紅外相機(jī)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)存儲技術(shù)

嚴(yán) 帥，孟令軍，胡肖斌，尹維漢

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

責(zé)任編輯:孫 卓

0 引言

在航天航空技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要采集大容量高精度的紅外圖像信息，對于有些信息專業(yè)人員無法現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，只能先存儲備份，然后讀取分析采集到的圖像數(shù)據(jù)并還原顯示在計(jì)算機(jī)上。由于圖像傳輸速度快、容量大，而Flash的存儲速度一般不超過40 Mbyte/s，本文充分利用乒乓緩存的思想對高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)無縫緩存，避免了圖像快速傳輸過程中的丟數(shù)現(xiàn)象，利用流水線技術(shù)寫Flash，解決了Flash寫入速度的限制。與傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有存儲速度快、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)采用Altera公司Cyclone II系列EP2C35F484C6芯片作為主要控制核心[1]，紅外相機(jī)捕捉到的視頻圖像信號通過LVDS接口電路進(jìn)入解碼模塊，經(jīng)FPGA處理過的圖像數(shù)據(jù)通過乒乓結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)無縫緩存，最后用流水線寫Flash技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)存儲在NAND Flash閃存陣列。存儲的圖像數(shù)據(jù)在需要時(shí)可用分析軟件通過FT245控制的USB 2.0接口讀出并將圖像顯示在計(jì)算機(jī)上，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.1 圖像解碼模塊

本系統(tǒng)采用National公司差分接收芯片DS90CR216作為視頻解碼芯片，經(jīng)LVDS接口電路解碼后的信號主要有幀同步信號（vsync）、行同步信號（hsync）、像素時(shí)鐘（mclk）以及8位數(shù)據(jù)，其中，像素時(shí)鐘為29.5 MHz，行同步周期為64μs，高電平有效，每行有384個(gè)有效像素，幀同步周期為20 ms，高電平有效，每幀有289行有效數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿變化，因此選擇2片128 kbyte的SRAM即可滿足要求。解碼后圖像信號時(shí)序如圖2所示。

1.2 數(shù)據(jù)無縫緩存設(shè)計(jì)流程

乒乓緩沖技術(shù)是FPGA設(shè)計(jì)中最常用的一種數(shù)據(jù)緩沖方法，其最大的特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無縫緩沖與節(jié)約緩沖區(qū)空間[2]。

本系統(tǒng)每秒傳輸50幀圖像，每幀期間幀同步高電平時(shí)間約為18.5 ms，低電平時(shí)間約為1.5 ms，如果在幀同步低電平1.5 ms的時(shí)間內(nèi)從SRAM中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至Flash，會(huì)產(chǎn)生丟數(shù)。因此，為了給數(shù)據(jù)處理單元贏得更多的處理時(shí)間[3]，采用的乒乓緩沖模塊工作流程為:當(dāng)幀同步信號為高電平時(shí)，將經(jīng)過FPGA處理過的圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM1，同時(shí)地址計(jì)數(shù)器1開始遞加計(jì)數(shù)，此時(shí)地址計(jì)數(shù)器的值一方面為FPGA數(shù)據(jù)處理模塊提供觸發(fā)參考，另一方面也為緩存空間提供了參考。當(dāng)幀同步為低電平時(shí)，F(xiàn)PGA控制乒乓緩存邏輯切換總線開關(guān)，開始選擇SRAM2為寫空間，將SRAM1切換為讀空間以讀取緩存在SRAM1中的圖像數(shù)據(jù)，此時(shí)地址計(jì)數(shù)器1開始遞減計(jì)數(shù)，當(dāng)SRAM1中的數(shù)據(jù)全部讀出后，地址計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)到0。當(dāng)幀同步信號再次變高后，將圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM2，地址計(jì)數(shù)器2遞加計(jì)數(shù)，等待幀同步為低電平時(shí)，切換讀寫信號，選擇SRAM2為讀空間，SRAM1為寫空間，開始讀取SRAM2中的數(shù)據(jù)同時(shí)地址計(jì)數(shù)器2的值開始遞減計(jì)數(shù)，同樣當(dāng)SRAM2中的數(shù)據(jù)全部讀出后，地址計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0。待幀同步又一次為高電平時(shí)，將圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM1中，地址計(jì)數(shù)器1開始遞加計(jì)數(shù)。如此循環(huán)切換讀寫空間，將緩存在2片SRAM中的數(shù)據(jù)讀出并存入Flash中。乒乓操作讀寫時(shí)序如圖3所示。

