【高清視頻案例分享】CameraLink接口的PCIe採集卡 ，基於FPGA開發平台

一、CameraLink簡介

CameraLink是一種高速、可靠的相機接口標準，它專為滿足高性能相機與圖像採集卡之間的數據傳輸需求而設計。該標準定義了相機與採集卡之間的電氣接口、機械接口以及數據傳輸協議，確保了數據能夠在高帶寬、低延遲的情況下進行傳輸。

工作原理

CameraLink攝像頭通過其內部的圖像傳感器（如CMOS或CCD傳感器）將光信號轉換為電信號。圖像傳感器中的像素單元會根據接收到的光強度產生相應的電荷或電壓變化。這些電信號經過模擬前端電路的處理，包括放大、濾波等操作，然後被轉換為數字信號。

數字信號隨後按照CameraLink協議進行編碼，並通過CameraLink接口傳輸到圖像採集卡。在傳輸過程中，數據會被分組並添加相應的控制信息，以確保數據的準確傳輸和同步。

優勢

高帶寬：CameraLink能夠支持非常高的數據傳輸速率，可滿足高分辨率、高幀率攝像頭的需求。例如，一些高端的CameraLink攝像頭可以實現數Gbps的傳輸速率，這使得在短時間內能夠傳輸大量的圖像數據。

可靠性：該接口標準採用了成熟的電氣和機械設計，具有良好的抗干擾能力。同時，其數據傳輸協議包含了多種錯誤檢測和糾正機制，確保了數據在傳輸過程中的準確性和完整性。

兼容性：CameraLink標準得到了眾多相機和圖像採集卡廠商的支持，市場上有豐富的產品可供選擇。這使得系統集成商能夠根據不同的應用需求，靈活選擇合適的攝像頭和採集卡進行搭配。

應用場景

工業檢測：在工業生產線上，需要對產品進行高精度的檢測，如電子元器件的檢測、汽車零部件的質量檢測等。CameraLink攝像頭的高分辨率和高幀率特性，能夠快速、準確地捕捉產品的細節圖像，為後續的分析和判斷提供依據。

醫療成像：在醫療領域，如X射線成像、超聲成像等，需要獲取清晰、準確的人體內部圖像。CameraLink攝像頭的高可靠性和高畫質傳輸能力，能夠滿足醫療成像對圖像質量的嚴格要求。

科學研究：在天文學、生物學等科學研究領域，常常需要對遠距離或微觀的物體進行觀測和記錄。CameraLink攝像頭能夠提供高分辨率的圖像採集，幫助科研人員獲取更詳細的研究數據。

下圖是給大家展現的CameraLink接口模塊：

圖 1 FMC_Cameralink子卡

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二、PCle簡介

PCI Express（簡稱PCIe）是一種高速串行計算機擴展總線標準，它逐漸取代了傳統的PCI、AGP等總線。PCIe具有更高的帶寬、更低的延遲以及更好的擴展性，能夠滿足現代計算機系統對高速數據傳輸的需求。

工作原理

PCIe採用了點對點的串行連接方式，每個設備都通過專用的鏈路與主機或其他設備進行連接。數據在鏈路上以差分信號的形式進行傳輸，通過將數據分成多個數據包，並在每個數據包中添加地址、控制信息等，實現數據的準確傳輸。

PCIe總線支持多種速率，如1.0版本的2.5Gbps、2.0版本的5Gbps、3.0版本的8Gbps以及4.0 版本的16Gbps等。同時，它還支持多通道連接，通過增加通道數量可以進一步提升總帶寬。

優勢

高帶寬：與傳統總線相比，PCIe能夠提供更高的帶寬。例如，在x16通道的PCIe4.0接口下，總帶寬可達32GB/s，這使得大量的數據能夠在極短的時間內傳輸完成。

低延遲： e的設計旨在減少數據傳輸的延遲，它通過優化數據包的傳輸機制和硬件架構，使得數據能夠快速地從源設備傳輸到目標設備。這對於實時性要求較高的應用，如視頻流處理、高速數據採集等非常重要。

