0 引言

    在星間激光通信系統中，光電捕獲、瞄準與跟蹤(Acquisition Pointing and Tracking，APT)平臺根據光學系統獲得的目標圖像等數據計算得到的目標空間方位信息，控制光軸精確指向目標是實現星際鏈路中全雙工無線激光可靠通信的基礎。在實際應用中，作為光、機、電一體化的精密動態定位系統，受機械系統定位精度、載體振動、電纜轉動約束等多種因素的影響，APT的跟蹤精度不可避免地存在較大誤差。對于采用高性能數字相機的小型化精密APT平臺，圖像數據傳輸電纜對APT平臺轉動的非線性擾動變得更為突出，成為影響APT跟蹤精度的一個不可忽視的因素。

    采用高速串行數據傳輸技術，減小傳輸電纜數量與重量，降低對APT轉動約束，是實現星間激光高帶寬、可靠通信必須解決的問題之一。Cameralink技術采用并串轉換與數據復用技術^[1-2]，僅用4 路LVDS差分對，有效解決了各類相機的數據高質量傳輸問題。但是，對于小型精密APT平臺，Cameralink線纜轉動約束仍是制約APT跟蹤精度的重要因素之一。采用FPGA接收Cameralink相機圖像數據，并利用吉比特高速收發模塊(GTP)實現圖像數據并串轉換與編碼傳輸^[3]，可實現任意窗口大小圖像傳輸。GTP傳輸速率在0.6~10 G范圍內可靈活配置，單路GTP即可滿足現有不同Cameralink相機圖像數據傳輸需求。采用光纖作為GTP數據傳輸介質^[4]，可進一步減小對APT平臺的轉動約束。本文針對星間激光通信具體應用，介紹了基于GTP的    Cameralink圖像數據采集與傳輸方案^[5]，對于圖像數據采集、接口匹配與并串轉換等關鍵技術的實現進行了詳細闡述，并給出了相應試驗結果。

1 系統組成

    星間激光通信光學圖像采集與傳輸系統構成如圖1所示。

    系統由圖像采集發送端和圖像接收處理端兩部分組成，其中發送端固定于APT平臺上，由Cameralink相機、Cameralink接收芯片、FPGA與光模塊構成，完成目標圖像信號采集與傳輸；接收端為遠程數據處理系統，采用光模塊接收串行圖像數據，送入FPGA進行圖像還原與VGA顯示。根據接收端FPGA獲得的目標圖像數據，可以計算目標的脫靶量信息，作為伺服系統實現目標跟蹤的計算依據。發送端和接收端之間數據傳輸采用單模光纖，以減小對APT平臺轉動的非線性擾動，提高目標角度測量精度。

2 功能模塊設計

2.1 圖像采集模塊

    在圖像采集發送端，數字相機、DS90CR288A接收器與FPGA 控制邏輯構成圖像采集模塊。數字相機MV-D1024E-40-CL-12^[6]是瑞士Photonfocus公司的一款高分辨率和高性能的線陣CMOS相機，其分辨率為1 024×1 024，滿分辨率下幀頻最大為37 f/s，像素時鐘為40 MHz，輸出的數據格式為CameraLink base配置。為降低開發難度，采用DS90CR288ACameraLink接收芯片對相機輸出的4對差分數據和1對時鐘信號，按照CameraLink協議編碼的圖像信號進行解析，將其轉換成28位并行數據(RxOUT0~RxOUT27)以及1路時鐘信號RxCLKOUT。在28位并行數據中，RxOUT0~RxOUT22和RxOUT27為圖像數據，RxOUT23~RxOUT26為圖像數據同步控制信號，分別表示行有效(LVAL)、幀有效(FVAL)、數據有效(DVAL)和空(Spare)。按照圖像數據同步控制信號時序約束，FPGA接收邏輯判斷RxOUT0~RxOUT22和RxOUT27上圖像數據的有效性，并進行本地存儲。

    CameraLink技術采用LVDS電平傳輸圖像數據與時序控制信號^[7]。為實現差分傳輸線的最大匹配及降低終端信號的反射對信號完整性的影響，在硬件設計時，需在DS90CR288A的差分對RxINx±間跨接一個100 Ω端接電阻。圖2為CameraLink接口電路原理圖。

