1、高速實時光纖圖像傳輸系統的實現1引言高速實時圖像傳輸的可靠性，穩定性將直接影響到光電經緯儀圖像處理的最終結果，是關系到整個經緯儀性能指標的重要因素之一。光電經緯儀的圖像源來自高速相機，相機實時輸出的高速圖像數據均需通過標準的并行接口輸出，并且是在經緯儀工作情況下實時傳輸。傳統的數據傳輸辦法是通過電滑環的傳輸通道，但電滑環抗干擾性差，帶寬低，特別是由于磨損導致使用壽命有限而無法傳輸高速的標準圖像數據，因此，處理系統只能置于機上。另外，標準的并行接口線多，配線復雜，數據傳輸極易受外界工作環境的干擾，特別是在惡劣環境下，系統很難穩定、可靠的工作。隨著光纖技術的普遍推廣，光纖滑環替代電導環成為必然趨勢

2、。目前，國際市場上已有商業用光纖圖像傳輸系統，但該類產品仍具有局限性。比如，美國公司的幾款光纖產品，可以實現對標準圖像數據包括全配置型和基本型的相機的高速光纖傳輸，在機上（發送端）完成并行接口至光纖接口的轉換，在機下（接收端）則完成光纖接口至并行接口的轉換，但用戶在機下的接收端只能得到并行接口數據，且其傳輸結構同樣給用戶造成配線工作量大，配線復雜，系統穩定性差等困難。若用戶需要光纖接口數據，則另需花昂貴的費用購買協議，因此，有必要自主開發光纖圖像傳輸協議。近年來，高速串行傳輸互聯技術的日益成熟，使得高速率、寬帶寬、抗干擾性強的串行傳輸越來越受到設計者們的青睞；特別是 公司的內 嵌 核 解 決

3、方 案，搭 建 了與光纖通信的橋梁，使得高速串行傳輸從板上芯片級間互聯和板間互聯向系統與系統間的高速串行互聯成為現實。本設計根據工程項目背景需求，結合國內研究條件，實現了系統接口轉換功能，并在此基礎上提出了自定義的光纖圖像傳輸協議，利用該協議，實現了圖像傳輸系統與各個分系統的通信和整個系統的串行化傳輸，使得圖像可在機下進行實時處理、顯示和記錄，減少了系統的配線工作量，提高了系統的抗電磁干擾性能，降低了開發成本。系統的應用測試結果表明，系統在高速傳輸運行狀態下，圖像傳輸穩定，且機上、機下相互之間通過光纖傳輸系統可靠通信，系統運行性能良好，滿足系統的傳輸性能要求。2系統總體設計如圖所示，系統由發送

4、端和接收端兩部分組成，其中發送端完成圖像從輸入至光纖輸出的轉換，接收端則完成圖像從光纖輸入至輸出的轉換，發送端和接收端之間（即機上至機下）采用單模光纖傳輸。在發送端，實時圖像源來自于相機，圖像輸出接口均為標準的接口輸出。相機輸出圖像連接至轉光纖模塊即發送端部分，由于經緯儀的轉動，實時圖像要經過光纖滑環（光導環）傳輸，將光纖圖像送至機下。在接收端，實時圖像經過光纖滑環（光導環）后，再把圖像接入光纖轉接收模塊，接收端輸出的圖像直接輸出給記錄系統，實現實時記錄圖像。同時，在接收端模塊上，通過內部邏輯設計轉發兩路光纖圖像傳輸通道，其中一路將實時圖像發送到主控中心 （）架構的交換板，由交換板經過主控中心

5、的背板，分別將實時圖像發送至系統板、處理板、以及電機伺服、系統后板等單元模塊；另一路光纖傳輸通道將圖像轉發到顯示系統，實現圖像實時顯示。此外主控中心發出的相機控制命令以及外同步時序，在接收端經過本地時鐘采樣后，把采樣值打包，并沿光纖傳輸通道發送至發送端，在發送端（機上）將接收到的數據包解包為采樣值，再根據采樣值恢復為原始時序信號，由發送端（機上）的接口送至相機，實現主控中心（機下）實時控制相機。3系統硬件設計3.1發送端硬件設計發送端硬件原理框圖如圖所示，相機的接口有型、型、型三種配置，本設計使用的是 型配置相機，型配置相機輸入接口。由于標準接口輸入電平為，在硬件設計上，采用圖發送端硬件原理框

6、圖芯片，完成電平至 電平轉換；選擇型號為 的作為主處理芯片，該單片最多集成了個核，每 個 通 道 可 提 供 從到傳輸速度。 芯片選擇作為程序存儲芯片；選擇高精度晶振的 為時鐘源，時鐘芯片選擇作為系統的主時鐘，該時鐘芯片可根據設計需要靈活配置輸出時鐘頻率，本設計使用時鐘頻率為 ，在時鐘芯片內部完成倍頻，時鐘芯片輸出為高精度時鐘供給使用，的內部將時鐘倍頻后得的傳輸速度。采用 為串口電平轉換 芯 片。 光 模 塊 采 用 公 司 的光模塊，波長為，共個通道。3.2接收端硬件設計接收端硬件原理框圖如圖所示，接收端硬件結構和發送端相同，僅區別在接收端的輸出，采用芯片，完成電平至的電平轉換。4系統軟件設

