高速ccd圖像數(shù)據(jù)實時存儲的研究

高速ccd圖像數(shù)據(jù)實時存儲的研究

0數(shù)據(jù)存儲適用條件圖像數(shù)據(jù)總量大，輸出速度快，因此高速圖像數(shù)據(jù)的實時記錄是一個難以解決的問題?，F(xiàn)在，這種方法是計算機上的高速數(shù)據(jù)集卡，并使用高速磁盤矩陣或冗余磁盤驅(qū)動行進行存儲。然而，這種方法通常只能記錄特定范圍的圖像數(shù)據(jù)，并且只能記錄各種通道的圖像數(shù)據(jù)。此外，高速磁盤采集卡、高速硬盤和冗余磁盤驅(qū)動器的價格相對較高，因此在一些需要存儲多數(shù)據(jù)的情況下是不合適的。我們曾經(jīng)遇到了將面陣幀轉(zhuǎn)移CCD相機輸出的多路高速圖像數(shù)據(jù)進行實時記錄的問題.CCD相機的每一路數(shù)據(jù)輸出率遠遠大于一般存儲介質(zhì)的存儲速率,但是CCD輸出的圖像數(shù)據(jù)中間有一定的行間隔和幀間隔.我們曾試圖使用高速采集卡或磁盤陣列,但是經(jīng)過調(diào)研,由于采集速度不夠或是資金問題均被否定.最終決定利用普通存儲介質(zhì)自己研制一種適合自身系統(tǒng)的采集存儲設(shè)備.為了用普通的存儲介質(zhì)實時記錄高速的數(shù)據(jù)流,需要將CCD輸出的高速數(shù)據(jù)流與普通介質(zhì)的低速存儲速度相匹配,為了達到這一目的,在CCD相機與存儲介質(zhì)之間加入高速FIFO(先進先出)數(shù)據(jù)緩存器,通過對緩存器輸入輸出的不同操作,達到數(shù)據(jù)速率匹配的要求.1高效輸出數(shù)據(jù)的產(chǎn)生實際應(yīng)用中,面陣幀轉(zhuǎn)移CCD相機以20MHz的速率并行輸出四路12bit的圖像數(shù)據(jù),存儲介質(zhì)的最大寫入速度為9MHz,實際只用到了其標(biāo)稱的最佳寫入速度5MHz.CCD相機輸出的圖像數(shù)據(jù)首先在CCD像元時鐘(FIFO寫時序)的驅(qū)動下以20MHz的速率存入一組FIFO中,然后在FIFO的讀時序的驅(qū)動下以5MHz的速率從FIFO中讀出,并且經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,再存入規(guī)定的存儲介質(zhì)中.這樣,通過在CCD相機和存儲介質(zhì)中間加入FIFO緩存器,并且合理地利用了行間隔和幀間隔時間,達到了使CCD相機的數(shù)據(jù)輸出速率與存儲介質(zhì)寫入速率相匹配的目的.日本OKI公司生產(chǎn)的MSM518221FIFO緩存器是一種高性能的2M位或256K×8位的存儲器.它的輸入輸出是相互獨立的,因此,可以對其輸入和輸出端口分別進行不同的控制,實現(xiàn)輸入輸出按照不同的速度工作.MSM518221的原理框圖如圖1所示.為了能將CCD相機產(chǎn)生的高速圖像數(shù)據(jù)及時而且無遺漏地存入到低速的永久性存儲介質(zhì)中,我們發(fā)現(xiàn)MSM518221的存儲容量256Kbytes,而這正好是四分之一幀圖像的大小,也就是CCD相機拍攝一幀圖像后每一個通道的數(shù)據(jù)量.于是,考慮在CCD相機的每一路輸出通道中使用了兩片MSM518221,當(dāng)CCD相機拍攝第一幀圖像后,這一幀圖像數(shù)據(jù)被分成四份,并分別存入四路通道中的四個MSM518221中;當(dāng)CCD相機拍攝第二幀圖像時,MSM518221將其中的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到永久性存儲介質(zhì)中,當(dāng)?shù)诙瑘D像拍攝完成后,這一幀的圖像數(shù)據(jù)先存儲到四路輸出的另外四個MSM518221中,當(dāng)CCD相機拍攝第三幀圖像時,再將這四個MSM518221中的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到永久性介質(zhì)中.這樣,在FIFO緩存器接收CCD相機數(shù)據(jù)的同時,另一片F(xiàn)IFO緩存器將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入存儲介質(zhì)中.于是兩片F(xiàn)IFO緩存器交替接收數(shù)據(jù)、交替將數(shù)據(jù)存入存儲介質(zhì)中,完成了數(shù)據(jù)從高速數(shù)據(jù)源存入低速存儲介質(zhì)的功能.為了有效地控制FIFO的寫入和讀出操作以及數(shù)據(jù)能正確快速地存入到永久性存儲介質(zhì)中,在系統(tǒng)中還增加了一片控制單片機,而且針對FIFO的輸入操作、FIFO地讀出操作和存儲介質(zhì)地寫入操作分別進行了相應(yīng)的時序設(shè)計.