利用PCI Express高带宽提升图像采集速度的应用

高带宽需求
       电子组件制造商必须持续改善其生产力与质量，才能维持所需的竞争优势。由于运动控制及机器视觉可提供比传统方式更可靠、更具弹性的自动检测能力，因此在持续改善的流程中扮演极为重要的角色。制造商需要提高图像的输出质量及更成熟的图像处理能力，然而从相机传送数据到计算机的传输率，或称为带宽，却经常成为必须先行解决的限制因素。

       过去，标准VGA分辨率及30幅/秒的图像采样率，即能满足绝大多数生产线的需求。然而目前的工业需求中，要求增大扫描的尺寸，例如线条扫描、立体检测、提高生产线输送带速率、较为复杂的图像处理。然而，带宽仍是机器视觉系统的主要瓶颈。

       Camera Link是一项新标准，专为解决带宽问题而制定。搭配PCI Express总线，Camera Link图像解决方案可提供超高数据传输率，最适合高带宽需求的机器视觉应用。

       本文将剖析”高带宽需求”应用与PCI Express、Camera Link及FPGA技术如何搭配使用，以提高图像采集及处理率。

供应需求

       图1显示出一般计算机型机器视觉系统的基本组件，其中包含一部工业相机与光源、信号线、图像采集卡及计算机。Camera Link则是专为运用于此类机器视觉系统的工业相机与图像采集卡所开发的开放式规格。Camera Link规格是由AIA协会（Automate Imaging Association）定义，该协会则是由工业用工业相机、信号线、图像采集卡制造商所组成的产业组织。Camera Link采用低电压差分信号（LVDS）技术传输数字数据，并行至序列传送器及序列至并行接收器则用于传送图像数据。

Camera Link
       如图2所示， Camera Link标准提供了三种组态：Base、Medium与Full信号模式。来自工业相机的图像数据，通过指定的端口传送至相对应的图像采集卡端口。Base组态包含一组传送器/接收器，24 bits的视频数据分为A、B、C三个8-bit端口，外加FVAL（视频有效）、LVAL（线路有效）、DVAL（数据有效）及其他备用信号、一个频率信号、一个序列通道以及四个LVDS一般用途工业相机控制信号。一般而言，工业相机控制信号通常是用于外部触发，以达到实时图像采集。在使用20~85 MHz频率之下，图像数据传输率可高达2.04 Gbps。Medium组态增加第二组传送器/接收器对，使图像数据位倍增为48 bits（8-bit端口也倍增为六个：A、B、C、D、E、F）、图像数据传输率倍增为4.08 Gbps。Full组态再次增加图像数据位为64 bits，使用八个8-bit端口：A、B、C、D、E、F、G、H，提高图像数据传输率为5.44 Gbps。Camera Link数据传输路径，请参阅图3。

       就目前可运用的工业相机接口而言（Analog、USB、FireWire、GigE），Camera Link具有下列优点：

       最高带宽：Camera Link透过专用的点对点连结拓朴，串流图像原始数据的速率可高达5.44 Gbps，且不需受到通讯协议的限制。
       噪声抑制：Camera Link规格的最小低电压差分信号（LVDS）可提高图像采集卡、信号线及工业相机之间的图像总流量。
       实时信号： Camera Link不受网络潜在因素或通讯协议的限制。 
       降低CPU工作负荷：Camera Link规格内含有图像处理所使用的标准芯片组。Camera Link图像采集卡本身也运用直接内存访问（DMA），以取得最佳的数据传输性能。使用DMA时，由图像采集卡传输图像数据至计算机主机内存时，不需耗用任何主机系统CPU的资源。

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    支持线性扫描工业相机：Camera Link所提供的工业相机控制、序列通讯及数据串流法，均极适用于线性扫描应用。目前市面上的线性扫描相机大部份支持Camera Link标准。