7、計4.1圖像信息提取由于 在 并 行 數 據 中，標準接口輸入有位數據位和一位像素時鐘位，以 及 相 機 控 制 信 號，（）、（）、（）、（）。圖像數據格式為當（高）有效，且（高）有效時，若帶有的亦（高）有效時，此時圖像數據才有效。因此需要在發送端將每一幀的起始（幀首標志），每一幀的結束（幀尾標志）提取出來，同樣每一行的起始（行首標志），每一行的結束（行尾標志）提取出來。幀首提取方法是將其延遲一個時鐘周期后邏輯取反，再將其邏輯取反信號和原邏輯相與得到幀首標志。同理，可得幀尾標志，行首標志，行尾標志。(1)像素行的統計，當每一行的開始，行首標志為有效時統計值清零，當、都有效，且每一個像素時鐘上

8、升沿到來時才開始統計像素行的值；行尾標志為有效時提取出該行的像素行的統計值。(2)行幀統計，設計當每一行的像素統計值大于個像素時才認為該行是有效行，且每一個像素時鐘上升沿到來時才開始統計行幀值，當幀尾標志為有效時提取出該幀的行幀統計值。在每一幀的幀消隱期間，行幀的統計值清零。4.2圖像幀協議設計利用幀消隱期間添加自定義幀協議的附加信息，在自定義幀協議中，附加信息的添加是在圖像數據寫入 時完成的，采用 內部的 作 為 緩 存，巧 妙 利 用 了的奇偶校驗位即位作為傳輸鏈路中的字符指示。圖像串行傳輸的位寬為（雙字節），自定制的幀協議如圖所示，幀首過后延遲一個時鐘周期，在下一個時鐘上升沿時，開始添加

9、行幀統計值、像素行統計值、以及用于協議自校驗的幀編號；預留作為下一步擴展完善協議功能使用，緊接著就是圖像的有效數據發送；最后，每一幀的結束位置添加幀尾標志。添加的幀首標志、幀尾標志用特殊字符和字符指示來共同表示，特殊字符及字符指示從編碼字符表里選用，行幀統計，像素行統計、幀編號以及有效數據都將 字符指示作為輔助標志，以便于傳輸通道鏈路的自檢測，在接收端快速、可靠提取幀首、幀尾特殊標志字符。4.3屬性例化設計基于自定制的幀傳輸協議，設計中 對時鐘的精度要求非常 嚴 格。本設計 采 用時鐘芯片輸出的時鐘作為 的參 考 時鐘， 的 傳 輸 速 率 為圖幀傳輸協議格式，參考時鐘為 ，時鐘輸入方式為差分

10、輸入，選擇的為參考時鐘輸入端，且采用靜態控制模式，因為為參考時鐘輸入端時，最高傳輸速度只能達到。終端阻抗選擇；采用靜態編碼控制機制；預加重選擇，輸出電壓擺幅為。預加重、輸出電壓擺幅并非選擇越高越好，因為過高的預加重對輸出電壓擺幅有過沖影響，會導致傳輸鏈路誤碼率的增加，因此，需要經過實驗測試來調節輸出電壓擺幅值，使得傳輸鏈路達到穩定要求。選擇字符對齊和 字符檢測序列，字符序列為（），選擇動態控制字符檢測方式，字符序列為（），選擇動態控制字符檢測方式，字符序列為，選項必須要選擇，這樣 字符才能正確對齊在高字節，否則字符有可能對齊在高字節，也有可能對齊在低字節，這樣輸出的串行數據流就會出錯。時鐘修正

11、，當的接收寫入端的輸入數據速率和讀取端的輸出數據速率不一致時，需要進行時鐘修正，輸入接收的輸入數據速率是由恢復時鐘的頻率決定的，而從接收讀取端輸出的數據速率是由的頻率決定的。消除這兩者之間的差異，是通過插入移除時隙的時鐘修正模式完成的。設計中使用的時鐘修正序列長度為個字 節，時 鐘 修 正 和 字 符 對 齊 序 列 都 為，即特殊字符為；，也就是特殊字符為，共個序列，選擇了第二個時鐘修正序列模板；通道綁定未使用。4.4數據包發送協議圖像數據的發送是以數據包的形式發送的，自定義的發送數據包格式如圖所示：每一包數據的長度為，數據寬度為，所以每圖圖像數據包格式一包數據的時鐘長度為個時鐘周期，這就要

12、考慮時鐘修正的最大時間間隔長度問題，因為在發送圖像有效數據期間，只發送圖像有效數據，沒有發送時鐘修正序列，所以要計算時鐘修正的頻率，每發一包數據使用時間為個時鐘周期，即發送狀態機發送一次時鐘修正序列到下一個循環發送時鐘修正序列的最大時間間隔為個時鐘周期，而參考時鐘的穩定度為×時，按照的要求每個字符就需要至少發送一次時鐘修正序列，即÷個時鐘周期，這個時間間隔要求大于設計使用的時間間隔，本文的設計滿足 的指標要求。送狀態機如圖所示，發送狀態圖發送狀態機轉移圖機在發送狀態發送時鐘修正序列，在狀態字符對齊序列，字符對齊序列需要在發送時鐘修正序列之后才能進行發送；在發送狀態發送串口、