圖2顯示了本系統(tǒng)其中一路輸出的原理框圖,圖中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分是為了達到總線數(shù)據(jù)位數(shù)匹配的目的.2fpga讀取數(shù)據(jù)的控制和存儲過程數(shù)據(jù)的存儲過程是由時序來控制的.因為整個系統(tǒng)包含了CCD相機、FIFO以及存儲介質(zhì)三個部分,而且各個部分的數(shù)據(jù)速率不同,所以在設(shè)計存儲時序時,必須將所有的因素都考慮周全,分兩部分設(shè)計:1)FIFO的寫入時序設(shè)計;2)FIFO的讀出以及存儲介質(zhì)地寫入時序設(shè)計.CCD相機的輸出時序與FIFO的寫入時序必須嚴格一致對應(yīng),而FIFO的讀出時序與存儲介質(zhì)的輸入時序也必須相對應(yīng).整個時序的設(shè)計是利用EPLD和單片機共同實現(xiàn)的.首先利用MAXPLUSII設(shè)計出所需的時序電路,經(jīng)過編譯仿真后,將其固化到ALTERA的專用芯片中.這種方法比較簡單,而且調(diào)試方便,修改容易.同時,也利用單片機對FIFO的讀出和存儲介質(zhì)的寫入時序進行了有限的控制.圖3顯示的是FIFO的寫入時序圖.圖中HSY是行同步信號,PCLK是像元時鐘,DATA是CCD相機的輸出數(shù)據(jù),RST是有效像元使能信號,WE1和WE2分別是兩組FIFO的寫使能信號.這里直接應(yīng)用了CCD相機的像元時鐘和行同步信號(此處的像元時鐘為20MHz).在行正程期間,當(dāng)有效數(shù)據(jù)到來時,時序控制一組FIFO被選中,并且設(shè)置它的寫控制信號有效,數(shù)據(jù)便在像元時鐘的驅(qū)動下,按照CCD相機的輸出順序被存入FIFO中.當(dāng)寫完一行數(shù)據(jù)后,時序控制FIFO停止寫入數(shù)據(jù),等到下一行數(shù)據(jù)到來后,繼續(xù)將下一行數(shù)據(jù)寫入到FIFO中,如此循環(huán),一直到將整個一幀數(shù)據(jù)完全寫入到FIFO中后,時序控制FIFO的寫信號無效,開始等待FIFO讀信號的到來.而當(dāng)再有數(shù)據(jù)時,時序會控制另一組FIFO進行寫入操作.圖4顯示的是FIFO的輸出時序.這一部分時序是由數(shù)據(jù)控制時鐘以及FIFO的讀出控制信號組成.這里的控制時鐘由外接的晶體振蕩器產(chǎn)生,振蕩器的輸出信號經(jīng)過整形后得到頻率大約為5M的時鐘信號.當(dāng)發(fā)出開始記錄命令時,單片機向FIFO發(fā)出讀命令以及向存儲介質(zhì)發(fā)出寫入信號,從而開始將一組FIFO中的數(shù)據(jù)在時鐘的驅(qū)動下按順序發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中,數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器后,被轉(zhuǎn)存入存儲介質(zhì)中.當(dāng)這組FIFO中的數(shù)據(jù)完全被寫入到存儲介質(zhì)后,存儲介質(zhì)向單片機發(fā)出寫入完畢中斷信號,一旦單片機接收到這個中斷信號,就會發(fā)出命令使這組FIFO的讀出和存儲介質(zhì)的寫入控制信號無效,便完成了一幀數(shù)據(jù)的存儲.在一組FIFO向存儲介質(zhì)轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的同時,FIFO寫入時序又控制CCD相機的輸出數(shù)據(jù)寫入到另一組FIFO中.這樣,在一組FIFO緩存器向存儲介質(zhì)轉(zhuǎn)存圖像數(shù)據(jù)的同時,另一組FIFO緩存器也在接收CCD的輸出數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)接收和寫盤操作同步進行,如此循環(huán),一直到所有的數(shù)據(jù)都被存儲到存儲介質(zhì)中.兩組FIFO如此交替地工作,連續(xù)不斷地將CCD相機圖像數(shù)據(jù)緩存、寫盤,于是數(shù)據(jù)就無丟失地完全被存儲到存儲介質(zhì)中.3高效的數(shù)據(jù)存儲在實際應(yīng)用中,通過在CCD相機與存儲介質(zhì)之間加入FIFO緩存器,有效地使CCD相機輸出的20MHz的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為存儲介質(zhì)可以存儲的5MHz