     图3：Camera Link数据传输路径
PCI Express
       机器视觉应用中所使用的计算机系统，现在已能运用新的PCI Express（PCIe）总线技术。PCIe总线采用序列封包型通讯协议并搭配交换式拓朴，可提供健全的高带宽点对点联机，大幅改善其前身PCI总线的性能，因为PCI总线所提供的是总线型接线方式，所有装置均共享此32-bit或 64-bit并行总线。PCI Express总线不仅能够提供弹性的带宽，更维持现有操作系统、PCI驱动程序与应用软件的完整软件兼容性。PCIe连结的物理层以1、2、4、8、12及16群组方式设为数个序列信道。每一信道提供2 Gbps的数据传输率，即每四个通道链接相当于8 Gbps数据传输率。PCIe信道同时提供专用的总线，而PCI总线则必须由所有PCI装置及部份系统功能共享。换言之，PCIe总线提供了图像数据传输专用的链接，传输数据时不需共享带宽。

FPGA型图像处理
       由于图像数据的传输量增加，使得计算机型机器视觉系统的运算能力也必须相对提高，才能维持所需的性能。如前文所述，绝大部份的图像采集卡可支持DMA，以降低CPU的工作负荷。然而，由计算机主机进行图像处理仍会加重CPU的工作负荷，同时也形成系统的瓶颈。

       过去，图像处理带宽的唯一解决方案，是采用ASIC在工业相机上或图像采集卡上直接进行图像处理。然而ASIC解决方案却明显提高开发成本、拉长产品上市时间并限制了处理弹性。近年来，虽然用户因双核处理器等计算机先进技术提高图像处理带宽而受惠，但处理器解决方案仍受到无法整合其他硬件I/O信号的限制。

       使用FPGA（可程序逻辑门阵列）型的可程序组件，可同时解决ASIC及处理器型总输出量解决方案的难题。FPGA提供一套逻辑组件，使图像采集卡本身可于图像采集的同时执行各项预先处理功能，且不将任何工作负荷加载于主机CPU。CPU与FPGA的组合，提供了机器视觉系统性能与成本之间的最佳平衡点。采用FPGA的优点包括：

       运用弹性：FPGA是一种能够提供可程序、可设定功能的处理核心。
       并行处理：（视规格而定）为提高性能，FPGA提供预先处理演算（例如非特定矩阵相乘）所需的并行运算能力，加速计算流程。
       再利用性：FPGA能快速整合智能财产（IP）区块，且不需修改逻辑程序部份，从根本上缩短产品上市时间。
       内存存取：部份图像预先处理作业需要执行多重视框或线条之间的运算。参考图像及线条储存于系统内存内，使FPGA能够并行存取这些内存。
       PCI Express的执行：多数FPGA供货商均提供PCI Express IP核心，用于执行PCI Express通讯协议。使用此类FPGA可降低图像采集卡的硬件成本。
       FPGA可执行阴影修正、色彩空间转换、图像旋转、查表运算符等预先处理功能。FPGA亦可加强传送至主机CPU之前的实时图像作业，并进一步支持系统性能与成本间取得平衡点的概念。

系统组合
       Camera Link、FPGA及PCIe技术的结合，可提供线性扫描与立体检测等先进机器视觉应用所需的高带宽、高传输速率。

       例如，平板表面检测通常需要多通道同时采集。PCI Express型系统可支持多张图像采集卡，并提供各采集卡至主机内存的专用链接。由于PCI Express总线具有极高的带宽，使得各采集卡均能以全速采集图像，且不需共享带宽。因此，系统中各采集卡之间不会相互影响，也使检测系统能获得最大输出量。然而，由于机器视觉应用的图像质量与图像处理速度提高，计算机主机本身可能仍无法满足效能的需求；增加FPGA的使用，则可同时提升性能及设计弹性。

       Camera Link为现有机器视觉应用在带宽、实时信号与图像传输方面提供了最佳的解决方案。此项技术结合FPGA等其他技术后，不仅可进一步提升系统的整体性能，更能以最合理的价位提供系统开发商所需的高性能及高分辨率功能。

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