Xilinx KU040 FPGA Camera Link 图像采集

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1 简介

1.1 CAMERA LINK 简介

Camera Link 是机器视觉领域中应用广泛的一种高速数字图像接口标准，由 AIA（Automated Imaging Association）维护。它主要面向工业相机、科学相机、线阵相机和高速采集系统，具有如下特点：

1. 传输链路稳定，工程应用成熟；

2. 延迟固定，适合高实时性系统；

3. 接收端通常采用专业采集卡，便于高带宽连续接收；

4. 在许多工业项目中仍然是相机、采集卡、处理平台之间的重要连接方式。

Camera Link 底层基于 LVDS / Channel Link 技术，通过固定时钟和并行数据关系完成图像传输。与以太网类协议不同，Camera Link 更强调确定性时序，因此在链路联调、采集卡验证、图像处理流水线测试方面非常常见。

 

【图 1-1 Channel Link 示意图】

Channel Link 由驱动器和接收器组成。驱动器接收 28 个单端数据信号和一个单端时钟信号。数据按 7:1 串行化，四个数据流和一个专用时钟信号通过五个 LVDS 对传输。接收器接收四个 LVDS 数据流和 LVDS 时钟信号，然后将 28 位数据和一个时钟信号传输到电路板

Camera Link 视频传输支持三种标准配置：Base、Medium和 Full。

Base 配置：

使用 1 个 Channel Link 芯片与 1 个 Camera Link 电缆接口。每个像素时钟周期发送 28 位数据，包含 24 位图像数据和 4 位使能信号。数据传输吞吐量为 2.04 Gbit/s。

Medium 配置：

使用 2 个 Channel Link 芯片与 2 个 Camera Link 电缆接口。每个像素时钟周期发送 52 位数据，包含 48 位图像数据和 4 位使能信号。数据传输吞吐量为 4.08 Gbit/s。

Full 配置：

使用 3 个 Channel Link 芯片与 2 个 Camera Link 电缆接口。每个像素时钟周期发送 68 位数据，包含 64 位图像数据和 4 位使能信号。数据传输吞吐量为 5.44 Gbit/s。

三种配置均使用相同的 4 位图像使能信号。具体配置参数见下表，单通道数据时序见下图。

 

【图 1-2 单通道数据时序图】

 

【图 1-3 Base、Medium和Full配置的框图】

Camera Link 还定义了以下重要概念：

1、Tap Geometry

描述传感器以多少个 tap、多少个区域并行输出像素。例如 1X2、1X4、1X8等。

2. Camera Control（CC1-CC4）

标准定义了 4 路控制线，用于触发、复位或自定义控制。

3. PoCL（Power over Camera Link）

允许在同一套 Camera Link 连接器体系上同时承载供电与数据，但实际是否使用取决于设备和线缆是否同时支持。

4. 连接器形态

Camera Link 常见使用 26 针 MDR 或 SDR（MiniCL）连接器。不同采集卡和相机厂商可能采用不同外形，但应满足标准引脚定义。

对于用户而言，正确使用 Camera Link 模拟器的核心在于：

1. 像素格式和Tap Geometry正确；

2. 时序参数与触发方式正确；

3. 连接器连接正确；

4. 接收端采集卡参数正确。

1.2 产品概述

KU042 Camera Link图像采集卡是一款用于对Camera Link相机进行配置和采集图像的专用工具，本设备通过集合ALINX的KU042板卡和我司的Camera Link子卡，可通过集成到Camera Link接口上的串口线，对Camera Link相机发送串口指令来进行相应的参数配置和功能使用或读取相关信息，并通过Camera Link其他相关接口来进行图像数据的传输，支持视觉系统中图像采集流程与数据处理功能的开发、测试与验证。

本设备严格遵循Camera Link通信协议标准，完整兼容Base、Medium及Full配置模式，并支持包括FVAL、LVAL在内的关键数据传输控制信号。

由于KU042硬件为ALINX设计，此处我们用于结合Camera Link子卡进行开发，其硬件详情可见《AXKU042开发板用户手册》等官方资料，后续不再赘述,硬件方面主要围绕Camera Link子卡作说明介绍。

