基于PCI ExPress實時視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計

視頻采集系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，對視頻采集、處理和傳輸性能的要求也不斷提高，如高采集速度、低功耗、抗干擾性、實時性及擴展性等。這里提出了以Virtex-5為核心，由ADV7188為視頻解碼器，PCIExpress為傳輸總線組成的集視頻采集、壓縮、傳輸于一體的多功能視頻處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時海量傳輸多路數(shù)字視頻。Virtex-6支持的PCI Express的×1通道的傳輸率已達3．2Gb／s。
    由于該系統(tǒng)設(shè)計體積小、功耗低且滿足工況要求，可應(yīng)用于公共場合、工廠和井下作業(yè)等需多點遠距離監(jiān)控環(huán)境較惡劣場所。

1 PCI Express總線簡介
    PCI Express是一種主流的串行標準，它是2002年問世的第三代I／O互聯(lián)技術(shù)，為從PCI到PCIX提供了一條升級路徑。PCI Express是PC產(chǎn)業(yè)的標準互聯(lián)技術(shù)，具有可升級能力，可擴展的功能集，很強的市場適應(yīng)能力和低成本等特性。其高速串行標準能以每條通道2．5 Gb／s的線速進行雙向通信，分層數(shù)據(jù)包的架構(gòu)有助于模塊化設(shè)計。通過更簡單的升級就能實現(xiàn)帶寬增強(高達80 GB)——1、2、4、8、16和32條通道。PCI Express的先進功能，比如可靠性、電源管理和熱插拔，借助虛擬通道、業(yè)務(wù)等級和服務(wù)質(zhì)量(QoS)等特性支持下一代三維／多媒體業(yè)務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    該系統(tǒng)設(shè)計采用視頻解碼器+FPGA，其功能是接收PAL等制式模擬視頻信號，轉(zhuǎn)換為滿足ITU-R BU．656格式的數(shù)字信號，將多路視頻打包，經(jīng)PCI Express總線傳輸?shù)接嬎銠C。
    這里采用ADV7188來采集PAL制式的視頻信號，Videx-5的I2C總線控制器通過I2C總線來對其進行配置和控制。選用Virtex-5系列中的XC5-VFX30T，此器件具有強大的處理能力和豐富的外部設(shè)備接口，能滿足各種不同應(yīng)用環(huán)境的控制與圖像輸出需要。Virtex-5器件具有視頻處理IP核，可以按照使用要求配置，同時具有PCI Express、PPC440等IP核，PPC440在667MHz的時鐘主頻下，數(shù)字處理能力可達到1600DMI／s，內(nèi)部具有256 KB的SRAM。Virtex-5具有2條I2C接口，多達8條(32 bit)具有主控器的外設(shè)總線接口，支持外部、內(nèi)部和內(nèi)存間的DMA方式，2條
10／100／100 Mb／s半或全雙工以太網(wǎng)接口，圖1為該系統(tǒng)設(shè)計硬件原理框圖。

3 主要組成部分的原理實現(xiàn)
3．1 視頻采集處理電路
3．1．1 視頻解碼器選型
    在選擇視頻解碼器時，主要考慮功能、性能、尺寸、性價比及低功耗等方面，故選擇了ADV7188型視頻解碼器件。該器件具有以下特性：
    可以自動檢測到NTSC-M／J／4．43,PAL-M／N／B／G／H／I／D和SECAM制式信號的輸入；單一時鐘28．636 36 MHz；4路模擬視頻12位AD采集；5線自適應(yīng)梳狀濾波；
    降低數(shù)字噪聲；集成有自適應(yīng)白電平峰值的自動增益控制器；具有鎖定較弱的、噪聲和不穩(wěn)定視頻源的設(shè)計；12路模擬輸入通道；輸入視頻信號幅度，為0．5～1．5 V；在沒有輸入視頻信號情況下可以自行產(chǎn)生行場同步信號；亮度帶寬邊緣增強是可編程的；色調(diào)、對比度、亮度、飽和度可編程；YCbCr以20／16／10／8位4：2：2形式輸出；支持工業(yè)標準的I2C接口；電源為+3．3 V，1．8 V；下電模式；采用80引腳，無鉛的LQFP封裝；工作溫度為-40～+85℃。
3．1．2 視頻采集電路工作原理
    視頻采集電路是以為ADV7188為核心，采集多路的PAL、NTSC或SECAM制式模擬視頻信號，具有增強較弱的模擬視頻信號，可進行降噪處理和提高數(shù)字視頻信號質(zhì)量的功能。AD7188的詳細電路可參見ADV7188的器件手冊。由于ADV7188對電源要求較高，該系統(tǒng)設(shè)計對電源進行隔離、去耦、低頻濾波等處理。為了廣泛應(yīng)用，這里采用頻率為28．636 36 MHz的石英晶體諧振器，頻差為±20 ppm。圖2為視頻平裝的晶振電路。

