8xCXP相机采集系统介绍
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系统概述
✅ 应用需求：
- 连接控制8路CXP 单lane 相机，支持POE，相机工作在外触发模式；
- 可以通过网络接口监控CXP相机图像(只监控最新图像)，传输控制指令，修改相机参数；
- 支持3路SSI接口；
根据上述需求，本系统通过双CXP FMC子卡接入8台CoaXPress（CXP）工业相机，利用Xilinx ZYNQ SoC芯片实现高速图像采集、传输及上位机实时显示。系统采用软硬件协同设计，支持实时数据流处理与灵活的上位机控制，可广泛应用于机器视觉、工业检测等高带宽场景。
图 1 系统整体架构
特色与优势：
✅ 多通道高速采集：支持 8台相机同时工作，确保大规模采集的稳定性。
✅ 智能参数管理：匹配不同品牌相机的参数配置。
✅ 动态缓存分配：根据实际连接的相机数和参数，动态调整Rx存储，提高内存利用率。
✅ 实时数据监控：图像界面实时显示采集数据，同时可监控可用帧数，避免缓存溢出。
✅ 高效数据传输：结合 DDR4+AXIS总线，保证高吞吐量的稳定采集。
✅ 多种触发模式支持：适应不同应用场景，如工业检测、航空影像采集、武器测试等。
硬件架构
图 2 硬件连接示意图
FPGA处理单元
利用现有商用FPGA主控板，搭载外设完成系统设计。
图 3 ALINX ZU19EG FPGA板卡
Z19开发板主要由 ZU19EG + 4 个 DDR4+DDR4 SODIMM + eMMC +2 个 QSPI FLASH 构成。主芯片采用 Xilinx 公司的 Zynq UltraScale+ MPSoCs 系列的芯片，型号为 XCZU19EG- -2FFVC1760I。ZU19EG 芯片可分成处理器系统部分 Processor System（PS）和可编程逻辑 部分 Programmable Logic（PL）。 在 ZU19EG 芯片的 PS 端和 PL 端分别挂了 4 片 DDR4 和 1 个 260 脚 DDR4 SODIMM 卡槽，PS 端的每片 DDR4 容量高达 2GB，使得 ARM 系统和 FPGA 系统能独立处理和存储的数据的功能。PS 端的 32GB eMMC FLASH 存储芯片和 2 片 256Mb 的 QSPI FLASH 用来静态存储 MPSoCs 的操作系统、文件系统及用户数据。
该板卡有如下特点适合我们的应用场景：
- 2个FMC HPC可以用于CXP HOST FMC子卡的连接，实现CXP相机的采集和控制；
- 千兆以太网：提供高速稳定的网络连接，确保大数据量的快速传输，适合实时数据处理需求。
- DDR4内存：增强数据处理能力，满足复杂运算和大容量数据处理的需求。
- 2路485可以方便扩展外设；
CXP接口层
图 4 FMC-CXP-4R 板卡
2块FMC子卡提供8路CXP-12接口，单链路带宽达12.5 Gbps，支持PoCXP供电，支持1.25，2.5，3.125，5，6.25，10，12.5 Gbps速率。FMC-CXP-4R 子卡特性如下：
- HPC FMC连接器，使用FMC高密度连接器，符合VITA 57.1标准；
- Equalizer/Driver均衡器与驱动器，接收来自相机的高速downlink信号，发送来组FMC IO的低速控制信号；
- LED，每个通道配置1个双色LED，可以通过FMC IO实现R,G颜色任意组合；
- EEPROM，使用I2C接口的MT24C02 EEPROM，256Bytes容量，可以用于存储用户数据；
- 24V DC Power, 24V DC电源电路，可以接受来自FMC的12V或者来自外部电源的12V供电电源，为power on cable功能提供DC电源，理论CXP每通道提供最大13W输出功率；
- Power monitor，每路CoaXPress提供1路电流、电压监测电路，当电流超过门限后，会通过alert 端口向外发出警告；
- HDBNC, 根据CoaXPress标准，子板使用MircroBNC连接器连接Device设备；
- SMA，双向数字输入输出接口，通常用于触发信号的路由；
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| 名称 | 别名 | 方向 | 电气 | 接头 | 宽度 | 描述 |
| CH0-CH3 | CXP | 双向 | 24V,12.5Gbps | Micro BNC | 4 | CoaXPress 物理通道，支持POE |
| Trigger | 触发 | 双向 | 1.8V-3.3V | SMA | 1 | 数字触发信号 |
CXP相机说明与使用要求