2.2 GTP數據傳輸

2.2.1 GTP端口配置

    采用Xilinxspant6系列FPGA XC6SLX45T-2FGG484I實現圖像數據的高速串行收發。設置XC6SLX45T GTP IPcore參考時鐘為125 MHz，配置串行數據傳輸速率為2.5 Gb/s，并行輸入數據為16位方式，采用8 B/10 B編碼，并行數據時鐘tile0_txusrclk20_i頻率為：

2.2.2 GTP發送邏輯

    本設計中，GTP傳輸的有效數據為CameraLink相機A口的8位數據port_a與4位同步控制信號。為實現GTP端口與圖像輸出端口匹配，需將圖像輸出端口進行擴展：tile0_txdata0_i={標志位（1位）、填0（4位）、數據有效位（1位）、幀有效位（1位）、行有效位（1位）、A口數據（8位）}

    CameraLink相機像素時鐘頻率(camlink_clk_i)為40 MHz，GTP端口時鐘頻率為125 MHz。為滿足時序匹配，采用如下代碼：

    If(camlink_clk_i上升沿)

        tile0_txdata0_i<={1'b1,4'b0000,data_valid,fram_valid,row_valid,port_a};

    else：

        tile0_txdata0_i <= 16'h0000;

    在每一幀結束時發送comma字符和charisk信號。使用Modelsim仿真的發送端波形如圖3所示。

    由圖3看出，在幀結束（fram_valid_i為0）時，tile0_txdata0_i為16′h84bc，同時tile0_txcharisk0_i為8′h01，之后開始發送正常相機數據或填充數據。

2.2.3 GTP接收邏輯

    在接收端，GTP控制邏輯根據接收到的comma字符和charisk字符對接收到的數據進行重新組合以恢復出原始數據。若收到數據的最高位為“1”，說明數據為相機數據；為”0”則表明收到的數據為無效填充數據。使用Modelsim仿真的接收端波形如圖4所示。

    由圖4看出，當tile0_rxcharisk0_i為8′h10，tile0_rxdata0_i為16′hbc00時，表示收到了comma字符，之后收到的為圖像數據或填充數據，根據數據的最高位即可實現圖像數據的正確接收。

2.3 光電轉換模塊

    在圖像采集發送端，光電轉換模塊用以將GTP輸出CML電平信號轉換成光信號；在圖像接收處理端，則將光信號轉換成CML邏輯電平信號，以便于GTP接收。

    設計選用FiberTower公司FPP85192-SRC的SFP+數字光模塊。該模塊為單模光纖，采用SFP封裝，收發一體，帶寬達到10.3 Gb/s，損耗低，傳輸距離達到300 m，全金屬外殼屏蔽電磁干擾，適合近距離圖像信號傳輸。同時該模塊支持3G-SDI協議，可以與FPGA進行無縫連接。

3 實驗驗證

    搭建桌面實驗系統對本文設計圖像采集傳輸系統進行驗證，如圖5所示。

    圖像采集發送端由MV-D1024E數字相機、Cameralink線纜、自行開發的GTP發送板構成；圖像接收處理端由GTP接收板、VGA線、顯示器組成。

    使用Xilinx的ISE軟件的chipscope捕獲GTP發送波形，結果如圖6所示。

    由圖6看出，當tile0_txcharisk0_i為1、tile0_txdata0_i為16′h0cbc時，數據發送開始。由于在對tile0_txdata0_i組合時，有4位填寫的是固定數據0，此4位在chipscope中無顯示，tile0_txdata0_i實為16′h84bc。

    使用chipscope捕捉GTP接收端波形如圖7所示。

    在圖7中，當tile0_rxcharisk0_i為1、tile0_rxdata0_i為16′h84bc時，開始接收數據。

    對比圖6與圖7可知，本文設計圖像采集與傳輸系統可滿足設計需要。

4 結論

    在工程應用中，Cameralink數據電纜對小型化精密APT平臺的非線性擾動，在諸多影響APT跟蹤精度的因素中，已不再是一個可忽略的因素。本文采用FPGA采集Cameralink相機輸出數據，并利用GTP技術實現APT圖像采集發送端至遠程圖像接收處理端的數據傳輸，顯著降低了圖像傳輸所需線纜數量。單模光纖的使用則進一步降低了線纜的重量，從而減少數據傳輸對APT跟蹤精度的影響。本文設計的數據傳輸系統可在2.5 Gb/s波特率下實現Cameralink圖像數據的穩定傳輸，滿足工程應用需要。

參考文獻

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作者信息：

張  磊，姜會林，宋延嵩，佟首峰

（長春理工大學 空間光電技術研究所，吉林 長春130022)