1、2024 年第 3 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:吉林省科技发展计划(20220201081GX);国家重点研发计划(2020YFA0714104)收稿日期:2023-08-28多通道遥感图像光纤高速传输系统刘静军,贺小军长光卫星技术股份有限公司 摘要:遥感相机一般使用 TLK2711 接口输出图像数据,地面测试设备不能直接对其采集存储。文中设计了一种多通道遥感图像高速光纤传输系统,可对相机输出的 TLK2711 图像数据进行采集与缓存,并通过光纤接口传输给存储设备。实现了遥感相机与地面存储设备之间的高速图像数据通信,解
2、决了现有地检存储设备不能直接进行数据通信的问题。系统设计了多通道 TLK2711 图像采集模块,多路图像数据分时复用处理模块,基于 Aurora64B/66B 传输协议光纤传输模块等,使相机图像数据稳定可靠地传给地面存储。经过实验测试,系统图像数据采集准确,数据传输无误码。系统效率高,稳定可靠,满足实际使用需求。关键词:图像采集;TLK2711;多通道数据调度;光纤传输;Aurora64B/66B 协议中图分类号:V474 文献标识码:AMulti-channel Remote Sensing Image Optical Fiber High-speed Transmission System
3、 LIU Jingjun,HE XiaojunChangguang Satellite Technology Co.,Ltd.Abstract:Remote sensing cameras usually use TLK2711 interface to output image data,which cannot be directly collected and stored by ground test equipment.A multi-channel remote sensing image high-speed optical fiber transmission system w
4、as de-signed,which can collect and cache the TLK2711 image data output by the camera,and transmit it to the storage device through the optical fiber interface.The high-speed image data communication between the remote sensing camera and the ground storage device was realized,which solved the problem
5、 that the existing ground inspection storage device cannot directly communicate da-ta.The multi-channel TLK2711 image acquisition module,the multi-channel image data time-sharing multiplexing processing module,and the optical fiber transmission module based on the Aurora64B/66B transmission protocol
6、 were designed to make the camera image data stably and reliably transmitted to the ground for storage.After experimental testing,the system image data col-lection is accurate,and the data transmission is error-free.The system has high efficiency,stability and reliability,and meets the actual use ne
7、eds.Keywords:image acquisition;TLK2711;multi-channel data scheduling;fiber optic transmission;Aurora64B/66B protocol0 引言随着遥感相机技术的快速发展,其数字化后的图像数据 量 随 之 增 大,目 前 常 用 图 像 输 出 接 口 为TLK2711 高速串行接口,而地面存储测试设备接口相对单一,只配置常规接口,比如 PCIE 接口、以太网接口、SFP(small formfactor pluggable optical)光模块接口等,不能直接对相机数据进行存储测试1-2。考虑到
8、 PCIE 接口不能远距离传输,以太网接口传输速率有限,不方便扩展。随着光纤通信技术的发展,光纤通信可以实现吉比特高带宽的数据传输和千米级长距离传输,方便地面测试,同时不易受周围的电磁环境干扰3-4。基于以上考虑,本文提出了多通道遥感图像高速光纤传输系统,设计一种多路 TLK2711 接口图像采集与 SFP 光纤接口数据传输系统。系统以 Kintex-7 系列现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)为载体,对图像进行采集和处理,最后传输给存储设备。通过地面实验,光纤传输速率可达 10 Gbit/s,远高于前端相机的传输速率,使相机图像能够快速、稳
