系统工作原理：系统上电后，FPGA控制单元首先对高帧频CMOS传感器内部参数实现配置，配置完成后,高帧频CMOS图像传感器开始工作，通过内部的光电转换、模数转换将外部镜头采集到的图像转换成数字图像的帧频信号、行频信号、像素时钟信号，并将图像数据传送给FPGA内部的FIFO进行缓存处理。为了提高数据的缓存处理速度，提高CPU的利用率，系统中采用了2个FIFO的乒乓操作来完成数据的缓存。经过FIFO缓存处理后的图像数据输入到PCI-E图像采集单元的DMA数据流，上位机软件结合驱动程序控制PCI-E采集单元，通过中断操作触发DMA操作，将数据通过DMA数据流传输到计算机内部存储器中，上位机软件实现图像的处理与显示，重现成像单元捕获的图像。
2 系统硬件
2.1高帧频CMOS成像单元
　　高帧频CMOS 成像单元主要由CMOS图像传感器与FPGA控制芯片组成。CMOS图像传感器是系统的成像部件，它是系统的“眼睛”，能够捕获高速运动物体的图像，其电路输出为数字信号图像数据。本文中所采用的CMOS图像传感器是Cypress公司推出的产品LUPA-300，它将模拟图像获取、数字化和数字信号处理的功能集成在单一芯片中，分辨率为640×480；帧频达到250帧/s，属于高帧频图像传感器，可以实现动态目标的跟踪拍摄；动态范围为61 dB,采用多斜率积分最高可达到90 dB；内部集成有4个独立的模数转换器(ADC)，采样率为80 MS/s，集成的ADC提供10 bit的数字信号输出，内部有大量的寄存器和控制器，可以对传感器的工作状态进行选取，实现实时调整；采用同步快门，具有随机开窗与亚采样功能，可对片上任意感兴趣的区域进行读取，并且每帧图像可以读取不同的区域。该传感器的时钟频率可达到80 MHz。
　　LUPA-300供电要求比较复杂，需要提供6种电源：VDDA(模拟电源+2.5 V)、VDDD(数字电源+2.5 V)、VPIX(像素电源+2.5 V)、VRES(复位电源+3.3 V)、VMEM_H(像素存储电源+3.3 V)、VADC(ADC电源＋2.5 V)。由于需要电源较多，在电路设计中考虑到元件的管脚分布情况，尽量做到电源和地到相应的管脚距离最短。同时为了保证传感器工作稳定，在位于传感器底座下方的TOP层进行了大面积铺地。出于冗余保护的考虑，传感器的所有供电管脚都并接了2个0.1 μF和0.01 μF电容。为了使传感器正常成像，选用F=50 mm的V5013标准镜头。外壳由铝制材料加工而成，正中心位置提供镜头接口。
2.2 时序控制与自动化参数配置
    LUPA-300图像传感器内部有16个寄存器，地址从0000～1111，每个寄存器有16位，其中高4位代表寄存器的地址，低12位是寄存器的数据，每一位都有特定的含义，通过改变每一位的数值就可以改变LUPA-300的功能特性。LUPA-300传感器提供了专用的SPI总线接口，设计中采用FPGA与图像传感器之间通过SPI总线传输协议实现对LUPA-300图像传感器内部参数的配置。SPI总线的工作时序如图2所示，每个数据有16位，后4位（bit<15:12>）为地址位,对应于CMOS图像传感器内部寄存器的地址，前12位（bit<11:0>）为数据位，对应于系统成像单元的成像参数。

　　为了方便地更改传感器内部参数，以根据不同需求来改变传感器的工作状态，系统采用了串行通信。上位机通过串行通信向FPGA发送数据，FPGA接收到数据后对数据进行处理，一方面将接收到的数据反馈给计算机，检验数据的正确性；另一方面通过SPI总线将数据传送到图像传感器内部，实现内部参数的改变。结构原理图如图3所示。