2 Flash陣列流水線存儲流程

2.1 芯片簡介

選用三星公司容量為1 Gbyte的閃存K9K8G08U0A，它由8192個(gè)存儲塊組成，每個(gè)存儲塊分為64頁，每頁容量為2 kbyte，其外部有8個(gè)I/O引腳和6個(gè)信號管腳，而這8個(gè)I/O腳既是命令和地址的輸入引腳，也是數(shù)據(jù)的輸入輸出端口。該閃存是一種高密度非易失性的存儲器，主要特點(diǎn)為:1）讀、寫（編程）操作均以頁為單位，擦除以塊為單位。2）讀取每頁時(shí)間為20μs，頁編程的典型時(shí)間是200μs，塊擦除的典型時(shí)間是1.5 ms。3）頁寄存器寫入最低時(shí)間是50μs，頁編程的最大時(shí)間是700μs，塊擦除的最大時(shí)間是2 ms。由于每次進(jìn)行頁編程之前都需要寫頁地址，不難計(jì)算出寫一頁所需時(shí)間為250～750 μs，寫入的速度約2.6000～7.8125 Mbyte/s。實(shí)驗(yàn)證明，頁編程的時(shí)間正是限制Flash存儲速度的關(guān)鍵因素，因此在對其進(jìn)行頁編程操作時(shí)采用流水線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速大容量Flash的存儲[4]。

2.2 Flash存儲設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)所采用的流水線技術(shù)主要分為3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):1）向Flash加載編程指令、地址以及數(shù)據(jù)；2）待加載完成之后，F(xiàn)lash芯片會(huì)自動(dòng)執(zhí)行將載入到頁數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)部存儲單元的編程操作[5]；3）當(dāng)自動(dòng)編程結(jié)束后，由FPGA下發(fā)“70h”讀狀態(tài)指令以檢測Flash的I/O口最低位是否為“0”，如果是，表示編程成功，頁計(jì)數(shù)器遞加并繼續(xù)對下一頁編程，當(dāng)頁計(jì)數(shù)器從0加到63后，頁計(jì)數(shù)器清0，塊計(jì)數(shù)器加1，繼續(xù)進(jìn)行頁編程操作，當(dāng)塊計(jì)數(shù)器遞加至8192塊時(shí)，停止對Flash的頁編程操作，等待上位機(jī)的讀Flash指令。流水線存儲的示意圖如圖4所示。

由于每次對Flash加載數(shù)據(jù)和地址后總是有大概200μs以上的時(shí)間花費(fèi)在芯片編程上，所以可用多片1 Gbyte的Flash組成流水線工作模式:在第1片加載完成執(zhí)行編程時(shí)可以加載第2片F(xiàn)lash，待第2片F(xiàn)lash編程時(shí)又加載第3片F(xiàn)lash，依此操作執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的復(fù)用，縮短了Flash陣列的有效頁編程時(shí)間，從而提高了寫Flash的整體速度。如果工程項(xiàng)目要求寫Flash的速度應(yīng)為60 Mbyte/s，用5片F(xiàn)lash組成流水線操作模式，那么每片的速度應(yīng)為12 Mbyte/s，經(jīng)計(jì)算加載一頁數(shù)據(jù)到Flash寄存器的時(shí)間大概為162.76 μs，而700 μs÷162.76 μs≈4.3，所以采用5級本系統(tǒng)的流水線技術(shù)是可以滿足設(shè)計(jì)要求的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)經(jīng)多次實(shí)際存儲紅外相機(jī)捕捉視頻圖像的實(shí)驗(yàn)，用讀數(shù)軟件從Flash中將數(shù)據(jù)讀取出來后再經(jīng)過Mat?lab處理還原，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和可靠性。圖5為捕捉到的一張男士揮手的紅外圖。

4 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):1）以FPGA為邏輯控制核心，采用乒乓緩存模塊將紅外相機(jī)下發(fā)的高速大容量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存能避免因傳輸速度太快而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟幀的現(xiàn)象。采用流水線陣列存儲，打破了傳統(tǒng)存儲方式下Flash存儲速度不能超過40 Mbyte/s的束縛，實(shí)現(xiàn)了高速大容量存儲技術(shù)的突破。2）系統(tǒng)占用體積小，成本低，硬件電路簡單，調(diào)試方便，能完成大量視頻數(shù)據(jù)的無縫緩存和實(shí)時(shí)存儲。3）為高速大容量數(shù)據(jù)可靠記錄、高速實(shí)時(shí)準(zhǔn)確存儲提供了有效的技術(shù)方案，并在多次實(shí)際應(yīng)用中以其穩(wěn)定、可靠的性能得到廣泛的應(yīng)用。

[1]宋海吒，唐立軍，謝新輝.基于FPGA和OV7620的圖像采集及VGA顯示[J].電視技術(shù)，2011，35（5）:45-47.

[2]姚遠(yuǎn)，李辰.FPGA應(yīng)用開發(fā)入門與典型實(shí)例:修正版[M].北京:人民郵電出版社，2010.

[3]譚樹人，張茂軍，徐偉.多傳感器同步圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2006，30（9）:84-87.

[4]楊海濤，蘇濤.基于FPGA的高速大容量固態(tài)存儲設(shè)備設(shè)計(jì)[J].國外電子元器件，2007（5）:68-72.

[5]劉瑞，黃魯，陳楠.基于Flash的高速大容量固態(tài)存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2009，28（4）:10-14.