参考 a2A2448-210cm | Basler Product Documentation
图 5 a2A2448-210cm 机械结构
图 6 6芯GPIO线缆
相机会工作在外部触发模式，触发信号从Line 1/2/3 输入，注意接线时Line 1 有独立的GND。
SSI控制器板
SSI 控制板由ZYNQ7020 作为主控，通过485接口与Z19板卡完成通讯，Z19板卡上使用485接口1(A1 B1 GND),在SSI开发板上，预留好了一个RS-485接口，使用导线按照图7所示连接。
图 7 485接线图
设计通过RS485接口接收数据，经UART协议解析后转换为AXI4 Stream数据流，在第一次握手信号成功后将数据转换为源同步的方式将数据从TX1发送，每次数据会在同步时钟的上升沿改变如图8所示，第二次握手成功后数据也会按照源同步的方式从TX3输出，其他以此类推，数据是在奇数路输出，同步时钟在偶数路输出，总共能够输出4路数据与4路时钟
考虑到SSI板上没有PL端使用的按键，因此每次接收到数据32'h55555555会使SSI板上复位，之后每一路源同步数据会转换成RS-422协议由每一路的Y和Z口输出。
图 8 SSI时序图
FPGA方案
FPGA实现
图 9 FPGA数据流
- 图像采集部分（左侧）
如图7所示为本系统的FPGA数据流的示意图。系统使用了8个相机（Camera1 ~ Camera8）进行图像采集，每4个相机的数据分别由一块CXP FMC采集卡接收。采用CoaXPress（CXP）高速接口，保证数据的高带宽传输。CXP FMC Card 1 连接 Camera1 ~ Camera4，负责接收这4个相机的数据流。CXP FMC Card 2 连接 Camera5 ~ Camera8，负责接收这4个相机的数据流。这两个FMC采集卡分别通过CXP链路，将数据传输到下一级数据处理模块。
- 数据解析部分（中间）
每块FMC采集卡的数据先通过External PHY，完成CXP链路的物理层解析。External PHY 主要用于信号处理、数据恢复，并将物理层数据转换为可供CXP Host解析的格式。
- CXP Host协议解析
External PHY 之后，数据进入CXP Host协议解析模块，用于解析相机数据和相机信息（如帧头、状态等）。使用Hello-FPGA的CXP HOST IP Core 接收CXP相机的视频数据、发送主机的控制信号，控制信号的发送通过AXI Lite 接口完成，适配数据的接收通过AXI Stream Video格式接收。如图8所示，stream数据一分为二，一份送给PS作为监控使用，一份送给ISP 模块进行后续处理，ISP将处理结果通过DMA存储到PS DDR内存，然后软件可以读取计算结果，该计算结果与VIDEO数据一一对应，存在同步关系。
- 数据流处理部分（右侧）
AXIS数据流拆分,解析后的数据被划分为8路AXIS数据流（Stream 1 ~ Stream 8），每路数据流分别对应一个相机。这些数据流由Rx（数据接收引擎）模块处理，确保数据的稳定传输。Stream 1 Rx 处理 Camera1 数据流,Stream 2 Rx 处理 Camera2 数据流...（依次类推）。每个Rx独立工作，保证多通道数据的高效传输。经过Rx处理后的8路数据流被存储到ZYNQ PS端的DDR4中。DDR4作为高速缓存，保证数据不会因为带宽限制而丢失。存储的数据可用于进一步处理，如，直接传输到上位机进行显示或存储。
这里8路相机，每个相机大概分配不超过128MB的缓存，主要用于视频监控。8路计算结果合并成1路通过DMA存储到PS DDR内存，软件读取的时候按照存储顺序对计算结果机型划分。
图 10 ISP处理
Block Design说明
如图 11 所示，Block Design 的核心部分由 cxp_phy 和 cxp_rx 组成。其中，cxp_phy 负责 CXP 链路的物理层解析，包括信号处理和数据恢复，并将数据转换为标准的图像格式；cxp_rx 则对 cxp_phy 解析后的图像数据进行拆分和接收。
图 11 核心模块
图 12 展示了 cxp_phy 的内部结构，主要由 ext_phy 和 cxp_host 组成：
- ext_phy 实现 CXP 物理层处理；
- cxp_host 负责 CXP 协议解析，并输出图像数据。
本设计采用两个 ext_phy 模块，实现八路 CXP 相机的输入。cxp_host 输出的 dma_data[511:0] 包含所有八路相机的数据，每个相机的数据位宽是64位。其中：
第1路相机数据：dma_data[63:0]
第2路相机数据：dma_data[127:64]
......