9、定、可靠地传输至存储系统。降低了研发成本,提高了不同系统间互通性。1 系统概述高速光纤图像数据传输系统使用 Kintex-7 系列FPGA 作为主控制器5-6。如图 1 所示,系统与相机通17 仪 表 技 术 与 传 感 器第 3 期过 TLK2711 高速串并转换芯片连接,每台相机由一路TKL2711 接口连接,用来采集相机输出的图像数据,使用 100 MHz 作为系统时钟,数据位宽为 16 bit,最高速率可达 1.6 Gbit/s。系统有 4 路 TLK2711 接口,可同时或分时采集 4 台相机输出的数据,输出端通过 SFP接口光纤连接地面存储设备,光纤传输速率可达10 Gbit/s。
10、FPGA 内部有多通道 TLK2711 图像采集模块,将采集的图像数据经过多路图像数据分时调度处理模块、基于 Aurora64/66b 协议光纤传输模块,将图像数据通过光纤接口输出给存储系统。图 1 光纤高速传输系统框图2 硬件关键模块设计2.1 TLK2711 模块电路设计TLK2711 是一种串并转换的高速收发器,支持数据率从 1.62.7 Gbps 的高速双向数据通信7。图 2为 TLK2711 数据接收的原理框图,通过一对串行差分信号线 DINRXP 和 DINRXN 接收相机输出的图像数据,芯片内部通过 comma 检测和 aurora8b/10b 解码器将串行信号转换成 16 bi
11、t 位宽并行数据 RXD0 RXD15、控制码 RKMSB 和 RKLSB、恢复时钟 RX _CLK。FPGA 需要给芯片提供使能信号和 100 MHz 的系统时钟。本系统 4 路 TLK2711 接收电路相同,如图2 所示。图 2 TLK2711 数据接收原理框图2.2 光纤模块电路设计使用 FPGA 的高速串行收发器 GTX 与 SFP 光模块连接8。如图 3 所示,FPGA 输出的串行差分对SFP_TX_P 和 SFP_TX_N 与光模块连接,SFP 光模块将电信号转换成光信号进行数据传输,数据率可达10 Gbps。FPGA 通过控制 TX_DISABLE 信号可禁止SFP 光模块工作,
12、当接收端需要暂停接收数据时,可通过该信号控制。TX_FAULT 为发送故障指示,可检测SFP 发送器是否正常工作。SCL 和 SDA 是 I2C 总线的时钟和数据线,可与 SFP 模块中控制器进行通信和配置。图 3 光纤传输接口原理框图3 软件关键模块设计3.1 多路数据采集单元4 台相机与光纤图像传输系统通过 TLK2711 连接,图像数据采集模块并行接收 4 路 TLK2711 传输的图像数据,如图 4 所示,TLK2711 经过串并转换输出成16 bit 数据,同时例化 4 路图像接收模块,4 路异步FIFO 模块,4 路数据重构模块,有效利用传输带宽资源。图 4 图像采集单元框图TLK
13、2711 图像接收模块状态机如图 5 所示,系统首先在 IDLE 状态等待接收使能指令,如果收到数据接收指令,即 Photo_en 为 1,则进入 SOP 状态,在该状态下搜索数据,直到数据为数据帧头 5CFB,同时控制码 RKMSB 和 RKLSB 都为1 时,进入 DATA 状态,这样能够剔除同步字符,接收有效数据。在 DATA 状态,开始计数到 1 024 拍,即接收一整帧数据后,跳转到End 状态,停止接收数据,跳转到 IDLE 状态,等待下27 第 3 期刘静军等:多通道遥感图像光纤高速传输系统 一帧数据。图 5 TLK2711 图像接收模块状态机将接收到的 16 bit 有效数据传
14、输给异步变宽FIFO 缓存,该异步 FIFO 可对数据进行跨时钟域处理,由于多路 TLK2711 解码输出图像数据的参考时钟为外部时钟,时钟相位不一致,需要将外部时钟转换成本地参考时钟,如果不对外部时钟进行处理,可能引起系统亚稳态,造成系统采集数据混乱。同时 FIFO还能够将数据进行位宽变换处理,将 16 bit 数据转换成 64 bit 数传给下级数据重组模块。数据重组模块主要功能是将数据进行打包组帧处理,根据通道来源添加相机标识、流水号和帧头等信息,通过判断 FIFO 将空信号高低来选择是否读数据,如果 FIFO 非空后级 OFULL 非将满,则读 FIFO 数据,并将打包后的数据传输给后
15、级多通道分时调度单元。3.2 多通道分时调度单元多通道分时调度单元是将4 个来源不同的图像数据进行多选一输出,按照轮询调度方式完成数据流读写,后端可按照一种数据源来处理。由于后端光纤通道带宽较高,远高于前端多个通道的带宽总和,此方式能够充分利用高带宽资源,同时解决负载不均衡问题。图6 为该模块状态机图,初始状态为 Idle 状态,当后级将满状态(OFULL)为 1 时,在 Idle 状态等待,当后级将满状态(OFULL)为 0 进入 CH1_Ask 状态,询问通道 1 是否有数据,如果通道 1 有数据则进入 CH1_Output 状态,该状态进行数据输出,持续输出 256 拍、数据位宽为 64
16、 bit 的数据后进入 CH1_End 状态,在CH1_End 状态停顿一拍后跳转至 CH2_Ask 状态,如果通道 1 没有数据则直接跳转至 CH2_Ask 状态,询问通道 2 是否有数据。以此类推,按顺序扫描询问 4 路通道数据,并进行选择判断后输出,这种方式可以解决前端负载不均衡问题,即使前端 4 路相机不同时开或者只开 1 个也可以正确接收图像数据。多通道分时调度单元最终将数据输出给 aurora 光纤数据发送单元。3.3 图像光纤发送单元图像光纤发送单元将分时调度单元处理好的图图 6 轮询调度状态机像数据发送给存储系统。光纤发送单元底层基于GTX 高速串行收发器,使用 aurora6
