一種用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器，包括高速數(shù)字相機(jī)串行通迅鏈路接口電路、FPGA、乒乓緩存電路、USB接口電路、四片CF卡和異步串行通信接口電路；FPGA通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路與小型無人機(jī)上的相機(jī)相連；FPGA分別與乒乓緩存電路、4片CF卡相連；FPGA通過USB接口電路與上位機(jī)相連；FPGA通過異步串行通信接口電路與小型無人機(jī)上的慣性導(dǎo)航組件相連。本實用新型具有體積小、重量輕、方便攜帶的優(yōu)點。
【專利說明】—種用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及高速圖像數(shù)據(jù)存儲器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，尤其是航天航空技術(shù)的發(fā)展，對圖像存儲設(shè)備的存儲速度、容量、功耗、體積、重量、方便性要求也越來越高，特別是在數(shù)字相機(jī)分辨率和幀頻不斷提高前提下，能夠?qū)崟r保存海量數(shù)據(jù)信息的高速大容量存儲系統(tǒng)就顯得尤為重要。
[0003]目前應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域的存儲器主要以固態(tài)存儲器為主，與傳統(tǒng)的機(jī)械存儲器相比，它具有存取速度快、經(jīng)久耐用，抗振性好、沒有機(jī)械部件，穩(wěn)定性好，非常適合在環(huán)境苛刻的條件下工作。
[0004]在固態(tài)存儲領(lǐng)域，以NAND FLASH陣列、PCIe采集卡加固態(tài)盤為主，NAND FLASH陣列是采用并行總線和流水線技術(shù)，對多個FLASH顆粒進(jìn)行讀寫操作，由于NAND FLASH本身存在缺陷，在使用中也會經(jīng)常出現(xiàn)壞塊，所以要不斷的進(jìn)行ECC糾錯校驗和壞塊管理，給設(shè)計帶來很大的難度。另外，NAND FLASH陣列體積較大，在容量上的擴(kuò)展性也很差，如果容量不能滿足新的需求，將要重新進(jìn)行軟硬件設(shè)計。PCIe采集卡加固態(tài)盤需要使用加固計算機(jī)，通過PCIe采集卡將數(shù)據(jù)存入固態(tài)盤，由于使用加固計算機(jī)，它的重量和體積很大，不宜攜帶，且各個生產(chǎn)廠家的固態(tài)盤在實際讀寫速度上有一定的差別，導(dǎo)致它的兼容性較差。
[0005]隨著民用航空不斷發(fā)展，越來越多的小型無人機(jī)(起飛重量小于200kg)應(yīng)用于安全維穩(wěn)、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)中，它們對數(shù)據(jù)存儲器的體積、重量、兼容性、方便攜帶性都有較高的要求，而現(xiàn)有的存儲器形式無法滿足小型無人機(jī)的需求。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供一種體積小、重量輕、方便攜帶的用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器。
[0007]本實用新型包括如下技術(shù)方案:
[0008]一種用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器，包括高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路、FPGA、乒乓緩存電路、USB接口電路、四片CF卡和異步串行通信接口電路；FPGA通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路與小型無人機(jī)上的相機(jī)相連；FPGA分別與乒乓緩存電路、4片CF卡相連；FPGA通過USB接口電路與上位機(jī)相連；FPGA通過異步串行通信接口電路與小型無人機(jī)上的慣性導(dǎo)航組件相連。
[0009]小型無人機(jī)上的相機(jī)為具有高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口的相機(jī)，小型無人機(jī)上的相機(jī)輸出的串行高速差分信號通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后獲得并行數(shù)據(jù)，并行數(shù)據(jù)輸入至FPGA，由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將每幀圖像數(shù)據(jù)寫入乒乓緩存電路；慣性導(dǎo)航組件輸出的慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)通過異步串行通信接口電路輸入至FPGA ;在FPGA的控制下從乒乓緩存電路中讀取每幀圖像數(shù)據(jù)并用慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)代替每幀圖像數(shù)據(jù)的最后一行后，將其并行存入4片CF卡中；當(dāng)需要回放數(shù)據(jù)時，在FPGA的控制下，上位機(jī)通過USB接口電路讀取4片CF卡中的數(shù)據(jù)。
[0010]乒乓緩存電路包括四片雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器。
[0011]高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路包括3片串并轉(zhuǎn)換芯片。
[0012]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0013]本實用新型的圖像數(shù)據(jù)存儲器包括CameraLink接口電路、FPGA、乒乓緩存電路、USB接口電路、四片CF卡和異步串行通信接口電路。相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)通過CameraLink接口電路輸入至FPGA，在FPGA的控制下將其寫入乒乓緩存電路，采用FPGA從乒乓緩存電路中讀取數(shù)據(jù)并將其并行存儲在四片CF卡中，從而實現(xiàn)大容量快速的圖像數(shù)據(jù)存儲；本發(fā)明根據(jù)CF卡自身特點能夠?qū)崿F(xiàn)體積小、重量輕、適合小型無人機(jī)(特別是起飛重量為80kg的小型無人機(jī))攜帶的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的硬件原理框圖。