    根據(jù)PCB布線，Cstray通常為2～3pF，ADV7188器件管腳到電源地的電容值Cpg為4 pF，石英晶體諧振器的負載電容Cload為15 pF。由C1= C2=2(Cload-Cstray)-Cpg可計算出C1和C2的電容值為24 pF，按照E12系列的優(yōu)選值，選取電容值為22pF。
    設(shè)計中利用ADV7188的下電模式，當(dāng)此片沒有模擬視頻輸入或不需工作時，將其下電，其功耗將由工作時的0．6 W降到1 mW左右，能極大地減少系統(tǒng)待機功耗。
3．1．3 視頻采集電路的配置
    在FPGA內(nèi)設(shè)計I2C總線控制器，配置為和視頻解碼器I2C接口時鐘一致的接口總線。通過FPGA上電配置，達到對FPGA內(nèi)的FIFO初始化，初始化數(shù)據(jù)為視頻采集電路的配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)見表1。

3．2 FPGA
3．2．1 FPGA器件選型
    FPGA型號的選擇主要基于以下方面考慮：具有PCIExpress總線；通道不低于x8；具有嵌入式微處理器；合適的I／O管腳數(shù)和資源，支持所需的電平標準；具有較低的功耗；合適的性價比。
    因此，選擇Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VFX3-0T，封裝為FF665 PCI Express總線；具有PowerPC440嵌入微處理器。配置芯片選用容量為1 GB的CF卡。
3．2．2 FPGA的性能和資源
    1)時鐘資源32條全局時鐘總線，對整個器件上的所有資源進行時鐘控制，且可以驅(qū)動邏輯信號；
    2)時鐘管理技術(shù) 時鐘去歪斜、頻率合成、相移和動態(tài)重配置等功能；
    3)鎖相環(huán)作為廣譜頻率的頻率合成器，并且與CMT的DCM配合作為外部或內(nèi)部時鐘的抖動濾波器；
    4)BLOCK RAM 2 448 Kb，可配置為RAM、雙口RAM和FIFO等，且其內(nèi)容能夠初始化；
    5)可配置邏輯塊 實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯的主要資源；
    6)SelectIO資源 可支持種類繁多的標準接口。包括輸出強度和斜率的可編程控制以及實現(xiàn)數(shù)控阻抗的片上終端；
    7)SelectIO邏輯資源 包括組合輸入／輸出、三態(tài)輸出控制、寄存輸入／輸出、寄存三態(tài)輸出控制、DDR輸入／輸出和DDR輸出三態(tài)控制；
    8)高級SelectIO邏輯資源 輸入串并轉(zhuǎn)換和輸出并串轉(zhuǎn)換；
    9)DSP邏輯片 64個550 MHz DSP48E slice，每個DP48E包括1個28x18的乘法器、1個加法器和1個累加器。利用Xilinx ISE的FPGA Edit也可觀察FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3．3 數(shù)據(jù)緩存
    由于PCI Express的總線波特率為2．5 Gbps，遠大于1路采集后的數(shù)字視頻信號。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)經(jīng)并行總線傳入FPGA內(nèi)，通過配置為異步輸入輸出的FIFO進行數(shù)據(jù)緩存，提高總線使用效率。如果PCI Express總線為×1通道，PAL制式視頻轉(zhuǎn)換為常用的8位4：2：0的YUV格式數(shù)字視頻，按照PCIExpress總線傳輸有效數(shù)據(jù)1．62 Gb／s計算，理論上可以傳輸36路。
3．4 FCI Express接口實現(xiàn)
    利用具有PCI Express的FPGA來設(shè)計，選用Xilinx公司的Virtex-5 LXT系列的FPGA，利用其內(nèi)的PCI Express IP核進行設(shè)計，完成功能如下：用戶接口的本地鏈路成幀接口；64位數(shù)據(jù)總線寬度與3位提醒總線；包化接口，帶用于標記包的幀起始(SOF)和幀結(jié)束(EOF)；傳輸和接收方向用戶接口的包中斷特性；幀錯誤檢測支持；多通道配置支持：×1、×2、×4和×8；這里通道配置為×1；每通道1．62 Gb／s或更高的吞吐量；利用集成端點模塊中的自動協(xié)商功能，可以在某些通道不能工作時使設(shè)計使用較低的帶寬；物理層中使用的8B／10B解碼和解碼。此方案雖開發(fā)難度大、周期長，但具有外電路圍簡單，硬件成本低，設(shè)計靈活、集成度高且易升級等特點。其接口電路如圖3所示。