17、4B/66B 协议作为上层通信协议,FPGA 逻辑侧通过配置 aurora64B/66B IP 核实现高速数据传输。Aurora 协议具有带宽高、可配置性强、低延迟等特点,可支持全双工和单工通信,数据可以灵活组帧,也可以使用流模式传输数据,用户接口采用标准的 AXI-ST 接口,方便读写数据。如图 7 所示,aurora64B/66B 内核顶层例化了通道逻辑,包括 TX AXI4-Stream 模块用户接口、全局逻辑模块和收发器顶层封装,还包括顶层时钟逻辑和复位逻辑。本系统配置线速度为 10 Gbps,由 于 使 用aurora64B/66B 协议对数据编码,会占用少量带宽,实际有效数据率为
18、9.7 Gbps,每路相机输入端的数据率为 1.6 Gbit/s,4 路相机总数据率为 6.4 Gbit/s,光纤传输速率远远大于前端相机输入数据率,传输速率完全满足要求。图 7 光纤发送模块图本系统使用流模式接口进行数据传输,数据链路位宽为 64 bit,这种方式使用方便,操作简单,无数据帧概念,可利用 FIFO 流水式将数据输出。TX_data 为64 bit 数据,直接输入给 TX_FIFO 异步 FIFO,由于输入数据时钟与 aurora 协议用户时钟不同,使用异步FIFO 做跨时钟域处理,同时作为发送端数据缓存。根据 aurora 协议总线的 ready 信号和 FIFO 控制器的数
19、据的 empty 信号,来判断数据是否可以发送,如果可以发送,则将数据传输给发送端用户接口,最终将并行37 仪 表 技 术 与 传 感 器第 3 期数据转换成串行数据,通过 GTX 高速串行接口输出给光模块。4 实验与结果为了验证光纤高速数据传输的正确性和可靠性,在实验室环境下,使相机输出测试数据源,数据为 16 bit 循环累加递增数据。图 8 为光纤图像传输系统采集的相机输出的数据,使用 chipscope 工具抓取数据。图 8 Chipscope 数据采集图 图片界面显示 by_data 为数据输出接口,数据为16 进制显示,依次为 C5BC 同步字、5CFB 帧头、累加递增的有效数据,
20、compare_data 为校验数据,从图 8 可以看出,校验数据和有效数据均呈递增状态,并且数据相同,error_cnt 为错误标志,对校验数据和接收的有效数据进行比较判断,如果有错误 error_cnt 就加 1,图 8中 error_cnt 显示为 0,即数据接收正确无误,pkt_cnt 为接收的包计数,从图 8 可以看出已经接收到 16 710 376包正确数据,充分验证了数据采集的准确性和可靠性。通过光纤接口将数据输出给存储系统,在存储系统中判断数据接收的正确性和可靠性,如图9 所示,在Vivado 中通过 ila 抓取的信号,数据 CHANNEL_UP 拉高表示链接建立正常,rx_
21、d_reg 为在存储端接收到64 bit 位宽有效数据,ck_data 为校验数据,16 bit 循环计数,数据递增累加,从图9 可以看出校验数据和有效数据数据相同,err_cnt 为错误标志,对校验数据和接收的有效数据进行比较判断,如果有错误 err_cnt 加1,图9 中 err_cnt 显示为0,即数据接收正确无误,从图9 可以看出数据从 0001H 累加至 7105H,验证了光纤接口数据发送的准确性和可靠性。图 9 光纤数据图 将图像数据通过光纤传输给存储系统后,使用解图软件将图像数据解析得到原始影像。图 10(a)为光纤图像传输系统传输给存储系统的递增数据源的图像,图像每个像素灰度值
22、递增加 1,从图 10(a)可以看出图像灰度由暗渐变为亮,图像数据无误码。图 10(b)为通过光纤图像传输系统传输的相机暗场图像,可以看出图像场景均匀,图像无特殊亮点,灰度值差异较小,验证了多通道遥感图像光纤传输系统数据采集、处理、传输设计的正确性及可靠性。5 结论本文设计了多通道遥感图像高速光纤传输系统,介绍了系统组成,以及关键硬件模块和软件结构设计,研究了数据采集、数据调度、数据传输等原理及其实现方法。该设计具有速度高、可靠性高、使用灵活(a)相机递增数据图像(b)相机拍摄暗场图像图 10 图像采集与处理系统输出的图像等特点,试验结果证明:系统能够通过光纤同时或者分时采集传输4 路相机图像
23、数据,并且运行稳定可靠,满足实际使用需求,并已成功应用,解决了现有图像数据不能直接存储的问题。(下转第 126 页)47 仪 表 技 术 与 传 感 器第 3 期表 3 各类气体传感器数据修正结果对比气体类型修正模型R2RMSEMAEMAPE/%CO测量值1.1120.9092.8GRU0.8610.8510.7222.3LSTM0.8650.8590.7282.4PSO-GRU0.8730.7910.6692.1COA-GRU0.8710.7670.6532.1NO2测量值0.1760.1522.9GRU0.5420.1510.1311.7LSTM0.5420.1570.1321.8PSO-
24、GRU0.5610.1490.1131.6COA-GRU0.5590.1480.1071.5CO2测量值48.66440.1922.6GRU0.89544.13637.1252.3LSTM0.89944.94437.5812.4PSO-GRU0.90941.82435.1242.2COA-GRU0.90841.40934.7632.1参考文献:1 贾克斌,王彦明,杨加春,等.基于神经网络的气压传感器非线性校正J.北京工业大学学报,2021,47(1):9-40.2 MAO K,XU J,JIN R,et al.A fast calibration algorithm for non-dispe
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