熱插拔支持：PCIe設備支持熱插拔功能，即在計算機運行過程中，可以直接插入或拔出 PCIe設備，而不會對系統造成損害。這大大方便了設備的安裝和維護。

擴展性好：PCIe總線允許在一個系統中連接多個設備，並且可以通過擴展塢等設備進一步擴展系統的接口數量。這種良好的擴展性使得計算機系統能夠滿足不同應用場景下對設備數量和種類的需求。

在圖像中傳輸中的應用

在CameraLink攝像頭採集系統中，PCIe傳輸技術扮演着重要的角色。圖像採集卡通過PCIe接口與計算機主機相連，將從CameraLink攝像頭接收到的圖像數據快速傳輸到主機內存中。由於PCIe的高帶寬和低延遲特性，能夠確保圖像數據在傳輸過程中不會出現卡頓或丟失的情況，從而為上位機的實時處理和顯示提供穩定的數據支持。

圖 2 Kintex7開發板的PCIe接口

三、FPGA開發平台

本次案例FPGA開發平台所採用的是正點原子的Kintex7開發板，Kintex7開發板採用Xilinx公司的Kintex7系列芯片XC7K325TFFG900-2I和XC7K410TFFG900-2I。Kintex7開發闆闆載DDR3x4、千兆以太網x2、HDMI接口x2（輸入輸出各一個）、PCIe2.0x8、SFPx2和FMC_HPC等高速接口，非常適合工業控制、圖像處理、高速通信、AI等領域。

圖 3 Kintex7開發板

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Kintex7開發板優勢

芯片性能強勁：

採用Xilinx的K7系列芯片，具備強大的並行處理能力和海量的可編程邏輯資源。適合高度定製化的硬件加速需求，在實時計算、信號處理、多數據流並行處理等應用中，能使開發板的計算能力與靈活性大幅提升。

接口資源豐富：

1.高速存儲與傳輸：板載DDR3x4內存，為數據存儲和處理提供了充足的空間和較高的讀寫速度。配備PCIe2.0x8 接口，可用於連接高速存儲設備、AI加速卡、GPU等，滿足海量數據處理需求。

2.網絡通信：擁有2個千兆以太網接口，便於實現高速網絡通信，適用於工業控制、高速通信等領域中設備之間的網絡連接和數據傳輸。還有2個SFP光口，每路速率可達10Gbps，可用於長距離、高速率的光通信，拓展了通信距離和速度。

3.視頻處理：具備2個HDMI 接口，支持4K30幀的視頻輸入輸出，能夠滿足高清視頻處理和顯示的需求，適合圖像處理、AI等領域中對視頻數據的採集和顯示應用。另外還板載攝像頭接口，方便連接攝像頭進行圖像採集。

設計靈活：

採用核心板加底板的形式，板上很多資源都可以靈活配置，以滿足不同條件下的使用，也方便用户進行二次開發；

Kintex7開發板應用領域

圖 4 Kintex7開發板應用領域

四、CameraLink接口的PCle採集卡方案演示

本文主要介紹基於Kintex7開發板的採集卡案例，適用開發環境如下：

Windows開發環境： Windows 10 64bit

FPGA端開發環境：Xilinx Vivado 2023.1

硬件平台：Kintex7開發板+ FMC_Cameralink子卡+CameraLink接口攝像頭

案例説明

使用工業相機接到FMC_Cameralink子卡上面的CameraLink接口，開發板將FMC_Cameralink子卡傳輸的視頻數據進行解碼，然後再驅動PCIe接口將攝像頭數據傳輸到PC端，最後在PC端通過上位機來顯示CameraLink攝像頭採集的圖像。系統框圖如下所示：

圖 5 系統框圖

案例實現

請將FMC_Cameralink子卡、CameraLink相機、Kintex7開發板和電腦主機對應連接，硬件連接如下圖所示

圖 6 案例實物連接

Kintex7開發板插入電腦主機的PCIe卡槽後，電腦開機，運行PCIeVideo上位機，採集的畫面如下所示：

圖 7 攝像頭採集的畫面

到這裏，我們的演示步驟結束。想要查看更多Kintex7開發板更多相關的案例演示，歡迎各位工程師掃描下方二維碼下載，快來試試吧！