CN103024306A - 多通道高速行频可变线阵ccd图像数据传输方法 - Google Patents

Abstract

多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法涉及航天航空CCD相机图像数据传输领域，包括如下步骤：根据CCD传输的通道数、像元转移时钟和TLK2711传输路数，数字锁相环时钟管理单元建立像元转移时钟与TLK2711传输时钟频率关系；TLK2711建立可靠、稳定的发送和接收传输链路；传输链路稳定后，多通道图像数据融合发送和行信号与图像数据融合发送单元开始将多通道数据融合为1路数据传输到TLK2711器，由TLK2711解串器发送至接收FPGA处理器中。多路高速行频可变线阵CCD相机的图像数据传输的方法是多通道图像数据融合为1路数据，大大缩减了航天航空遥感相机数传***的线缆。

Description

多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法

技术领域

本发明涉及航空航天CCD相机图像数据传输领域，尤其涉及一种多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输的方法。

背景技术

在高分辨率航空航天遥感应用中，随着线阵CCD相机的视场和分辨率指标不断提高，所采用的CCD输出路数、拼接片数和单端口读出速率也在不断提高，从而导致数字化后的图像数据量呈指数增加，加之CCD相机在轨工作行频实时变化，导致图像数据传输十分困难。现有的基于LVDS和Camera Link图像数据传输方式不具备高速(数传并行时钟超过85MHz)传输能力，而采用多路LVDS和Camera Link传输导致***传输电缆增多，体积庞大；采用目前适于高速应用的光纤传输方式价格昂贵且容易导致传输***模块增多，体积庞大，增加CCD相机负荷。

现今多数航空航天遥感线阵CCD输出的模拟视频信号经A/D转换后的图像数据位数高于8而低于16，且图像数据以行为单位实时输出的，每行包括有效像素和消隐像素。有效像素包括图像数据和辅助数据，消隐像素为无效像素，相机在轨工作时为了进行异速匹配消隐像素数需要进行实时的调整，导致各通道CCD行频实时变化，且具有随机性。通常采用间歇式传输的办法即先将A/D并行输出的图像数据缓存到高速缓存器SDRAM中，缓存若干行后读取SDRAM数据并通过LVDS或Camera Link进行传输。由于SDRAM在读写操作时还需预冲、激活及定时刷新等操作增加了读写开销，同时为了保证缓存实时性需要采用RAM作为辅助缓存。在行频可变的线阵CCD应用中，需进一步来处理可变的行中断事件，提高SDRAM的读写时钟频率，不仅增加了***复杂性和功耗，而且对电磁兼容性设计也提出了苛刻的要求；在高速（数传并行时钟超过85MHz）情况下进行图像数据缓存和位数的转换也是个难题，且容易导致图像数据的丢失。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多通道高速（数传并行时钟超过85MHz）行频可变线阵CCD相机的图像数据传输的方法。针对航空航天遥感线阵CCD输出特点，把各通道CCD图像行信号看作1bit数据，与图像数据合并。然后采用时钟倍频关系策略将多通道并行图像数据融合为1通道并数据输入到高速串化器TLK2711中，高速串化器TLK2711进行串化后通过同轴线缆传输。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法，该方法包括如下步骤：

步骤一： 根据CCD传输的通道数、像元转移时钟和TLK2711传输路数，发送FPGA处理器中的数字锁相环时钟管理单元建立像元转移时钟与TLK2711传输时钟频率关系；

步骤二： TLK2711串化器和TLK2711解串器建立可靠、稳定的发送和接收传输链路；

步骤三： 传输链路稳定后，发送FPGA处理器中的多通道图像数据融合发送和行信号与图像数据融合发送单元开始将多通道数据融合为1路数据传输到TLK2711串化器，TLK2711串化器将其数据编码，并将编码后的串行数据通过同轴线缆传输到TLK2711解串器中，TLK2711解串器接收到数据，并解串化后变为并行数据，然后由TLK2711解串器发送至接收FPGA处理器中。

本发明的有益效果是：

1、多路高速行频可变线阵CCD相机的图像数据传输的方法是多通道图像数据融合为1路数据，通过TLK2711串化为串行数据通过一对50Ω同轴线缆传输。大大缩减了航天航空遥感相机数传***的线缆。

2、多路高速行频可变线阵CCD相机的图像数据传输的方法解决了对于像元转移时钟频率较高的常用航空航天遥感相机数传难以实现的问题，将数传***的传输速率提高到了G级bps的速率上，而且操作起来十分简单。

