商业航天与CoaXPress (CXP)PCIe-1005 4通道CoaXPress相机模拟器-重庆星测电子科技有限责任公司CoaXPress 简介CoaXPress (简称CoaXPress)是指一种采用同轴线缆进行互联的相机数据传输标准主要用于替代之前的Camera Link协议常见于科学相机、工业相机、医学图像、航空防务等场景。Camera Link 由于线缆的形式、传输速度等原因已经不再适用于不断增长的数据带宽需求。CoaXPress是一个非对称的高速点对点串行传输协议主要用于传输视频和静态图像线缆多使用单条或多条同轴电缆。目前2.0标准的最高速度为单条lane 12.5Gbps单条lane 上除了传输图像数据之外还可以传输低速控制信号(41.6Mbps)、也可以利用该线缆对相机进行供电即“Power-over-Coax”单条线缆最长可达100m。单条同轴线缆最高12.5Gbps的线速率可以使用单条或者多条线缆比如4条线缆可以最高提供50Gbps的数据速率较长的线缆长度比如3.125 Gbps 速率下线长可以到100m12.5Gbps速率下可以到35m数据传输具备实时和低延迟的特性且延迟是固定的精准实时的触发特性支持通过同轴线缆发送触发无需额外的通讯线缆可以获得灵活可靠的性能通过使用标准的同轴线缆比如RG59 和 RG6规格推荐使用RG6易于集成的特性图像、控制通讯、电源可以使用同一条线缆且线缆价格便宜CoaXPress是一种点对点可扩展接口, 设备和HOST之间的物理介质为75Ω 同轴电缆。每一个CoaXPress接口都包含1个MASTER连接和若干可选的扩展SLAVE连接每一个连接都需要1条同轴线缆通常设备会对这些连接进行编号MASTER固定为0SLAVE扩展接口依次递增。图 ‑1CoaXPress链接结构每一个connection都包含如下功能高速串行数据(通常为Device到 Host Downconnection), 最高 12.5 Gbps.低速串行数据(通常为Host 到Device Upconnection), 最高 41.6˙ Mbps .供电功能Power (Host 到 Device), 最高13W.图 ‑2DownConnection 与Upconnection表 -1 CoaXPress 支持的高速信号速率CoaXPress SpeedBit Rate (Gbps)CoaXPress-11.250CoaXPress-22.500CoaXPress-33.125CoaXPress-55.000CoaXPress-66.250CoaXPress-1010.000CoaXPress-1212.500商业航天上的CXP受益于CXP的单缆高速率、双向通讯、可供电、可扩展等优点其在商业航天遥测、图像回传与在轨设备协同控制中正加速落地目前已经应用在新型的卫星系统中。星测电子可以提供完整的地面测试系统提供收、发全套测试。Channel CoaxPress HIL System 硬件在环测试HIL全称为Hardware-in-the-Loop中文为“硬件在环”, 它是一种实时仿真测试技术广泛应用于汽车、航空航天、电力电子、工业控制、轨道交通等领域用于在开发早期、故障调试时期对控制器ECU、FPGA、PLC 等进行高保真、安全、可重复的测试。CoaXPress作为一个被广泛接受、应用的图像接口技术在工业现场、科研实验、航空航天等领域均具有大量应用、测试需求星测电子提供了灵活的CoaXPress V2.0 HIL 系统解决用户开发、测试需求帮助用户快速定位问题、高效构建测试系统。图 1‑3 PCIe-1004-1005 4 Channel CoaXPress HIL SystemPCIe-1004-1005 4 Channel CoaXPress HIL System 主要由以下几部分组成PCIe-1005 4-Channel CoaXPress Camera Simulator 模拟CoaXPress 相机PCIe-1004 4-Channel CoaXPress Frame Grabber 采集CoaXPress 相机数据HDBNC-HDBNC线缆GUI 软件其中HDBNC-HDBNC线缆图 1‑4 