1.3 主要特性

支持Base、Medium、Full模式, LVDS FPGA直连，不仅适用于camera Link 数据传输，还适用于其他需要LVDS连接的通用场景

▪ 尺寸69mm x 82mm, 单槽LPC FMC连接器

▪ 采用SDR26标准接口、线缆

▪ 支持对外5V、12V供电，方便用户做更多的外部设备拓展

▪ 支持30（15对差分）GPIO，通过2*18双排2.54mm间距连接器提供给客户，用于进一步拓展功能

▪ Hello-FPGA 同样还提供Camera Link的接线板，可将MDR26标准接口线缆的信号转换为螺钉式接线端子上，以方便客户的测试使用

 

【图 1-4 Camera Link FPGA FULL FMC接口标注图】

 

【图 1-5 Hello-FPGA Camera Link模块框图】

 

【插图位置：图 1-6 Hello-FPGA Camera Link模块MDR26和36pin排针连接器引脚定义】

 

【图 1-7 Hello-FPGA Camera Link板卡正面】

 

【图 1-8 Hello-FPGA Camera Link板卡背面】

2 安全与合规

在安装、操作或维护 KU042 Camera Link图像采集卡前，请仔细阅读本章内容。遵守以下安全指南可有效防止人身伤害、设备损坏或系统故障。

2.1 安全使用注意事

警告事项

• 禁止带电插拔板卡：
• 安装或拆卸 KU042 Camera Link 前，必须关闭计算机电源并拔掉电源线。热插拔可能导致主板、采集卡或模拟卡损坏。

注意事项

• 请勿在高湿度、强电磁干扰或多尘环境中使用本设备。
• 所有 Internal I/O 信号均为 3.3V TTL 电平，与FPGA IO直连，切勿接入 5V/12V/24V 非兼容信号，以免损坏 FPGA 或外围电路。

2.2 静电防护（ESD）指南

KU040核心板采用高密度 FPGA 和高速接口芯片，对静电放电（ESD）极为敏感。不当操作可能导致器件永久性失效。

操作前准备

• 在干燥环境中（相对湿度 <60%）操作；
• 使用防静电工作台、防静电腕带，并确保可靠接地；
• 将板卡存放于防静电袋（Metal-In Shielding Bag）中，直至安装。

安装建议

• 仅在需要安装时取出板卡；
• 握持板卡边缘，避免触碰金手指、FPGA、HDBNC 接口或 I/O 引脚；
• 若板卡已安装但长期未使用，请保持主机断电并置于干燥环境。

3 产品规格与机械信息

3.1 结构说明及机械尺寸

• LPC FMC连接器，使用FMC高密度连接器，符合VITA 57.1标准；
• X/Y/Z相关相机数据由MDR26接口通过LVDS直接接入到FPGA IO, CC1~CC4相机控制信号以及SerTC、SerTCG串行通信信号则通过DS90LV031/ DS90LV019转换成单端信号后接入到FPGA IO；
• 模块提供12V对外电源，其驱动功率与FPGA载板相关；
• 模块提供5V对外电源，驱动功率最大为5V*2A；
• 模块提供对外电源VADJ，其驱动电压与功率与FPGA载板相关；

 

【图 3-1 Camera Link 正面尺寸图】

 

【图 3-2 Camera Link 背面尺寸图】

4 硬件说明

4.2 FMC PIN定义

LPC FMC连接器的引脚定义如下：

 

【图 4-1 FMC连接器 pin定义】

这里的是FMC LPC连接器，其标准定义如下：

 

【图 4-2 HPC FMC pins（LPC只包含C/D/G/H）】

5 软件说明

5.1 软件概述

为满足不同应用场景和开发需求，KU042提供典型软件使用路径，覆盖从快速调试到工业集成的全生命周期：

• Cameralink grabber 客户端：零代码图形化工具，支持设备发现、参数配置、实时预览与图像数据采集，适用于系统调试、现场验证与教学演示；
• 配套软件包包含：
• Camera link grabber上位机软件；
• 该架构采用分层设计，从硬件到应用依次为：
• 硬件层：KU042 cameralink卡；
• 驱动层：自研 PCIe 驱动，支持 标准cameralink协议；
• 应用层：支持 Camera link 专用上位机软件。

5.1.1 驱动安装

官网下载驱动安装包：ImgGrab-Package-x.x.x。

下载链接： https://img-grab.com/jszc

 

【图 5-1驱动文件】

双击驱动安装程序，根据安装向导点击【Next】，等待程序自动完成安装

 

 

 

【图 5-2驱动安装流程图】

 