13、外同步時序，當沒有數據包發送請求的空閑時間，發送狀態機就不斷地發送時鐘修正、字符對齊序列，用于通道鏈路的維持；若有請求發送圖像有效數據包，則狀態機轉至發送數據包發送狀態，從發送數據包的包頭開始，包頭發送狀態作為數據包的起始標志，用于接收端接收檢測數據包的開始標志，包頭標志用特征字符及字符表示，包頭發送 狀 態 占 用 一 個 時 鐘 周 期 （）；包長發送狀態占用個時鐘周期（），用于指示發送有效數據的長度，設計中包長為，包長過后緊接著發送有效數據發送狀態，當發送完有效數據后，進入發送當前數據包的累加和發送狀態，包累加和用于包內有效數據的字節統計，占用，其中高先發，占用，低后發，也占用；包編號發

14、送狀態為發送的每一個數據包都有相應的編號，用于統計發送過程中發送包有無丟失；包累加和、包編號都用于接收端接收數據的有效校驗；包尾發送狀態用于指示當前包的結束，包頭標志用特征字符及 字符表示。發送狀態，串口、外同步信息的發送是利用數據寬度的最低位（第位）來發送串口信息，利用數據寬度的第二位（第位）來發送外同步信息，串口信息和外同步信息在數據位寬度中至少要間隔一個數據位，原因是兩個數據位相鄰很近的情況下，兩種時序經過發送狀態機的時鐘采樣后，采樣數據會帶有毛刺，這樣的采樣數據經發送狀態機打包發送后，在接收端再恢復為原始時序時，就會帶有毛刺。設計使用串口收發波特率為，本地采樣時鐘為，扣除掉發送數據包期

15、間間隔個時鐘周期，即本地時鐘對串口的實際 采 樣 率 為×，因 此×，采樣率遠遠大于波特率，表明采樣速率是可靠的。經過實驗證明，兩個串口信息在發送數據位里至少相隔一個數據位就能可靠采樣，在接收端，從接收到的采樣數據恢復出來的時序波形，就能避免毛刺帶來的影響，實現串口、外同步信息在光纖通道上的可靠傳輸。4.5接收端圖像重構從接收端接收到的數據流里，根據數據包的特殊字符指示，提取出數據包，并把數據包解包后得到幀首、幀尾標志、圖像有效數據及附加信息，其中比較重要的兩個附加信息是，原始圖像的靶面大小即像素行、行幀，這兩個附加信息將作為重構圖像的依據。重構圖像狀態機如圖所示，接收到的

16、圖像有效數據首先寫入緩存，根據重構圖像狀態機，幀開始狀態接收提取得到的幀首標志，作為幀有效使能開始（即有效），有效開始個時鐘周期后，進入行開始狀態，在（即有效）下，此時需要進入狀態，判斷寫入緩存的有效圖像數據是否滿一行，圖重構圖像狀態轉移若緩存已有一行數據，則讀出圖像有效數據至每一行，每一行結束后進入行尾狀態，此時狀態機也進入狀態，判斷當前行是否為當前幀的最后一行，若不是則跳轉至行開始狀態繼續讀出行，若是最后一行，則幀結束，即是一整幀圖像。此時狀態機跳出幀循環狀態進入空閑狀態，等待下一幀的到來。5 實驗測試5.1圖像在傳輸過程中的延遲測試根據單模光模塊及單模光纖傳輸距離遠的特點，在發送端，采用

17、收發獨立的 單模光模塊及單模光纖來做測試實驗，該單模光模塊工作波長為，在本測試實驗中采用長的單模光纖進行傳輸，實驗將實時圖像數據經單模光模塊沿著單模光纖發送出去，再將該單模光纖的另一端回環接至其單模光模塊的輸入端，實時接收回傳的圖像數據。此時，用 工具采樣發送數據和接收數據，觸發條件為某一幀的幀首標志，采樣數據結果表明，圖像數據在整個 傳 輸 環 節 的 延 遲 為個 時 鐘 周 期，即××，實驗測試結果表明，圖像數據在該傳輸過程中滿足實時性的要求。5.2傳輸鏈路的可靠性測試根據的屬性，當傳輸鏈路有錯誤時，信號就有錯誤標志指示，且 的高低兩位分別代表傳輸數據位的高低兩個字節，傳輸鏈路無錯誤 時 信 號 一 直 保 持 為“”值，當信號為時表示發生錯誤。測試方法為，在發 送 端 實 時 發 送 圖 像 數 據，在 接 收 端 用工具實時采樣監測，以 的突變為觸發條件，實驗測試結果表明，連續監測個小時無一錯誤。5.3圖像傳輸的可靠性測試根據發送協議，發送端特別做了幀編號，以及每個數據包的包累加和統計。在接收端，根據幀編號、