司生產(chǎn)的64 kbit x 18 bit的CY7CA285V：

1）CY7C4285V擁有66.7 MHz的最大工作頻率，10 ns的最小讀寫周期，完全可以穩(wěn)定、可靠地接收碼率為30.72 Mbit/s的圖像數(shù)據(jù)，也滿足25 ns讀寫周期的要求。


圖4單路圖像數(shù)據(jù)接收接口時(shí)序定義圖

2）從FIFO接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)的時(shí)序圖中（如圖4）可以看出，一個(gè)水平同步時(shí)間內(nèi)，寫入FIFO的圖像數(shù)據(jù)有640 byte，而讀出FIFO的數(shù)據(jù)量為33 Mbyte/s x 18.75μs=618.75 byte.這樣每一個(gè)水平同步時(shí)間內(nèi)FIFO中就會(huì)剩余640 byte-618.75 byte=21.25 byte的圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)垂直同步信號(hào)拉低時(shí)，F(xiàn)IFO中剩余的圖像數(shù)據(jù)量達(dá)到最大，本設(shè)計(jì)FPGA控制FIFO半滿即讀，那么FIFO的容量至少應(yīng)為：2 x 21.25 x480=20400 byte.顯然容量為64 kbyte的CY7C4285V可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3）操作簡(jiǎn)單。首先，單片64 kbyte CY7CA285V就可以滿足設(shè)計(jì)要求，而不需串聯(lián)多個(gè)FIFO，這樣操作起來方便了很多。其次，該FIFO有讀使能、寫使能作為狀態(tài)保障，且均采用邊沿觸發(fā)方式，使得時(shí)序控制簡(jiǎn)捷高效，便于FPGA的邏輯實(shí)現(xiàn)。

3關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1高速寫入方式

本設(shè)計(jì)選用三星公司的K9WBG08U1M作為存儲(chǔ)介質(zhì)。該芯片容量大小為4 Gbyte，內(nèi)部分為2片，每片2 Gbyte，可通過片選信號(hào)和切換兩片存儲(chǔ)空間，每片由8192塊組成，每塊中有64頁，每一頁都可以存儲(chǔ)4 kbyte的圖像數(shù)據(jù)和128 byte的狀態(tài)信息。本設(shè)計(jì)要完成對(duì)高速圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)任務(wù)，普通的Flash寫入方式無法滿足30.72 Mbyte/s.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度的要求。因此，大幅提高Flash數(shù)據(jù)接口的寫入速度，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。K9WBG08U1M內(nèi)部平面結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，F(xiàn)lash內(nèi)部的兩片分別為chip1和chip2，4個(gè)平面Plane0~Plane3組成1個(gè)chip，原始的寫入方式為依次寫滿Plane0、Plane1、Plane2、Plane3，為大幅度提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度，系統(tǒng)采用交錯(cuò)雙平面頁編程（interleave two-plane page program）的操作方式，并行對(duì)chip1、chip2的8個(gè)平面進(jìn)行操作，如圖6所示Interleave two-plane編程時(shí)序圖：從chip1的Plane0開始依次寫入每一個(gè)平面第1塊的第1頁，即寫入chip1的Plane0的block0的page0后，再橫向連續(xù)寫入7頁，那么當(dāng)循環(huán)回chip1的Plane0的block0的page1時(shí)，用時(shí)25 ns x 4096 x 7=716.8μs大于頁編程時(shí)間tPRoG的最大值700μs，從而可以不問斷地繼續(xù)對(duì)chip1的Plane0的block0的page1進(jìn)行操作，這樣充分利用了頁編程的時(shí)間，使Flash的寫入速度提高到40 Mbyte/s，完全可以完成對(duì)30.72 Mbyte/s圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)任務(wù)。


圖5 K9WBG08U1M內(nèi)部平面結(jié)構(gòu)圖


圖6 Interleave two-plane編程時(shí)序圖

3.2圖像數(shù)據(jù)分析

在飛行中該圖像存儲(chǔ)器需要在過載、噪聲等惡劣環(huán)境下工作，由于這些干擾很可能丟失一幀或者若干幀數(shù)據(jù)，為此本文經(jīng)分析接收?qǐng)D像時(shí)序，為圖像數(shù)據(jù)編幀如圖7.這樣將圖像數(shù)據(jù)設(shè)定成固定的幀格式，不僅可以穩(wěn)定地循環(huán)采集，便于數(shù)據(jù)處理；而且即使由于干擾丟掉了一幀或若干幀，也不會(huì)影響幀結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)于整體數(shù)據(jù)分析沒有影響。這樣就保證了后續(xù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的正確性。接收一幀圖像數(shù)據(jù)的流程圖如圖8所示。


圖7圖像存儲(chǔ)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)


圖8接收一幀圖像數(shù)據(jù)流程圖

3.3圖像信息存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

如圖9所示待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，1帶信息幀由1圖像幀和時(shí)標(biāo)及其他信息組成，存入Flash的為帶信息幀，但后續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給圖像壓縮單元的數(shù)據(jù)只能含有圖像幀。為此本文將FIFO設(shè)計(jì)成9位緩存模式，低8位用來存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)圖像幀或時(shí)暢汲其他信息，最高位通過“1”或“0”來區(qū)分是圖像數(shù)據(jù)還是幀標(biāo)志。即將低8位是圖像數(shù)據(jù)的最高位置高，低8位是時(shí)標(biāo)及其他輔助信息的最高位置低，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)只將最高位為1的數(shù)據(jù)流發(fā)送給圖像壓縮單元。


圖9待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)

一片K9WBG08U1M的Flash內(nèi)部有1048576頁，本文所接收的圖像數(shù)據(jù)：1圖像幀=307 200 byte，1頁容量為4 kbyte，需用75頁，所以1片F(xiàn)lash最多可存儲(chǔ)13981幀視頻圖像。接收?qǐng)D像幀頻為100 f/s，25s接收2500幀視頻圖像，僅占Flash總?cè)萘康?%.采用上述interleavetwo-plane page program的頁編程方式，每75頁代表一幀視頻圖像數(shù)據(jù)，第76頁用來寫入每一幀的狀態(tài)信息。寫入的順序如圖10中箭頭所示。


圖10存儲(chǔ)區(qū)和圖像幀之間的映射關(guān)系

圖10顯示每一行有8個(gè)block，共有512頁，經(jīng)計(jì)算每一行可以完整地存儲(chǔ)6幀圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)完整地寫入75頁，第76頁也寫入狀態(tài)信息時(shí)，一幀視頻圖像信息就存儲(chǔ)完畢了。然后Plane加1，繼續(xù)將圖像數(shù)據(jù)寫滿前75頁，第76頁寫入時(shí)標(biāo)及附加信息，依次往下寫，當(dāng)?shù)?幀圖像數(shù)據(jù)完全寫入Flash后，直接將Flash的塊地址加2，跳到下一行，按照上述操作方式，繼續(xù)寫入圖像數(shù)據(jù)，其流程圖如圖11所示。


圖11圖像存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖12為計(jì)算機(jī)終端顯示的部分圖像數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)解密后用上位機(jī)還原圖像如圖13所示，顯示的是視頻圖像中第2194幀圖像。測(cè)試結(jié)果顯示，接收數(shù)據(jù)正確無誤，還原圖像清晰完整。


圖12部分圖像數(shù)據(jù)（截圖）


圖13視頻圖像還原后得到的第2194幀圖像（截圖）

5結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)高速圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，碼率可達(dá)40 Mbyte/s，具有高寫入帶寬和工作穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)已在相關(guān)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，工作性能良好，具有一定的參考價(jià)值。