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技術(shù)支持

Camera Link協(xié)議

來源：光虎

Camera Link協(xié)議的產(chǎn)生背景

在高數(shù)據(jù)率、綜合數(shù)據(jù)交換時代，傳統(tǒng)的線纜已經(jīng)不能滿足需求了，為保證在高數(shù)據(jù)率條件下通信的可靠性，需要特別制定一個標(biāo)準(zhǔn)的引腳分配和線纜裝配方法來確保兼容設(shè)備能夠輕而易舉地連接在一起。該標(biāo)準(zhǔn)可以使用戶通過大批量購買線纜來降低開發(fā)成本。并且，該標(biāo)準(zhǔn)接口的存在也應(yīng)該能大大節(jié)約用戶為整合一套兼容的相機(jī)和圖像采集卡而花費在獲得技術(shù)上的時間，在此背景下Camera Link標(biāo)準(zhǔn)誕生了。

2000年，在美國自動化工業(yè)學(xué)會AIA的推動下，由幾家專做圖像卡和攝像機(jī)的公司聯(lián)合發(fā)布Camera Link標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是基于美國National Semiconductor公司Channel Link的技術(shù)發(fā)展而來的，并定義出配套的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口器件，標(biāo)準(zhǔn)化了信號線，讓相機(jī)和圖像采集卡的信號傳輸更加簡單化。同時定義了3種傳輸模式：基本模式(Base Configuration)、中級模式(Medium Configuration)、完整模式(Full Configuration)，以及相應(yīng)的信號引腳規(guī)范和數(shù)據(jù)傳輸量，并且同時提供4路的相機(jī)控制信號線。

圖 1 Camera Link線纜

Camera Link的變體

由于單個Camera Link芯片只有28位數(shù)據(jù)可用，為了提高傳輸數(shù)據(jù)的效率，需要幾個Camera Link芯片。按使用要求不同，視頻傳輸模式分為三種配置：Base(基本)配置為一個Camera Link芯片，一根電纜； Medium(中級)配置為兩個Camera Link芯片，一根電纜；Full(完整)配置為兩個Camera Link芯片，兩根電纜。

Base模式需要一塊Channel Link的芯片和一個Camera Link機(jī)械接口，發(fā)送器在每個像素時鐘里發(fā)送 28bits數(shù)據(jù)，包括4bits的圖像使能信號和24bits的圖像數(shù)據(jù)。24bits圖像數(shù)據(jù)可以是一個像素點的24-bitRGB數(shù)據(jù)、3個像素點的8-bit黑白圖像數(shù)據(jù)、1到2個像素點的10-bit或12-bit的黑白圖像數(shù)據(jù)、一個像素點的14-bit或16-bit的黑白圖像數(shù)據(jù)。Base模式產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)吞吐量為2.04Gbit/s(255MB/s)。

Medium模式需要兩塊Channel Link的芯片和兩個Camera Link機(jī)械接口，發(fā)送器在每個像素時鐘里發(fā)送40bits數(shù)據(jù)，包括4bits的圖像使能信號和36bits的圖像數(shù)據(jù)。4bits圖像使能信號與Base模式下相同。36bits圖像數(shù)據(jù)可以是一個像素點的36-bit或30-bitRGB數(shù)據(jù)、4個像素點的8-bit黑白圖像數(shù)據(jù)、3到4個像素點的10-bit或12-bit的黑白圖像數(shù)據(jù)。Medium模式視頻數(shù)據(jù)吞吐量為4.08Gbit/s(510 MB/s)。

Full模式需要三塊Channel Link的芯片和兩個Camera Link機(jī)械接口，發(fā)送器在每個像素時鐘里發(fā)送68bits數(shù)據(jù)，包括4bits的圖像使能信號和64bits的圖像數(shù)據(jù)。4bits圖像使能信號與Base模式下相同。Full模式視頻數(shù)據(jù)吞吐量為5.44Gbit/s(680MB/s)。

Deca模式是由于某些相機(jī)和數(shù)據(jù)采集硬件制造商已將接口的帶寬擴(kuò)展到超出了Camera Link接口規(guī)范所施加的限制，所以通過利用8個未使用的位并重新分配8個冗余成幀/啟用位來在兩個連接器/電纜上產(chǎn)生高達(dá)80位的數(shù)據(jù)路徑寬度來擴(kuò)展“Full”配置的寬度，從而進(jìn)一步增加了視頻帶寬。Deca模式視頻數(shù)據(jù)吞吐量為6.8Gbit/s(850MB/s)。