3、多路高速行频可变线阵CCD相机的图像数据传输的方法中将行信号和图像数据融合一起发送，解决了航空航天遥感相机中由于行频可变导致数据传输复杂的问题。

4、在TLK2711发送图像前发明了建立链路传输的启动和建立稳定传输数据链路提高了图像数据传输的可靠性。

5、多路高速行频可变线阵CCD相机的图像数据传输的方法可以根据像元转移时钟和CCD传输通道数可以确定传输方式，并给出了具体传输相位关系和频率换算公式。

附图说明

图1本发明高速行频可变线阵CCD单通道图像数据传输***简化图。

图2本发明单通道数据传输关系时序图。

图3 CCD传输通道数大于2时多通道CCD数据融合策略一。

图4 CCD传输通道数大于2时多通道CCD数据融合策略二。

图5 CCD传输通道数大于2时多通道CCD数据融合策略三。

图6 多路高速行频可变线阵CCD图像数据传输***结构图。

图7 建立链路传输的启动流程图。

图8 自校数据建立时序图。

图9 建立稳定传输数据链路流程图。

图10 TLK2711数据总线各比特传输信号。

图11 多通道CCD数据融合发送状态转移图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，1通道线阵CCD图像数据是以行为单位输出的，每行由有效像素和无效像素组成，有效像素数是固定不变的，有效像素对应的Line信号为“1”。无效像素数由于相机在轨工作为了进行异速匹配需要实时调整，无效像素数对应的Line信号为“0”。有效像素和无效像素的像元移转移时钟C的频率f₁始终是相同的，当无效像素数变化导致Line的频率F发生变化。设图像数据为k bit，8＜k≤14，将1 bit的Line信号看作为像素数据，这样图像数据变为（k+1）bit，将（k+1）bit并行数据输入到串化器TLK2711输入数据总线低k+1位。这样图像数据不经缓存直接输入到串化器TLK2711中，且行频的变化只是使16bit的数据总线的某位的“1”和“0”变化，不影响数据传输也不需要对Line信号进行专门的判断处理等。

对于串化器TLK2711的并行传输时钟TXCLK的频率f₂与像元转移时钟频率f₁的关系为f2=n_channel×f1（1）

其中n_channel为传输CCD通道数。

当n_channel=1时，由于TLK2711的并行时钟频率85MHz≤f₂≤135 MHz，而f₁的频率远低于85MHz，传输时采用多次采样策略，设每个图像像素采样次数为m，则m满足下列公式

$\frac{85\mathrm{MHz}}{f1}\≤m\≤\frac{135\mathrm{MHz}}{f1}---\left(2\right)$

这样每m个传输时钟传输1个图像像素，图像数据传输关系如图2所示。图像数据接收时每m个接收时钟接收1个图像数据，并根据接收的数据恢复出行使能信号，根据接收时钟恢复出像元转移时钟f₁=f₂/m。

当n_channel>1时，需要将n_channel的CCD图像数据融合为1路，首先从像元转移时钟和TLK2711传输时钟的频率关系分析，多通道CCD的像元转移时钟频率通常均相同，设为f₁，则1路TLK2711可传输的CCD通道数n_channel范围为

$\frac{85\mathrm{MHz}}{f1}\≤n_{\mathrm{channel}}\≤n_{\mathrm{channel}}{|}_{\max }=\frac{135\mathrm{MHz}}{f1}---\left(3\right)$

当n_channel＞n_channel|_max则采用多路TLK2711进行传输。当n_channel＜n_channel|_max时，传输时钟f₂满足

f2=n_channel×f1×k+m×f1≥85MHz                （4）

其中，k，m为正整数。通过调整k，m使f₂满足上式。根据k和m的大小采用不同的多通道CCD数据融合策略。：

融合策略1：当m=0,k=1时，多通道融合关系如图3所示。TLK2711时钟频率是像元转移时钟频率的传输通道数倍，一个像元转移周期内依次传输各通道中的一个像元数据（行信号、像素时钟、图像数据融合数据）。

融合策略2：当m=0,k>1时，以k=2为例，多通道融合关系如图4所示。TLK2711时钟频率是像元转移时钟频率与传输通道数乘积的整数倍，此时，一个像元转移周期内依次对每个通道中的一个像元数据传输k次，直到所有通道传输完。图4中对每通道中的一个像元传输2次。