然后点击确定，等待电脑重启之后安装驱动完成。

 

【图 5-3安装驱动后重启示意图】

5.1.2 验证驱动安装

Windows系统验证步骤：

1.打开设备管理器：右键点击"此电脑"或"我的电脑" → 选择"管理" → 在左侧选择"设备管理器"

2. 查找KU042设备

   找到HelloFPGA类别，看到“PCIe-4001 Camera Link Frame Grabber”设备。

 

【图 5-4 设备管理器】

3. 确认驱动状态

   正常状态：设备图标正常，无黄色感叹号或问号

   异常状态：设备带有黄色感叹号或者没有发现KU042设备，表示驱动识别设备异常或未正确安装。可尝试重新运行驱动安装程序或者重启电脑。

5.2 上位机

CameraLink Grabber 是星测电子设计的 Windows /Linux图形化客户端，无需编程即可完成Camera Link设备发现、参数配置、实时预览的功能。

5.2.1 主要功能

扫描并识别连接到的KU042_Camera link采集卡；

支持实时配置相机参数（曝光时间、增益、触发模式等）；

实时图像显示；

支持通过串口发送接收指令帧；

5.2.2 界面布局

上位机 客户端采用模块化设计，主界面划分为三大功能区域，如图5-5所示。便于用户高效操作与监控。各区域功能如下：

区域	区域名称	功能描述
1	相机基本参数 配置	提供给客户 Camera Link 相机的各个参数配置项目，如帧率，曝光时间分辨率等 等。
3	采集配置	显示当前采集帧数，并可以在该项控制开始采集和停止采集，可根据客户需求选择是 否保存图像数据和保存路径。
4	图像预览窗口	实时显示采集到的图像。

 

【图 5-5 上位机主界面布局】

5.2.3 上位机快速使用流程

上位机客户端支持零配置快速上手。以下是采集Camera Link图像的基本操作步骤：

启动软件

双击桌面快捷方式 CameraLink grabber.exe 启动客户端。

配置Camera Link相机参数

【1】开始采集前必选项，1.选择图像宽高：相机采集图像的高度和宽度（最大支持2048x2048），Binning，会改变输出图像尺寸；2.本地视频数据存储（支持.raw文件),在采集之前就要确定好是否需要存储数据，和图像数据存放的位置，开始采集之后不可选。3.配置像素格式，配置使用mono格式和选择使用多少tap模式，需要和实际硬件连接一致。4.配置CL时钟（需要提前配置好让相机发送多大频率的时钟）。

【2】开始采集前可选项，曝光时间，帧率，测试图像类型，CL镜像等等非必选项，都可以在采集前或者采集中的时候去修改配置并且都会正常生效。

【3】点击Start。

5.2.4 帧率测试范例

在测试相机以固定帧率发送到采集卡上进行采集时，如需验证在传输过程中是否丢帧，我们可以通过触发模式来验证，测试例子如下：

这里我们选用FeelTech FY2300型号的信号发生器来进行实验

 

【图 5-6 FY2300信号发生器】

首先做好开始采集前准备，先将信号发生器预期配置的输出频率和模式设置好，如下

 

【图 5-7 信号发生器配置】

如图所示，这里我们设置输出信号频率为50HZ，幅度为5V（相机手册中说明外触发为TTL电平），然后将触发脉冲输出中的模式选到手动，个数设置为50，也就是说，我们手动发送一次，将会连续发出50个50HZ的脉冲，刚好1秒，这样就实现了以50的帧率采集1秒图像，预期如果可以存下50张完整的图片，那么就证明没有丢帧。

在设置好之后将CH1（CH2皆可）和相机外部触发接口连接，

 

【插图位置：图 5-8 上位机采图配置】

然后我们来进行上位机的配置首先，如上图，在采集前先勾选好需要存图，并选择好存放路径，这样我们在开始采集后，会将所有采集的图片放在对应路径，然后再将trigger source 改为IO触发，这样我们就会通过外部IO收到的触发来进行图像采集，在完成相应配置后，点击start开始采集，并在信号发生器中发送一次触发

 

【图 5-9 采集一次脉冲】

 

 

【图 5-10 保存的图片】

如图所示，在收到一次脉冲后total read frame显示为50，说明我们总共采集到了50张图片，这时候我们再去对应的保存路径下查看，可以看到确实保存了50张完整的图片，说明我们50HZ采集图像是不会丢帧的，