業(yè)界已經(jīng)就80位版本達(dá)成共識，并且兼容的相機(jī)和圖像采集卡以“Camera Link Deca”一詞進(jìn)入市場。但是有部分制造商使用“Extended Full”來指代Deca配置，而另一些制造商則使用“Full Deca”。

圖2 圖解Base、Medium、Full

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與Camera Link一起使用的26針微型Delta色帶連接器(MDR-26)，2007年升級的1.2版標(biāo)準(zhǔn)中，首次引入了Mini SDR(Shrunk D Ribbon)連接器(SDR-26)和相機(jī)鏈路電源(PoCL)，即Mini Camera Link接口，以及Power over Camera Link功能。

圖 3 連接器的引腳分配

Camera Link標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點

Camera Link技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于National?Semiconductor公司的Channel Link標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來的，標(biāo)準(zhǔn)的Camera Link是由多路Channel Link復(fù)用而成的，不僅包含相機(jī)圖像數(shù)據(jù)信號和時鐘信號，而且還包含相機(jī)的控制信號和串行通信信號，而Channel Link標(biāo)準(zhǔn)是一種多路并行LVDS傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)。LVDS是一種低擺幅的差分信號技術(shù)，電壓擺幅在350mV左右，具有擾動小、跳變速率快的特點，在無失傳輸介質(zhì)里的理論最大傳輸速率在?1.923Gbps。

Camera Link就是一種基于物理層的LVDS傳輸方式。下圖為Camera Link總線發(fā)送端與接收端的連接框圖，也是該總線的基本模式。總線發(fā)送端，將28位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4對LVDS串行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送出去，還有一對LVDS串行差分?jǐn)?shù)據(jù)線用來傳輸圖像數(shù)據(jù)輸出同步時鐘；而總線接收端，將串行差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成28位并行數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)換出同步時鐘。這樣不但減少了傳輸線的使用量，而且由于采用串行差分傳輸方式，還減少了傳輸過程中的電磁干擾。

圖 4 Camera Link總線基本模式

所以，Camera Link有實時、高速的特點，高帶寬保證了密集數(shù)據(jù)的快速傳輸，并且無延遲，采用串行差分傳輸?shù)姆绞绞沟每垢蓴_的能力也尤為突出。

不斷的升級和進(jìn)化

隨著相機(jī)幀率的不斷提高，Camera Link標(biāo)準(zhǔn)無法輕松擴(kuò)展到850 MB/s以上，因此需要另一個新接口來滿足以相同甚至更低的成本獲得更高帶寬的需求。在眾多行業(yè)領(lǐng)先的生產(chǎn)商對最佳技術(shù)解決方案進(jìn)行了廣泛的探索之后，Teledyne DALSA的HS-Link技術(shù)提供了第一個“概念證明”，以單鏈路（或者在Camera Link HS行話中叫做“l(fā)ane”）實現(xiàn)最高300 MB/s的傳輸速度，并以20條通道實現(xiàn)最高6GB/s的傳輸速度。

Camera Link HS標(biāo)準(zhǔn)中，電纜可以直接連接FPGA，無需額外器件或者設(shè)備，因此成本更低。同時Camera Link HS可以用較高的電壓，以及接收機(jī)自動均衡來補(bǔ)償電纜損耗，從而實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的信號傳輸。

相較于Camera Link線纜，Camera Link HS在超過15m的時候可以擁有更長的傳輸距離；在低于15m的情況下，Camera Link HS單根線纜即可達(dá)到和2根Camera Link線纜同樣的帶寬，部署成本卻更低。同樣都是3mm線纜直徑，Camera Link HS在單根線纜上的帶寬高達(dá)3.4Gbit/s。

圖5 圖左為應(yīng)用Camera Link的CIS相機(jī)；圖右為Active Silicon圖像采集卡

總結(jié)

在相機(jī)不斷發(fā)展的今天，高像素、高幀率仍是一個重要的發(fā)展方向。在未來，為了滿足更高的生產(chǎn)和科研要求，會有越來越多的相機(jī)適配Camera Link協(xié)議，以滿足不斷增長的需求，應(yīng)用Camera Link的相機(jī)將會在市場占據(jù)穩(wěn)定的份額，Camera Link協(xié)議將會為你的數(shù)據(jù)傳輸提供優(yōu)質(zhì)的體驗。