融合策略3：当m≠0,k≠0时，此时,表示TLK2711的发送时钟频率f₂不是k×n×f₁的整数倍，这时在一个像元转移周期多余出m通道图像数据，采用发送时发送固定数据的办法，在接收时只需接收前面的图像数据，固定数据丢弃掉不接收。以k=1为例，多通道数据融合关系如图5所示。图中一个像元转移周期内依次传输各通道中的一个像元数据（行信号、像素时钟、图像数据融合数据）后在传输m通道固定数据。

将多通道CCD图像数据融合后，1路图像数据通过TLK2711发送，TLK2711将16比特输入数据进行8/10 bit编码为20bit，其中8/10 bit编码用来确保最小传输密度，有利于转换前后时钟同步，此外确保串行传输中“0”，“1”信号数量一致，以获得更好直流平衡性，抑制收发两端参考电压差异的影响。发送并行时钟20倍频为串行传输时钟，然后通过50Ω同轴线缆以20×f2bps速率进行串行传输。为了使TLK2711稳定可靠地工作需要在设置1 bit链路建立位，这里以最高位作为建立位Start，同时还需要初始化稳定发送策略，详见本发明的多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输***工作过程。

如图6所示，多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输***包括：发送FPGA处理器、TLK2711串化器、50Ω同轴线缆、TLK2711解串器和接收FPGA处理器；TLK2711串化器与TLK2711解串器采用50Ω同轴线缆直接相连。

FPGA处理器包括数字锁相环时钟管理单元、多通道图像数据融合发送和行信号与图像数据融合发送单元、TLK2711的控制信号产生和初始化链路建立单元。数字锁相环时钟管理单元产生像元转移时钟和TLK2711发送时钟，且根据上面的分析产生倍频关系，如设空间相机采用9片全色CCD拼接而成，每片CCD采用4通道输出，每通道像元数为3000，像元转移时钟为22MHz，由公式(3)求得1路TLK2711可传输的CCD通道数4≤n≤6，取n=6，对于9片36通道CCD只需6路TLK2711就可以传送完。由公式(1)可求得TLK2711的传输时钟为6×22=132MHz, 22MHz和132MHz可由数字锁相环时钟管理单元产生。多通道图像数据融合发送和行信号与图像数据融合发送状态机根据图3-图5的多通道数据融合发送关系将图像数据和行信号输入到TLK2711中。TLK2711的控制信号产生和初始化链路建立单元确保TLK2711稳定传输数据，在该单元发明了初始化稳定链路建立策略，进而保证CCD图像数据传输的可靠性和稳定性。TLK2711串化器将接收到的并行数据进行编码，然后通过50Ω同轴线缆进行传输。

多路高速行频可变线阵CCD图像数据传输的方法包括如下三个步骤：

步骤一、根据CCD传输的通道数、像元转移时钟和TLK2711传输路数，发送FPGA处理器中的数字锁相环时钟管理单元建立像元转移时钟与TLK2711传输时钟频率关系；

如图2所示，m片CCD采用n通道数据输出，每通道像元转移时钟频率为f1，视频处理器采用k bit的A/D转换器。1路TLK2711可传输的CCD图像通道数为

，n_tlk2711可取

~

任何值，取的值保证整个传输***需要的TLK2711传输路数l为整数，则。TLK2711传输时钟频率f2为f2=f1×n_tlk2711。

步骤二、TLK2711发送图像数据前先建立发送和接收可靠、稳定的传输链路。

为了使TLK2711更加快速稳定地进入正常工作传输状态，发明了TLK2711初始化链路建立策略。首先，建立链路传输的启动，定义TLK2711数据总线最高位Txd[15]为启动标志为Start，根据数据总线传输的k码和d码选择控制信号TKLSB和TKMSB，启动传输链路。启动流程如图7所示。

***上电，待电压稳定后，发送端TLK2711的TKLSB和TKMSB置0，发送端TLK2711数据线输入16比特固定数据，其中Start置为1，一直发送该固定数据时间为3000×1/f2秒，然后将TKLSB和TKMSB置0，Start仍置为1，其数据线输入相同的16比特固定数据，一直发送该固定数据时间为3000×1/f2秒，上述两个过程，是保证数据线数据部发生变化，稳定电路***中的控制信号TKLSB和TKMSB，其中发送时间为控制信号由不稳定到稳定的过度时间。然后返回到第一次发送状态，即TKLSB和TKMSB置0，其数据线输入16比特固定数据，其中Start置为1，并延时3000×1/f2秒后。保证已近稳定的控制信号TKLSB和TKMSB不变，改变数据信号，同样执行2次，待数据信号稳定后，转移到建立稳定传输数据链路阶段。