【具體實施方式】
[0015]下面就結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步介紹。
[0016]如圖1所示，本實用新型的圖像數(shù)據(jù)存儲器包括高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路(CameraLink)接口電路、FPGA、乒乓緩存電路、USB接口電路、四片CF卡和異步串行通信接口電路；FPGA通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路與小型無人機(jī)上的相機(jī)相連；FPGA分別與乒乓緩存電路、4片CF卡相連；FPGA通過USB接口電路與上位機(jī)相連；FPGA通過異步串行通信接口電路與小型無人機(jī)上的慣性導(dǎo)航組件相連；小型無人機(jī)上的相機(jī)為具有高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口的相機(jī)。小型無人機(jī)上的相機(jī)輸出的串行高速差分信號通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后獲得并行數(shù)據(jù)，并行數(shù)據(jù)輸入至FPGA，由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將每幀圖像數(shù)據(jù)寫入乒乓緩存電路；慣性導(dǎo)航組件輸出的慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)通過異步串行通信接口電路輸入至FPGA ;在FPGA的控制下從乒乓緩存電路中讀取每幀圖像數(shù)據(jù)并用慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)代替每幀圖像數(shù)據(jù)的最后一行后，將其并行存入4片CF卡中；當(dāng)需要回放數(shù)據(jù)時，在FPGA的控制下，上位機(jī)通過USB接口電路讀取4片CF卡中的數(shù)據(jù)。
[0017]CF (快速閃存)卡是一種固態(tài)存儲器,本身尺寸為43mmX 36mmX 3.3mm,具有體積小、重量輕、更換方便等特點。本實用新型的CF卡可以選用容量為128GB、讀寫速度為90MB/S的閃迪公司CF卡。CF卡采用間距50miI的50針的雙列封裝，可以采用ADAM-TECH COMPACTFLASH SOCKETS插座，其電氣特性符合ATA規(guī)范。
[0018]外部相機(jī)輸出的高速差分信號輸入至CameraLink接口電路，CameraLink接口電路將其轉(zhuǎn)換成為8通道(Data_A至Data_H)共64bit的并行數(shù)據(jù)以及同步信號和時鐘信號，由FPGA進(jìn)行處理。CameraLink接口電路可以采用3個串并轉(zhuǎn)換芯片，串并轉(zhuǎn)換芯片可以采用美國國家半導(dǎo)體公司的DS90CR288芯片，時鐘頻率采用85MHz，每個串并轉(zhuǎn)換芯片包含三個數(shù)據(jù)通道，每個通道可以輸出Sbit的數(shù)據(jù)。在圖1中第三片串并轉(zhuǎn)換芯片只輸出了兩個通道的數(shù)據(jù)。
[0019]FPGA采用Altera公司的Arria V系列芯片。Arria V系列芯片內(nèi)嵌DDR3硬核控制器，最高時鐘頻率為533MHz。DDR3硬核與DDR3軟核相比，DDR3硬核大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度和穩(wěn)定性。
[0020]乒乓緩存電路包括四片雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器(DDR SDRAM)οDDR SDRAM可以采用美光公司DDR3芯片MT41J128M16HA。MT41J128M16HA數(shù)據(jù)位寬16位，最高頻率支持1333MHz ο
[0021]USB接口電路采用USB驅(qū)動芯片CY7C68013A。在FPGA的控制下，上位機(jī)通過USB接口電路對4片CF卡進(jìn)行讀寫、擦除等操作。
[0022]異步串行通信接口電路實現(xiàn)慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)的接收，慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)可以將無人機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)信息與圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)，為后續(xù)的圖像處理提供幫助。異步串行通信接口電路可以采用RS-422或者RS-232總線接口芯片。RS-422總線接口芯片采用AM26LV31E與AM26LV32E，實現(xiàn)全雙工收發(fā)通訊，RS-232總線接口芯片采用MAX232CSE，這些芯片具有高性能、低成本、應(yīng)用成熟的特點。
[0023]本發(fā)明的圖像數(shù)據(jù)存儲器的工作過程如下:
