基于FPGA和FLASH ROM的圖像信號發生器設計

摘要：以XC2V1500-FPGA為硬件架構，設計了一種圖像信號發生器，作為自適應光學系統波前處理機的信號源，為波前處理機的調試和算法驗證提供支持。系統采用大容量的NAND型FLASH存儲數據，存儲容量為1 GB。圖像數據通過USB總線預存入FLASH ROM，在FPGA控制邏輯作用下循環讀出，并通過Camera Link接口輸出。該Camera Link接口支持base，medium，full三種模式，輸出像素時鐘頻率可以達到70 MHz。
關鍵詞：FPGA；FLASH ROM；圖像信號發生器；USB；Camera Link

0 引言
在自適應光學系統中，哈特曼波前傳感器檢測到的波前信息通過高速CCD相機采集輸出，然后由波前處理機完成斜率計算、波前復原運算和控制運算。自適應光學系統研制時，為了縮短研制周期，哈特曼傳感器和波前處理機需要同步進行設計和研制，以便同步完成后進行系統集成調試。
然而，通常都要等到哈特曼傳感器研制完成，并且配合必要的光學系統之后，才能輸出子光斑圖像給波前處理機進行調試。這樣給波前處理機的研制周期帶來了很大壓力。因此，如果可以建立一個模擬前端系統哈特曼傳感器作為子光斑圖像輸出的信號源，則可以簡化波前處理機對調試環境的要求、縮短其研制周期。本文以XC2V1500-FPGA和K9F1G16UOM-FLASH ROM為載體，設計了一種模擬哈特曼傳感器中CCD相機圖像輸出的信號發生器。該系統不僅能為波前處理機的調試提供信號源，而且還可以為已經研制完成的波前處理機提供算法驗證的支持。

1 系統原理及組成
該圖像信號發生器的基本原理如下：通過模擬產生CCD相機輸出控制時序，將特定圖像進行循環播放輸出。目標圖像數據可通過PC機進行加載，并且需要進行非易失性存儲。這樣在完成圖像加載之后，系統一經啟動就能夠將圖像數據按照要求進行輸出。目標圖像按要求均是灰度圖像，可以是單幀、也可以是多幀，可以是從相機采集而來，也可以是通過Matlab仿真模擬得到的。選擇載入不同的目標圖像序列，則系統可以完成不同的需求任務。
系統組成如圖1所示，主要由主控模塊、USB接口模塊、數據存儲模塊和Camera Link接口模塊組成。

主控模塊由一片XC2V1500-FPGA來實現。CY7C68013A芯片組成USB接口模塊，實現PC機與系統的通信功能。8片并行K9F1G16UOM-FLASHROM芯片組成數據存儲模塊，可提供1 GB的存儲空間、良好的讀寫速度。對于Camera Link接口模塊，采用3片DS90CR287、1片DS90LV019和1片DS90LV048A來實現，可以支持Carnera Link接口的初級配置(Base)、中級配置(Medium)和高級配置(Full)。Camera Link接口是一種應用最廣泛的高幀頻相機接口，具有差分傳輸、傳輸速率高的特點。
系統的任務可以分為兩個過程：首先PC機通過USB總線和FPGA將目標圖像序列寫入FLASH；然后由于FLASH是一種非易失存儲器，接下來系統一旦啟動后FPGA就能夠模擬產生CCD相機時序、將FLASH中的數據進行循環輸出。這兩個過程的實現可加載不同的FPGA程序來完成。