高帧频激光光斑采集系统设计
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2020-10-17
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高帧频激光光斑采集系统设计高帧频激光光斑采集系统设计
随着半导体技术的发展，COMS图像传感器的灵敏度、分辨率动态范围不断提高，采用高速COMS图像传感器
替代传统的CCD图像传感器作为激光通信中APT系统的激光光斑探测单元是APT发展的一种趋势。提出了一种
基于高速LUPA-300 COMS图像传感器、DSP和FPGA的通用型高帧频光斑采集系统。FPGA内部生成的异步
FIFO作为图像传感器与DSP之间的数据缓冲器，简化了系统结构布局，提高了系统稳定性。经过硬件电路设
计、调试、软件部分调试等工作，最终实现了每秒钟1 000帧128×128图像的数据采集，可用于高速激光光斑的
采集。
激光光通信系统中，通信链路成功建立主要是由激光通信设备中的APT系统完成的。APT系统利用光电图像传感器摄取视频
信号，送入图像处理单元进行处理和分析，计算目标光斑在每一帧的坐标偏移，控制天线轴的姿态，进而实现通信终端双方自
动瞄准、捕获和跟踪。但激光通信环境复杂，容易受到各种干扰造成跟踪失败[1]。目前消除干扰的传统做法是提高跟踪带
宽，即利用
1 系统硬件设计系统硬件设计
系统设计的难点在于高速图像的获取并在最短的时间内完成图像的处理。为此，系统选用了LUPA-300高速COMS图像传感
器作为高速图像获取单元实现高速图像的采集。该款图像传感器最大速率为80 Mb/s，在面阵输出有效像素640×480
时，帧频可达到250 f/s。支持开窗功能，通过3线SPI接口对图像传感器进行灵活配置，在窗口面积为128×128时帧频更
可高达3 790 f/s
[2
]。同时选取高性价比的DSP处理芯片
另外，为了方便控制图像传感器，图像传感器采集的图像信息还需要正确地传输到DSP中，以实现图像采集与图像处理并
行运行。图像传感器的控制要求控制单元必须有大量的I/O口，如图像传感器启动信号、时钟信号、帧有效信号和行有效信号
等。同时这些控制功能的实现要求系统具有高度的并行性，所以系统还搭载了一块FPGA。这里采用Xilinx公司Spartan-3AN系
列的XC3S200AN，该芯片能提供了256路的I/O口，内部还嵌入大量的Block RAM，可以满足系统的需要。针对这一设计，给
出系统的总体原理框图如图1所示。
2.1.2 TMS320C6413中中EDMA模块参数配置模块参数配置
利用EMDA后台传输数据的能力，在不影响或基本不影响CPU处理速度的情况下，做并行数据传输[4]。系统中EDMA通道4
用来搬移异步缓冲器中的图像数据到TMS320C6413芯片内存中。为了满足系统的需要，对EDMA模块其进行了如下配置：主
控寄存器OPT配置为0x1a00060;ESIZE=00b传输元素的字长为32 bit，SUM=00b源地址固定不变，DUM=01b按照目的地址元
素大小更新，FS=1b事件用作帧同步。其中寄存器控制域的含义可以查阅相关手册，源地址寄存器0xb0000000，目的地址寄
存器0x20400，传输计数寄存器0x4000。
2.1.3 TMS320C6413读取数据过程分析读取数据过程分析
FPGA每采集完一帧图像数据，异步缓冲器FIFO根据满标志位通过DSP外部中断引脚4触发EDMA通道4搬移一帧图像数
据。根据EDMA配置，EMDA通道4在每一个中断信号产生后搬移一幅128×128 B的图像数据，通道4完成一帧图像搬移
后等待下一个中断信号的到来，继续搬移图像数据。EMDA正是通过这种方式使得系统在基本不降低CPU处理图像数据性能的
情况下，实现了连续图像数据搬移的工作。
2.2 LUPA-300图像传感器控制部分图像传感器控制部分
系统中对LUPA-300图像传感器的控制工作是由FPGA完成的。对图像传感器的控制需要完成图像传感器相应的定制和图像
传感器的启动工作。
2.2.1 图像传感器的定制图像传感器的定制
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