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Camera Link协议

来源：光虎

Camera Link协议的产生背景

在高数据率、综合数据交换时代，传统的线缆已经不能满足需求了，为保证在高数据率条件下通信的可靠性，需要特别制定一个标准的引脚分配和线缆装配方法来确保兼容设备能够轻而易举地连接在一起。该标准可以使用户通过大批量购买线缆来降低开发成本。并且，该标准接口的存在也应该能大大节约用户为整合一套兼容的相机和图像采集卡而花费在获得技术上的时间，在此背景下Camera Link标准诞生了。

2000年，在美国自动化工业学会AIA的推动下，由几家专做图像卡和摄像机的公司联合发布Camera Link标准协议。该标准协议是基于美国National Semiconductor公司Channel Link的技术发展而来的，并定义出配套的标准工业接口器件，标准化了信号线，让相机和图像采集卡的信号传输更加简单化。同时定义了3种传输模式：基本模式(Base Configuration)、中级模式(Medium Configuration)、完整模式(Full Configuration)，以及相应的信号引脚规范和数据传输量，并且同时提供4路的相机控制信号线。

图 1 Camera Link线缆

Camera Link的变体

由于单个Camera Link芯片只有28位数据可用，为了提高传输数据的效率，需要几个Camera Link芯片。按使用要求不同，视频传输模式分为三种配置：Base(基本)配置为一个Camera Link芯片，一根电缆； Medium(中级)配置为两个Camera Link芯片，一根电缆；Full(完整)配置为两个Camera Link芯片，两根电缆。

Base模式需要一块Channel Link的芯片和一个Camera Link机械接口，发送器在每个像素时钟里发送 28bits数据，包括4bits的图像使能信号和24bits的图像数据。24bits图像数据可以是一个像素点的24-bitRGB数据、3个像素点的8-bit黑白图像数据、1到2个像素点的10-bit或12-bit的黑白图像数据、一个像素点的14-bit或16-bit的黑白图像数据。Base模式产生的视频数据吞吐量为2.04Gbit/s(255MB/s)。

Medium模式需要两块Channel Link的芯片和两个Camera Link机械接口，发送器在每个像素时钟里发送40bits数据，包括4bits的图像使能信号和36bits的图像数据。4bits图像使能信号与Base模式下相同。36bits图像数据可以是一个像素点的36-bit或30-bitRGB数据、4个像素点的8-bit黑白图像数据、3到4个像素点的10-bit或12-bit的黑白图像数据。Medium模式视频数据吞吐量为4.08Gbit/s(510 MB/s)。

Full模式需要三块Channel Link的芯片和两个Camera Link机械接口，发送器在每个像素时钟里发送68bits数据，包括4bits的图像使能信号和64bits的图像数据。4bits图像使能信号与Base模式下相同。Full模式视频数据吞吐量为5.44Gbit/s(680MB/s)。

Deca模式是由于某些相机和数据采集硬件制造商已将接口的带宽扩展到超出了Camera Link接口规范所施加的限制，所以通过利用8个未使用的位并重新分配8个冗余成帧/启用位来在两个连接器/电缆上产生高达80位的数据路径宽度来扩展“Full”配置的宽度，从而进一步增加了视频带宽。Deca模式视频数据吞吐量为6.8Gbit/s(850MB/s)。

业界已经就80位版本达成共识，并且兼容的相机和图像采集卡以“Camera Link Deca”一词进入市场。但是有部分制造商使用“Extended Full”来指代Deca配置，而另一些制造商则使用“Full Deca”。

图2 图解Base、Medium、Full

标准规定了与Camera Link一起使用的26针微型Delta色带连接器(MDR-26)，2007年升级的1.2版标准中，首次引入了Mini SDR(Shrunk D Ribbon)连接器(SDR-26)和相机链路电源(PoCL)，即Mini Camera Link接口，以及Power over Camera Link功能。

图 3 连接器的引脚分配

Camera Link标准的技术特点

Camera Link技术标准是基于National Semiconductor公司的Channel Link标准发展而来的，标准的Camera Link是由多路Channel Link复用而成的，不仅包含相机图像数据信号和时钟信号，而且还包含相机的控制信号和串行通信信号，而Channel Link标准是一种多路并行LVDS传输接口标准。LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，电压摆幅在350mV左右，具有扰动小、跳变速率快的特点，在无失传输介质里的理论最大传输速率在 1.923Gbps。

Camera Link就是一种基于物理层的LVDS传输方式。下图为Camera Link总线发送端与接收端的连接框图，也是该总线的基本模式。总线发送端，将28位并行数据转换为4对LVDS串行差分数据传送出去，还有一对LVDS串行差分数据线用来传输图像数据输出同步时钟；而总线接收端，将串行差分数据转换成28位并行数据，同时转换出同步时钟。这样不但减少了传输线的使用量，而且由于采用串行差分传输方式，还减少了传输过程中的电磁干扰。

图 4 Camera Link总线基本模式

所以，Camera Link有实时、高速的特点，高带宽保证了密集数据的快速传输，并且无延迟，采用串行差分传输的方式使得抗干扰的能力也尤为突出。

不断的升级和进化

随着相机帧率的不断提高，Camera Link标准无法轻松扩展到850 MB/s以上，因此需要另一个新接口来满足以相同甚至更低的成本获得更高带宽的需求。在众多行业领先的生产商对最佳技术解决方案进行了广泛的探索之后，Teledyne DALSA的HS-Link技术提供了第一个“概念证明”，以单链路（或者在Camera Link HS行话中叫做“lane”）实现最高300 MB/s的传输速度，并以20条通道实现最高6GB/s的传输速度。

Camera Link HS标准中，电缆可以直接连接FPGA，无需额外器件或者设备，因此成本更低。同时Camera Link HS可以用较高的电压，以及接收机自动均衡来补偿电缆损耗，从而实现较远距离的信号传输。

相较于Camera Link线缆，Camera Link HS在超过15m的时候可以拥有更长的传输距离；在低于15m的情况下，Camera Link HS单根线缆即可达到和2根Camera Link线缆同样的带宽，部署成本却更低。同样都是3mm线缆直径，Camera Link HS在单根线缆上的带宽高达3.4Gbit/s。