2.3 FPGA控制单元
　　FPGA控制芯片是系统的“指挥中心”，也是系统设计中的一个核心器件，用以协调整个系统的工作，其作用贯穿于整个系统。完成的主要功能包括：(1)进行自身的I/O口和有关功能控制寄存器的初始化；(2)系统上电后完成对高帧频CMOS图像传感器的图像参数配置；(3)内部FIFO资源实现高速图像数据的缓存处理；(4)为PCI9054接口芯片提供外部中断信号及DMA控制时序； (5)接收计算机的控制命令控制整个系统的功能实现。本系统选用Xilinx公司的XC2S200,片内集成有56 KB的Block RAM, 4个延迟锁相环DLL(Delay-locked Loop)。
　　XC2S200能兼容多种I/O电压，并且具有丰富的I/O引脚。核心电压为＋2.5 V，设计中采用的I/O电压为＋3.3 V。
2.4 图像采集单元
　　为了实现对CMOS相机大容量、高速图像数据记录，要求数据采集系统具有数据传输效率高、传输延时低、系统集成度高、系统可维护性高等特点。本系统采用PCI-E总线实现数据的传输，PCI-E采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI-E的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。
　　系统采用PCI-E插卡实现图像数据的采集，采集单元主要由采集接口电路与图像采集卡组成。采集接口电路与硬件的数据总线和控制总线相连，并提供采集单元的标准数据接口；采集单元通过采集接口电路与系统的控制总线和数据总线相连。PCI-E接口芯片采用PLX公司的专用接口芯片PEX8311来实现^[4]。PEX8311是PLX公司推出的第一款从PCI-E总线到本地总线的接口芯片，它完全符合PCI-E1．0规范，支持热插拔功能，并且其本地端寄存器与PLX公司PCI系列接口芯片基本兼容，这为使用PLX公司产品的用户开发PCI-E接口提供了方便。PEX8311在PCI-E端实现了×1的PCI-E接口，2对差分线分别负责发送和接收数据，一对参考时钟差分线供PCI-E接口的通信双方在训练时建立连接使用，接口的单向数据传输率为2．5 Gb/s，由于串行数据采用8 bit/10 bit编码，其有效总线带宽为256 MB/s；本地端为32 bit、66 MHz的1．ocal Bus，总线带宽为264 MB/s。
3 系统软件
3.1 驱动程序
    PCI-E总线与PCI总线在软件层是完全兼容的，因此，PCI-E卡驱动程序的开发过程与PCI设备驱动程序的开发过程是一样的，本设计开发了PCI-E卡的WDM 驱动程序。
    驱动程序的开发选用Comppuware公司的开发工具包Driver Studio，Driver Studio开发工具包简化了Windows平台下设备驱动程序的开发、调试以及测试，它包括VtoolsD、DriverWorks和SoftICE等开发工具。该软件包是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++，使用和维护都比较方便，它可以集成到Visual C++环境中，针对特定的应用生成相应的驱动程序框架，在编程中采用面向对象的编程方法，极大地提高了编程效率。
　　驱动程序主要完成的功能：(1)设备的初始化，找到所要控制的硬件,在驱动程序对象中设置驱动程序分发例程的程序入口点；建立所有驱动程序对象或其他系统资源； (2)创建设备对象,利用AddDevice函数创建了一个设备对象，并将其连接到以PDO为底的设备堆栈中；(3)中断的响应与处理，完成了对外部硬件中断的响应，并将中断信息传递给应用程序，通过应用程序实现一定的功能；(4)DMA操作，完成DMA的读写操作，并在DMA传输结束后产生DMA中断，通过响应的DMA中断处理将传输的数据发送到外部总线或应用程序。
3.2 上位机软件
　　上位机应用程序使用Visual C++开发，采用Visual C++的MFC框架，编写一个多线程图像采集与处理程序。为了方便用户操作，创建了一种基于对话框的应用程序，用户只需要控制相关的按钮及菜单即可实现图像采集的相应功能。应用程序主要完成的功能包括：(1)传输计算机指令到采集单元，对系统硬件进行控制；(2)配置数据采集卡，采集处理FIFO输出的数据；(3)进行简单的图像处理与分析； (4)对采集数据的硬盘存储与图像恢复显示。软件流程如图4所示。

4 实验结果
　　系统测试过程中，整个系统通过PCI-E插槽与计算机相连，通过上位机软件控制系统硬件电路工作，并通过PCI_E总线传输获取图像数据进行显示，系统在全帧模式(640×480)下对实际目标进行了实时跟踪拍摄，拍摄到的图像如图5所示。