CoaXPress 常见接口PCIe-1005 4-Channel CoaXPress Camera Simulator4通道CoaXPress HDBNC接口均衡器EQCO125x40用于CoaXPress发送PCIe Gen3x8 高速接口4GB 板上缓存兼容CoaXPress 1.0/2.0每通道带宽最高可达 12.5Gbps支持任意图像格式、图像尺寸模拟支持线阵和面阵图像输出图像输出时序任意配置支持FPGA内置图像源、软件任意图像源图像通过文件夹读取支持png,bmp,jpeg,tiff等常规图像格式支持raw格式图像和raw视频文件支持图像循环输出、触发输出、连续输出配备丰富的 External I/O 接口如 RS-485、光耦隔离输入/输出、LVDS、TTL适用于复杂工业环境可以用于各种形态的触发信号生成。支持自定义协议适合应用于航天相机场景图 ‑PCIe1005接口图PCIe-1004 4-Channel CoaXPress Frame Grabber:4通道CoaXPress HDBNC 接口均衡器EQCO125x40用于CoaXPress接收PCIe Gen3x8高速接口4GB 板上缓存兼容CoaXPress 1.0/2.0每通道带宽可达 12.5Gbps内置PoCoaXPress 功能支持通过同轴电缆对相机供电提供AravisSDK和GenTLProducer SDK兼容主流机器视觉软件平台配备丰富的 External I/O 接口如 RS-485、光耦隔离输入/输出、LVDS、TTL适用于复杂工业环境。支持自定义协议适合应用于航天相机场景图 1-1 PCIe-1004接口图其中详细产品信息请查阅对应产品手册。应用场景从协议角度来看主要有2个应用场景1个是模拟标准CoaXPress相机应用于工业、科研1个是模拟非标准CoaXPress 相机应用于航天等特殊场景。标准CoaXPress相机PCIe-1005 可以模拟标准CoaXPress2.0 协议CoaXPress相机适用于工业、科研等使用标准CoaXPress相机的场景。非标航天相机航天相机多数使用了CoaXPress的电气标准但是没有使用CoaXPress的协议标准无法使用标准CoaXPress模拟器进行HIL测试PCIe-1004-1005 HIL System 支持非标CoaXPress相机HIL 测试可以满足这类应用需求。应用案例一系统技术参数及性能要求相机参数设置支持四路独立数据生成线速率、数据结构可通过上位机配置自定义采用 8B/10B 编码接收端基于 K28.5 字符的自定义格式实现同步与对齐。多光谱相机线速率 1.25Gbps参考时钟 125MHz数据含辅助数据固定 非固定参数与图像数据帧头 / 帧尾分别为 / SF//EF/空闲时发送 / SP / 同步字符的自定义格式。高光谱可见光相机线速率 3.125Gbps支持推扫 / 面阵模式每行数据含辅助数据区与图像区辅助数据分 8 行插入。帧头帧尾与空闲时的同步字符为自定义格式。高光谱红外相机线速率 5Gbps输出 257 行 / 帧数据首行为辅助数据后 256 行为图像数据含相机标识、时间信息、校验和等字段。帧头帧尾与空闲时的同步字符为自定义格式。备用接口GT 核配置可自定义暂不指定数据格式。FPGA软件GT参数支持用户修改上位机提供SDK和对应GUI代码方便用户修改使用。支持帧率、尺寸修改触发设置。辅助数据使用csv文件方便用户编辑图像数据支持tiffbmpraw格式一级bin二进制数据。数据显示与存储支持四路不同线速率、不同结构 CoaXPress 数据的独立接收与存盘。支持长时间、大文件连续播放、存储。数据存储需按 “时间 通道” 命名规则分类存储介质为数据接收主机 SSD。兼容模拟源输出的各类数据格式。FPGA软件GT参数支持用户修改上位机提供SDK和对应GUI代码方便用户修改使用。用户存储数据为bin文件视频播放时允许加载辅助数据格式并去除辅助数据进行抽帧显示PCIe1005数据模拟源组成相机 CoaXPress 数据模拟源主要由数据模拟主机、CoaXPress 数据模拟源板卡和 CoaXPress 线缆组成其中 CoaXPress 数据模拟源模块采用 Hello FPGA 的 PCIe-1005 4-Channel CoaXPress Camera Simulator 板卡数据模拟主机的主控上位机软件采用与模拟源模块配套的上位机软件通过上位机软件的配置实现四路不同线速率和不同结构的独立数据的生成。