其次，建立稳定传输数据链路。通过传输自校数据来建立稳定传输数据链路，首先根据CCD数据行信号和像元转移时钟建立自校数据，建立关系如图8所示，行信号和像元转移时钟信号采用CCD成像单元发送来的，自校数据采样自加的方式，即每行第1个像素值为0x01,每个像素依次加1，到行有效时像素值为0x00。最终产生自校验数据，然后将自交数据、行信号以及像元转移时钟信号融合为并行16比特数据，输入到TLK2711中传输。传输自校数据采用图2的单通道传输关系，传输流程如图9所示。图中，传输链路启动为步骤2过程，当传输链路启动结束后，转移到发送数据状态，即TKLSB,TKMSB置0，Start置1. 然后发送图8产生的自交数据、行信号。将图8的自交数据Check_data，行信号LEN以及Start信号融合为16比特数据赋给TLK2711数据线TXD_DATA[15:0]，然后进行发送，并延时9000000×1/f2秒后，并执行7次上述法送的自交数据，这段时间内***传输数据链路会由不稳定过渡到稳定状态。

步骤三、传输数据链路稳定后，开始将多通道数据融合为1路数据传输到TLK2711中。

每通道CCD数据包括3个信号：图像数据、行使能和像元转移时钟，像元转移时钟与TLK2711传输时钟具有固定频率关系，因此不需要单独传输像元转移时钟。需要传输的信息为图像数据和行信号，为了避免行频可变导致数据传输复杂的问题，定义TLK2711数据总线第14位传输行信号，传输各通道CCD数据的行信号，如图10所示，TLK2711的16比特数据线的数据结构，其中第13~0比特发送图像数据，第14比特发送行信号，第15比特为开始标志信号。这种数据结构实现了将CCD行信号和图像数据融合到16比特数据同时传输，进而解决了行频可变导致数据传输的麻烦。这样将图像数据与行信号融合在一起传输，当TLK2711数据总线第14位为“1”时，表示第0~13位为有效像素。将多通道CCD数据融合为1路数据传输，1路TLK2711传输n_tlk2711通道CCD图像数据，融合传输状态机如图11所示。图中，初始状态为空闲Idle状态，然后执行步骤一和步骤二时使数据传输链路稳定，稳定后进入数据发送状态Data_send, Data_send状态将起始标志Start信号，第1通道CCD行信号、第一个像元的图像数据发到TLK2711的16比特数据线中，待第1通道CCD数据发送完成后，发送第二通道第一个像元的图像数据和行信号，依次，直到所有通道发送第一个像元数据后，发送策略根据3种融合策略发送。然后采用相同的方式，发送各通道第二个像元数据，依次类推，完成了多通道CCD图像数据的传输后，将数据传输至接收FPGA处理器中。

Claims (4)

1.多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一： 根据CCD传输的通道数、像元转移时钟和TLK2711传输路数，发送FPGA处理器中的数字锁相环时钟管理单元建立像元转移时钟与TLK2711传输时钟频率关系；

步骤二： TLK2711串化器和TLK2711解串器建立发送和接收传输链路；

步骤三： 传输链路稳定后，发送FPGA处理器中的多通道图像数据融合发送和行信号与图像数据融合发送单元开始将多通道数据融合为1路数据传输到TLK2711串化器，TLK2711串化器将其数据编码，并将编码后的串行数据通过同轴线缆传输到TLK2711解串器中，TLK2711解串器接收到数据，并解串化后变为并行数据，然后由TLK2711解串器发送至接收FPGA处理器中。

2.如权利要求1所述的多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：首先，建立链路传输的启动，定义TLK2711数据总线最高位为Start，根据数据总线传输的k码和d码选择控制信号，启动传输链路；其次，建立稳定传输数据链路，通过传输自校数据来建立稳定传输数据链路，根据CCD数据行信号和像元转移时钟建立自校数据，传输自校数据采用单通道传输关系。

3.如权利要求1所述的多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法，其特征在于，所述步骤三包括如下步骤：首先，计算TLK2711频率和像元转移时钟频率关系，确定融合策略，然后根据融合策略进行发送多通道CCD数据。

4.如权利要求1所述的多通道高速行频可变线阵CCD图像数据传输方法，其特征在于，所述同轴线缆为50欧姆。

Images