第8路相机数据：dma_data[511:448]
此外，数据流控制信号定义如下：
- dma_ready[7:0]：指示下游模块是否已准备好接收对应通道的数据。
- dma_valid[7:0]：表示当前时刻对应相机的数据是否有效。
- dma_sop[7:0]（Start of Packet）：标识新帧的起始，仅在帧的第一行首个像素时拉高。
- dma_eol[7:0]（End of Line）：标识一行数据的结束，在每行最后一个像素时拉高。
图 12 cxp_phy Block Design
图 13 cxp host图像输出端口
如图 14 所示，cxp_rx 内部通过 video_to_axis 模块，将八路图像数据拆分，并转换为 AXI Stream 格式。如果需要对某一路相机的数据进行图像处理，只需复制该通道的 AXI Stream 数据并送入图像处理模块。复制操作可通过简单的组合逻辑实现，只需在 Block Design 中添加复制模块，并分别连接至图像处理模块和原有模块。
图 14 cxp rx Block Design
cxp_rx 还包含 Rx，用于将接收到的图像数据缓存至 DDR，如图 15 所示。
图 15 rx Block Design
如图 16 所示，ssi 数据输出部分的 Block Design 采用自定义的 axi_stream_generate 模块生成 AXI Stream 数据，并通过 axis_broadcaster 进行分流：
- 一路数据进入 axi_stream_FIFO，供上位机监测；
- 另一路通过 axis_to_uart 模块转换为串口数据，并通过 RS485 传输至 ssi 板卡。
在实际应用中，可将 axi_stream_generate 模块替换为用户的图像处理模块，确保处理后的图像参数输出符合 AXI Stream 格式，并连接至 axis_broadcaster 以实现数据分流。
图 16 ssi数据输出Block Design
软件方案
嵌入式层
嵌入PS的Linux系统驱动PL IP核，通过AXI总线控制Rx，实现内存到网络的数据搬运。嵌入式系统基于ZYNQ架构，PS端运行Linux系统，并包含相应的网络驱动。图像数据采集后，通过CXP Host模块解析并整理成AXIS数据流，随后传输至PS端的DDR4缓存区，等待上位机读取。
上位机软件（C#）
hello-fpga会提供C++/C# API接口，提供8个相机控制、显示的C# 范例，这里8路相机默认使用相同的配置，如果需要每个相机进行不同的配置，可以修改范例程序得到。
上位机软件基于C++/C#开发，主要包含设备管理、参数配置、实时显示及数据存储模块。上电后，上位机首先执行设备扫描，读取相机的设备信息。基于厂商提供的XML文件解析相机配置参数的地址和格式，并进行初始化配置。
在采集启动前，上位机会根据检测到的相机数量，动态分配 Rx 的缓存空间，并发送启动命令。采集过程中，上位机定期查询 Rx 的缓存状态，并从中读取数据，实时解码并显示在界面上。此外，界面右侧实时更新可用帧数，确保数据流畅显示，并支持用户参数调整和存储功能。
图 17 C# 范例界面图
启动与相机扫描
8个相机控制、显示的C# 范例如图9所示，上电后，软件首先执行 Scan Cameras 操作，以检测并识别系统中可用的CXP相机。扫描流程如下：上位机会向每个连接的相机发送查询命令，并从相机端读取一系列关键寄存器信息，如，厂商名称、型号、制造信息、固件版本等。
为了正确解析相机参数，上位机会根据不同厂商的XML配置文件解析相机的参数结构，获取XML文件中的寄存器地址映射，获取参数存储地址和数据格式。
根据扫描结果，动态创建相机实例，存储相机相关信息，以便后续参数配置和数据采集。
参数配置
在成功扫描到相机后，用户可以在右侧参数面板中配置相机的工作模式，参数包括：
- 图像尺寸
Image Width（ROI_X）：设置横向分辨率。
Image Height（ROI_Y）：设置纵向分辨率。
- 帧率控制
Acquisition Frame Rate：设置采集帧率（FPS），影响数据吞吐量。
- 触发模式
Trigger Source：选择触发信号源，如**软件触发、外部触发（IP Line0）**等。
- 曝光设置
Exposure Mode：设置曝光模式（自动/手动）。
Exposure Time（μs）：手动模式下的曝光时间，单位为微秒。
- 图像增强
Camera Gain：调整增益，提高低亮度场景下的图像清晰度。
Black Level：设置黑电平，提高图像对比度。
- 采集模式
TakeContinueMode（连续模式）：启用后，相机会持续采集数据，直到用户手动停止。
Trigger Mode（触发模式）：仅在收到触发信号时采集图像。
数据可视化
在用户点击 Start 按钮后，系统进入正式的数据采集流程：
（1）动态分配Rx缓存
由于不同相机的分辨率、帧率可能不同，为了优化内存使用，上位机会根据读取扫描到的相机数，动态分配 Rx 缓存空间。计算每个相机的数据吞吐量，合理分配DDR4存储区域，避免溢出或带宽瓶颈。为每个相机创建独立的缓存队列，保证数据存储有序。
（2）实时数据传输、显示
如图10所示，为8个相机采集画面的截图（只装了两个镜头，其余相机机盖未打开显示为黑色画面）。上位机不断查询 Rx 缓存中的数据量，即当前可读取的帧数。当缓存中有新数据时，上位机会将其读取并进行解码，采集到的数据会通过图形界面显示，每个窗口对应一个相机的数据流。右侧"Available Frames"区域会动态显示当前可用帧数，帮助用户监测数据采集状态。
（3）数据停止与存储
当用户点击 Stop 按钮时，系统会： 停止向 Rx 发送新的采集请求。读取并存储剩余的缓存数据，确保数据完整性。释放动态分配的缓存空间，提高系统资源利用率。
图 18 采集图像演示