相机 CoaXPress 数据模拟源要求通过数据模拟主机上的主控上位机软件中参数配置的修改实现四路不同线速率和不同结构的独立数据的生成。图 -1 相机 CoaXPress 数据模拟源组成示意图软件说明1005的qt界面主要包含六个部分通道选择切换 CXP1/2/3/4 通道对应板卡物理接口 CXP0/1/2/3。参数配置核心设置区根据模式不同配置项有所区别。配置文件加载或保存当前参数设置。帧头帧尾设置配置帧头和帧尾的值和k码标识。控制按钮开始/停止传输。日志窗口实时显示运行状态、错误提示及操作反馈。透传模式相机数据时钟数 除去帧头和帧尾后有效数据的时钟个数。必须准确匹配数据长度否则会导致图像错位或丢包。消隐时钟数设置每包数据之间的间隔时钟。像素格式如 Mono16 (16bit)。传输模式可选择“有限帧”或“连续环绕”连续模式下数据总量需 1000MB。此模式只需一个数据源无需辅助数据。CXP1\CXP2\CXP4随机传感器模式相机数据时钟数指单帧图像区域的数据时钟总长度。辅助数据时钟数设置辅助数据所占用的时钟长度。此参数仅在随机传感器模式下生效透传模式下无效。LAW 指定每次传输的数据包数量。此参数仅在随机传感器下使用。帧间隔完成一轮数据传输后需要等待多少个数据包周期再启动下一轮。其他参数同样支持消隐时钟、像素格式及传输模式有限帧/连续环绕设置。随机传感器模式需要传入两个数据源数据源需要包含.dat相机数据和.csv辅助数据。点击浏览选择文件。CXP3普通模式参数配置跟随机传感器模式类似。CXP3则需要选择辅助数据文件、红外数据文件以及相机数据文件。红外数据文件会作为数据的第一行发送相机数据文件则从第二行开始。帧头帧尾设置用于配置数据包的帧头和帧尾标识包含数值和K 码两个部分。帧头/帧尾值用户自定义的标识数据。K码标识1表示k码0表示D码。注意在透传模式下帧头和帧尾存储在文件中存储格式须遵循小端模式 即低八位数据存储在低地址高八位数据存储在高地址。若大小端顺序不一致将无法识别帧边界导致采集失败。示例若配置值为 0x1234在内存/文件中应为 [0x34, 0x12]。PCIe1004数据采集系统组成CoaXPress 数据采集系统主要由 CoaXPress 数据采集模块、数据接收主机和 CoaXPress 线缆组成其中 CoaXPress 数据采集模块采用 Hello FPGA 的 PCIE-1004 4-CHANNEL COAXPRESS GRABBER板卡数据接收主机的主控上位机软件采用与采集模块配套的上位机软件通过上位机软件的配置实现四路不同线速率和不同结构的独立数据的存盘。CoaXPress 数据采集系统需与第一节的相机 CoaXPress 数据模拟源联合使用因此 CoaXPress 数据采集系统需要对相机 CoaXPress 数据模拟源的四路不同线速率和不同结构的 CoaXPress 数据输出进行采集。因此对 CoaXPress 数据采集模块的四个 GT 核配置也需要可重新自定义。图 -2 相机 CoaXPress 数据模拟源组成示意图软件说明CXP 0、1、2、3分别代表硬件的0123四个gt口每个窗口配置是独立开的四路gt口的速率严格按照协议上要求配置可以在上位机不同的窗口操控选择对哪路gt口进行采集参数配置目标采集参数根据需求配置采集一次的帧数-1表示一直读取。每帧时钟周期数每一帧数据包含的时钟周期数包含帧头和帧尾的长度。每时钟字节数每个时钟周期包含的字节数。目前协议固定是2字节最终采集到的数据量目标采集参数x每帧时钟周期数x每时钟字节数在上位机最上面部分可以浏览存放的路径来保存所采集到的数据包和格式选择当前分为bin和dat格式保存下来的文件格式如下由通道号和采集时间组成。图 -3 采集系统上位机软件界面在上位机最上面部分可以浏览存放的路径来保存所采集到的数据包和格式选择当前分为bin和dat格式保存下来的默认文件格式如下由通道号和采集时间组成。图 -4 保存文件格式示例