[0024]上電后FPGA由時鐘驅(qū)動，首先進(jìn)行設(shè)備初始化，并通過CameraLink接口電路判斷是否有圖像數(shù)據(jù)的同步信號，如果沒有同步信號則一直等待，如果接收到同步信號的上升沿，則開始接收數(shù)據(jù)，在時鐘信號有效的情況下讀取Data_A、Data_B、Data_C、Data_D、Data_E、Data_F、Data_G、Data_H等8個通道的數(shù)據(jù)，每個通道為8bit，由FPGA并行接收64bit數(shù)據(jù)。由于DDR SDRAM為16bit的位寬，我們將4片DDR SDRAM分成2組，每組2片DDR SDRAM,共32bit的位寬，采用乒乓讀寫的方式操作DDR SDRAM。FPGA通過內(nèi)部64轉(zhuǎn)32位的FIFO將CameraLink接口電路接收的64bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成高32bit和低32bit，通過FPGA內(nèi)部的DDR硬核控制器不斷存入第一組DDR SDRAM緩存中，當(dāng)判斷到同步信號的下降沿時，代表一幀圖像接收完成，當(dāng)下一幀圖像同步信號有效時，我們按照上述方式將圖像數(shù)據(jù)存入第二組DDRSDRAM緩存中，同時讀取第一組DDR SDRAM緩存，并通過FPGA內(nèi)部32轉(zhuǎn)64位FIFO將從DDRSDRAM緩存讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成64位，由于CF卡的數(shù)據(jù)位數(shù)是16bit，所以我們將64bit的數(shù)據(jù)平均分成四部分，每部分為16bit，利用FPGA內(nèi)部的CF卡控制器同時進(jìn)行四片CF卡的讀寫操作，可以實現(xiàn)高速帶寬的大容量存儲功能，當(dāng)再有一幀新的圖像數(shù)據(jù)時，我們又開始存入第一組DDR SDRAM緩存并讀取第二組DDR SDRAM緩存，并不斷循環(huán)往復(fù)，直至任務(wù)結(jié)束。
[0025]另外，在每幀圖像傳輸?shù)倪^程中都會有一幀慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA在接收到圖像的同步信號時，會同時等待慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)的幀頭，如果判斷到慣性導(dǎo)航幀頭，F(xiàn)PGA會將慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)暫存在FPGA內(nèi)部的存儲器中，在從DDR SDRAM讀取數(shù)據(jù)往CF卡存儲的過程中，如果FPGA判斷是圖像最后一行時，用慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)代替最后一行圖像數(shù)據(jù)，將慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)融入到圖像數(shù)據(jù)中一同存入CF卡。從無人機(jī)上的慣性導(dǎo)航組件輸出所述慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)，并通過所述異步串行通信接口電路發(fā)送至FPGA。
[0026]當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后，通過USB接口進(jìn)行回放，由上位機(jī)發(fā)送回放指令，經(jīng)過USB接口啟動FPGA回放模式，通過FPGA內(nèi)部的CF卡控制器讀取CF卡里面的數(shù)據(jù)，由上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，形成圖像數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航信息。
[0027]本實用新型未詳細(xì)說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
【權(quán)利要求】
1.一種用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器，其特征在于，包括高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路、FPGA、乒乓緩存電路、USB接口電路、四片CF卡和異步串行通信接口電路；FPGA通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路與小型無人機(jī)上的相機(jī)相連；FPGA分別與乒乓緩存電路、4片CF卡相連；FPGA通過USB接口電路與上位機(jī)相連；FPGA通過異步串行通信接口電路與小型無人機(jī)上的慣性導(dǎo)航組件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器，其特征在于，小型無人機(jī)上的相機(jī)為具有高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口的相機(jī)，小型無人機(jī)上的相機(jī)輸出的串行高速差分信號通過高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后獲得并行數(shù)據(jù)，并行數(shù)據(jù)輸入至FPGA，由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將每幀圖像數(shù)據(jù)寫入乒乓緩存電路；慣性導(dǎo)航組件輸出的慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)通過異步串行通信接口電路輸入至FPGA ;在FPGA的控制下從乒乓緩存電路中讀取每幀圖像數(shù)據(jù)并用慣性導(dǎo)航輔助數(shù)據(jù)代替每幀圖像數(shù)據(jù)的最后一行后，將其并行存入4片CF卡中；當(dāng)需要回放數(shù)據(jù)時，在FPGA的控制下，上位機(jī)通過USB接口電路讀取4片CF卡中的數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器，其特征在于:乒乓緩存電路包括四片雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器。
4.如權(quán)利要求1所述的用于小型無人機(jī)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器，其特征在于:高速數(shù)字相機(jī)串行通訊鏈路接口電路包括3片串并轉(zhuǎn)換芯片。
【文檔編號】G06F13/16GK203799371SQ201420077623
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】宋立國, 張永宏, 陳凌軍, 王哲, 高碩
申請人:北京空間機(jī)電研究所