文/ Bob McCurrach，A3标准开发总监

Mike Miethig，Teledyne DALSA技术经理

Martin Schwarzbauer，Excelitas PCO相机系统经理

随着越来越多的应用对高精度成像的需求日趋迫切，图像传感器和相机制造商正在通过更小的像素尺寸、越来越多的像素数量和更高的帧率，来挑战分辨率的极限。这一进展当然也伴随着接口协议的进步，以便能以更高的速度传输更多的图像数据。

目前市场上存在几种标准化协议，Camera Link HS是在速度、可靠性、易于开发和带宽方面的领导者之一。在即将发布的版本中，Camera Link HS将提供显著的能力扩展，这使其有望成为高速相机接口的青睐之选。

从Camera Link到Camera Link HS

Camera Link High Speed（Camera Link HS或CLHS）是用于工业相机及其系统的一种成熟且强大的接口标准。它是从视觉行业的第一个标准相机接口协议Camera Link发展而来的。最初于2000年发布的Camera Link，是在先进自动化协会（A3）的主持下，完全由志愿者开发的协议。Camera Link能在相机和图像采集卡之间提供实时、高带宽的并行双向通信。除了能以极低的延迟进行实时高速传输外，Camera Link还提供标准化连接，电缆成本低，并且能通过Camera Link线缆为相机供电（PoCL）。

CLHS于2012年推出，它建立在Camera Link的低延迟、零抖动和实时传输的基础之上。CLHS标准进一步提供了可扩展的带宽和极其可靠的数据传输，支持铜缆和光纤布线，更重要的是提供了知识产权（IP）内核方便组件开发。

A3组织了许多技术委员会来开发和维护数字接口标准和接口代码，CLHS就是其中之一。目前的1.1版本，CLHS用两个物理层编码实现其协议：M协议和X协议。A3提供的VHSIC硬件描述语言（VHDL）IP内核，已经在altera、Xilinx和Microsemi的FPGA上得以应用。这些内核可用于相机和图像采集卡等部件，A3提供的内核价格为1000美元，以促进该标准的推广并加快该技术的普及。

廉价的IP内核，有助于相机和图像采集卡制造商加快CLHS的开发和使用。由于CLHS IP内核代码是开源的，授权用户可以为他们的应用定制内核。用户可以通过增加功能对其进行改进，而这些功能在经过技术审查和批准后，可以成为IP内核的永久组成部分。

CLHS M协议IP内核具有经过验证的、成熟的8b/10b编码技术，可用于低成本和低功耗FPGA中。它支持铜（C2）线缆，CX4连接长度达15m，速率达2.1Gbps。可以从外部添加有源插接式光纤电缆，以实现长达100m的传输距离。M协议的典型速率为每通道高达5Gbps。

CLHS X协议IP内核使用64b/66b编码技术，主要设计用于10Gbps和更高的传输速率。其他接口协议，如CoaXPress（CXP），正在向这种编码结构发展。请注意，由于编码技术的原因，CLHS 10Gbps相当于CXP 12.5Gbps。X协议还具有前向纠错和单比特（single-bit）抗错能力。该协议旨在支持光纤连接F2（SFP+）和即将推出的F3（QSFP+、以及多光纤推送MPO）连接器，每条线路的速率高达16Gbps。它也支持CX4（C3）铜缆连接，但最高的数据速率和最长的线缆长度（在某些情况下高达20km或更长）还是通过光纤布线实现的。重要的是，64b/66b编码的X协议自2012年以来一直在生产，并且具有长期的现场测试稳定性。

CLHS提供五种信息类型：低延迟（<1μs）的0ns抖动触发器，用于实时成像，频率高达8MHz，有七种独立模式；16个双向通用I/O，延迟<1μs；远程DMA视频包和图像采集卡数据转发；高速命令上行，实现流式修正系数；以及用于设备发现的修订信息。CLHS的一大价值在于：它是一个实时的、点对点的接口。在CLHS触发器和GPIO背景下，低延迟意味着立即响应，消除了其他接口可能出现的跟踪和调度需求。

图1：典型的X协议（XP）Camera Link HS设备架构的特点是，XP内核位于前端，它将用户逻辑与CLHS PCS层IP连接起来。（图片来源：A3旗下CLHS技术委员会）

CLHS X协议可以连接到10GBASE-KR以太网PHY物理层；图1用于没有内置10Gbps收发器的FPGA；或者使用提供的物理编码子层（PCS）模块，在具备10Gbps能力的FPGA（不提供10GBASE-KR能力）内实现编码（见图2）。由于CLHS X协议的独特实现方式，Camera Link HS已经处于将该规范推向25Gbps的最后阶段。

图2：CLHS X协议可使用所提供的物理编码子层（PCS）模块，在10Gbps图像采集卡内实现编码。

为25Gbps做好准备

精心设计的IP内核架构，使得CLHS无需任何修改，就可以使用25Gbps收发器通过SFP28或QSFP28或MPO连接器的光纤连接，在FPGA上实现25Gbps的速率。即将发布的规范修订版，将验证CLHS使用单个MPO连接器具有高达100Gbps（4×25Gbps）的可用带宽。

在实现这一速度提升的过程中，CLHS X协议IP内核保持完全不变。因此，所有现有的CLHS基础设施也保持不变，这使得供应商和用户向25Gbps的迁移，不但成本低廉，而且简单明了。与此形成鲜明对比的是，图像采集卡接口需要改变内核代码，并转向不同的线路编码来实现更快的速率。此外，CLHS有一个非常灵活且强大的机制来改变接口速度。使用MPO到LC、SFP28，可以向后兼容现有的CLHS 10Gbps图像采集卡或新开发的25Gbps图像采集卡，以支持现有的10Gbps相机。

实现50Gbps及更高的速率

随着FPGA和PHY技术准备好了支持50Gbps及更高的速率，Camera Link HS准备以更高的成像速率提供强大的实时相机接口。CLHS标准中已有的特性和功能，使通往50Gbps的道路毫不费力。CLHS工作组利用现有的X协议IP内核，在X协议IP内核PCS的64位输出、到具有内置SerDes块的50Gbps FPGA的128位输入之间，增加了一个简单的桥梁。

为了实现50Gbps的速率，CLHS将在一条光纤中使用一个主通道和从通道，引入一个虚拟通道。通过规范中的这一微小变化，部件供应商将能够轻松迁移到更高速度的接口，对硬件和软件架构的影响最小。

图像采集卡的未来

Camera Link HS标准在实施通用IP核、开源VHDL以及固有的高级线路编码和纠错方面，是为未来的成像而建立的。该标准面向未来的一个关键是对光纤布线的无缝支持，这可能成为大多数成像环境的标准。与传统的铜线相比，光缆并不脆弱，也不容易受到弯曲、缠绕或挤压的影响。就目前的技术而言，光纤很容易操作，而且可以现场安装和修改。光纤能在几公里的距离上传输两倍于铜线的带宽，而且光纤也比铜线便宜。

Camera Link HS已经是一个强大的成像接口标准，并将会继续改进。它在2012年使用的64b/66b编码技术仍然为制造商和终端用户提供了从10Gbps一直到50Gbps的长设计周期。该标准的许多特性和能力，使其在现在和未来的高速成像应用中脱颖而出，成为用户的青睐之选。