基于PEX8311芯片和FPGA器件實現(xiàn)高速圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設計

基于PEX8311芯片和FPGA器件實現(xiàn)高速圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設計圖像采集和處理技術在機器視覺和圖像分析等諸多領域應用十分廣泛。隨著高速的PCIExpress（PCIE）總線的出現(xiàn)，基于PCIE接口的高速數(shù)據(jù)采集卡將在數(shù)據(jù)傳輸和處理量很大的場合發(fā)揮越來越重要的作用。CamLink相機是指帶有CameraLink接口的相機。CameraLink是由數(shù)家工業(yè)攝影機及影像卡大廠共同制定出來滿足各種視頻傳輸要求的標準接口。這個標準不僅可以滿足各種高速視頻傳輸?shù)囊?，?guī)范了數(shù)字攝像機和圖像采集卡之間的接口，而且使視頻設備提供商在設備開發(fā)和維護上的時間和成本大大減少。CameraLink提供了超高的圖像傳送速度，并且由于它的高性能、低成本以及其連接的便利性，迅速得到大多攝像頭及圖像采集卡生產(chǎn)商的支持。在一些高端領域，尤其是機器視覺領域，對計算機的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力提出了嚴重的考驗，當前圖像采集卡的發(fā)展逐步向高速穩(wěn)定傳輸和高速處理方向發(fā)展。PCIExpress采用了目前業(yè)內流行的點對點串行連接方式，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。PCI-Express規(guī)格從1條通道連接到32條通道連接，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統(tǒng)設備對數(shù)據(jù)傳輸帶寬不同需求。例如，PCIExpressX1規(guī)格支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，每向數(shù)據(jù)傳輸帶寬250MB／s，而33位33MHz的PCI總線傳輸帶寬僅為133MB／s。PCIExpressX16模式每向數(shù)據(jù)傳輸帶寬可高達4GB／s，雙向數(shù)據(jù)傳輸帶寬有8GB／s之多。所以對于高幀頻的CamLink接口相機來說，傳統(tǒng)的總線（例如PCI總線接口）已經(jīng)不能滿足實時圖像傳輸?shù)囊蟆１鞠到y(tǒng)使用PLX公司的PEX8311作為PCIExpressX1接口芯片，系統(tǒng)中采用FPGA芯片實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，利用FPGA內部提供的FIFOIP核和外接的兩片獨立的SDRAM實現(xiàn)了高速圖像數(shù)據(jù)的緩存處理。1、系統(tǒng)構成及原理基于PEX8311的CamLink圖像采集系統(tǒng)的硬件結構分為4個模塊：CamLink接口模塊、FPGA控制模塊、SDRAM存儲模塊、PCI-Express接口模塊。圖1為系統(tǒng)的原理框圖：系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)上電后，上位機軟件通過驅動程序控制FPGA對CamLink相機進行內部參數(shù)配置。配置完成后，CamLink相機輸出幀頻信號、行頻信號、像索時鐘信號和視頻信號。由于CamLink接口輸出的是差分信號，所以通過DS90CR288A芯片將差分轉換成單端信號，輸入給FPGA。在FPGA內部，通過FIFO對數(shù)據(jù)進行緩沖，在同步和時鐘信號的控制下，F(xiàn)IFO輸出的數(shù)據(jù)存放到SDRAM中。由于在同一時刻只能對SDRAM進行讀或寫操作，所以為了防止數(shù)據(jù)丟失，F(xiàn)PGA外接兩片SDRAM，在奇幀的時候，向SDRAM1寫一幀圖像，而從SDRAM2讀已保存的偶幀圖像，完成圖像傳輸?shù)钠古也僮鳌Ｊ褂肞EX8311芯片完成PCIE接口，PEX8311由FPGA的邏輯程序對其控制。在上位機編寫基于PCIE總線的驅動程序，將圖像從SDRAM使用DMA方式讀到計算機的內存中，上位機軟件實現(xiàn)圖像的顯示和處理。2、PCI-Express接口模塊PCI-Express的接口實現(xiàn)方法很多，在本設計中使用PLX公司的PEX8311芯片通過橋接方式實現(xiàn)。PEX8311作為一種橋接芯片，在PCIExpr-ess總線和Local總線之間傳遞信息，它可以作為2個總線的主控設備去控制總線，也可以作為兩個總線的目標設備去響應總線。芯片通過內部的控制邏輯模塊、內部總線狀態(tài)機和局部總線狀態(tài)機模塊來共同控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸。PEX8311的控制邏輯模塊包含各種寄存器組，這些寄存器組用來控制數(shù)據(jù)的傳輸，記錄傳輸?shù)臓顟B(tài)。PEX8311提供兩個串行E2PROM接口，在系統(tǒng)上電后讀取配置信息。SPI串行E2PROM是PCI—Express的配置E2PROM。它主要用來控制PCI—Express的性能。PEX8311提供完備的PCI—Express從設備支持，PCI-Express接口部分的信號線可以直接與PCI—Express連接器（俗稱金手指）連接。其中，REFCLK±是一組差分時鐘，它由系統(tǒng)主板提供。2個參考時鐘都要求保持在正常工作頻率100MHz的±300ppm之內。PRSNT1／PRSNT2信號線用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設計中將PRSNT1和PRSNT2相連，這樣當接口板插入到PCI—Express連接器時就能進行存在檢測。PCI-Express接口部分原理圖，如圖2所示。3、系統(tǒng)軟件設計3．1FPGA邏輯程序使用Verilog編寫FPGA邏輯控制程序，共有5個底層模塊和1個頂層模塊。每個模塊負責不同的功能。頂層模塊為PCIE_CAMLINK模塊，它通過調用其他模塊的功能來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能；CAMLINK模塊用來控制CameraLink接口的讀寫；DoubleSdcon模塊用來控制SDRAM芯片的使能和讀寫，實現(xiàn)圖像的乒乓操作；FIFO模塊用來緩沖數(shù)據(jù)和匹配各芯片的工作速度；C_16450模塊進行串行到并行的轉換，完成對CamLink相機的控制；PEX8311-LOCAL模塊用來控制PCI—Express接口部分的讀寫，也就是對PEX8311芯片進行控制，對PEX8311的控制是實現(xiàn)PCI—Exp-ress總線的關鍵。設計中是通過編寫狀態(tài)機（FSM，F(xiàn)initeStateMachine）來對PEX8311的讀寫進行控制的。圖3為PEX8311的單周期讀寫的VerilogHDL語言時序控制狀態(tài)機設計。狀態(tài)0為空閑狀態(tài)，如本地總線請求信號LHOLD被置為1，則轉到狀態(tài)1，否則停留在狀態(tài)0。狀態(tài)1為總線保持狀態(tài)，在此狀態(tài)下應將本地總線響應信號LHOLDA置為1。如ADS信號為0且LW／R為1轉到狀態(tài)2；如ADS信號為0且LW／R和BLAST都為1轉到狀態(tài)3，為單周期讀狀態(tài)。狀態(tài)2為單周期寫狀態(tài)，在此狀態(tài)下要置READY信號0，以表示寫數(shù)據(jù)有效，在BLAST為0時轉到狀態(tài)3。狀態(tài)3為讀寫完成操作狀態(tài)，當LHOLD被置為0時，表明PEX8311不再請求本地總線，轉到狀態(tài)0，當BLAST為0且LHOLD為1時，表明PEX8311還要進行讀寫數(shù)據(jù)，則轉到狀態(tài)1繼續(xù)。3．2驅動程序PCI—E總線與PCI總線在軟件層是完全兼容的，因此PCI—E總線驅動程序的開發(fā)過程與PCI設備驅動程序的開發(fā)過程是一樣的。本設計使用VC++6．0和開發(fā)工具包DriverStudio（DS）進行驅動程序的開發(fā)。DS可以集成到VisualC++環(huán)境中，針對特定的應用生成相應的驅動程序框架，在編程中采用面向對象的編程方法，極大地提高了編程效率。驅動程序主要完成的功能：1）設備的初始化，找到所要控制的硬件，在驅動程序對象中設置驅動程序分發(fā)例程的程序入口點，建立所有驅動程序對象或其他系統(tǒng)資源；2）創(chuàng)建設備對象，利用AddDevice函數(shù)創(chuàng)建了一個設備對象，并將其連接到以PD0為底的設備堆棧中；3）中斷的響應與處理，完成對外部硬件中斷的響應并將中斷信息傳遞給應用程序；4）DMA操作，完成DMA的讀寫操作并在DMA傳輸結束后產(chǎn)生DMA中斷，通過響應的DMA中斷，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到外部總線或應用程序。4、實驗結果通過編寫上位機程序對系統(tǒng)的傳輸性能進行測試，測試的基本原理是上位機生成一批數(shù)據(jù)然后從計算機的PCI-Express接口寫到PEX8311再寫到FIFO，最后寫到SDBAM中，然后上位機再從SDRAM中讀回剛才寫入的數(shù)據(jù)，比較讀和寫入的數(shù)據(jù)是否一致就能判斷系統(tǒng)的讀寫是否正確，并且測試數(shù)據(jù)的傳輸速率。經(jīng)過一段時間的測試，系統(tǒng)最大傳輸速度達到180MB／s，滿足了本系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)的傳輸要求。5、結論本文設計了基于PCIExpress總線