3．5 時鐘
    本設(shè)計需要4個時鐘信號，其中視頻解碼信號的時鐘要求最高，時鐘精度必須在±50 ppm以內(nèi)，其次為PCI Express總線工作的時鐘頻率。在FPGA內(nèi)對時鐘信號進行了DCM和PLL處理，完成了對時鐘信號的去歪斜、相移和頻率合成等功能。
3．6 Flash和DDRSDRAM
    為使設(shè)計具有靈活性、擴展性和升級性，預(yù)留了Flash和SDRAM來存儲程序和運行程序，滿足智能性和易于以太網(wǎng)遠程控制等要求。
3．7 以太網(wǎng)接口電路
    通過FPGA+PHY+變壓器組成以太網(wǎng)接口電路，可以用此接口加載程序，也可用此接口和互聯(lián)網(wǎng)連接。利用XILINX公司的FPGA開發(fā)軟件ISE，通過FPGA內(nèi)IP核按照TriMode Ethemet MAC進行。
3．8 DMA傳輸
    本設(shè)計采用DMA方式進行數(shù)據(jù)內(nèi)部傳輸。數(shù)字視頻信號經(jīng)并行總線傳入FPGA內(nèi)，通過FIFO進行數(shù)據(jù)緩存，經(jīng)DMA方式，通過PCI Express傳給計算機。
3．9 FPGA配置方案
    Virtex-5的配置方案采用System ACE(System Advandced Configuration Eviroment)中的System ACE CF(CompactFlash)。System ACE使用CF存儲卡保存數(shù)據(jù)，通過System ACE控制器把數(shù)據(jù)配置到FPGA中。System ACE CF使用容量為1 GB的CompaetFlash卡，System ACE CF是預(yù)制的配置方案，不需編寫任何程序，只需簡單的調(diào)試即可。此方案把舊的、用于調(diào)試的版本和新版本都裝入到同一塊CF卡中，縮短了研發(fā)周期，便于維修排故，同時把應(yīng)用軟件、產(chǎn)品附帶的說明書等保存到此CF卡中，系統(tǒng)升級可更換CF卡、在系統(tǒng)編程和通過Intemet進行遠程升級。
3．10 電源的設(shè)計
    板上需要電源有+3．3、+2．5、+1．8和+1．2 V共5種。其中+3．3 V電源為外部輸入，約20 W；+1．8 V提供給FPGA和ADV7188的二次電源，其他為提供給FPGA的二次電源。+3．3V電源為電源層，提供給FPGA的+2．5V、+1．8 V和+1．2V為電源層分割。提供給ADV7188的+1．8V電源電流按照0．5A設(shè)計，實際典型值為100 mA。去耦電容和對應(yīng)的元器件同層放置，減少過孔的影響。
3．11 PCB設(shè)計
    PCB布線遵循信號完整性的設(shè)計要求。PCB共10層，首先設(shè)計電源層和地層，其中電源層2層，地平面4層，對稱分布。除以太網(wǎng)變壓器外其他所有工作電源的地為一個地，保證地平面的完整性。
    由于PCI Express總線為2.5Gb／s，對Virtex-5引腳分配時，使PCI Express的引腳在其內(nèi)的布線盡可能的短。在PCB的布局時使Virtex-5靠近PCI Express總線接口的電連接器，差分線對的實際長度不大于30 mm。PCB布線時要嚴格控制差分線對的長度差，為了避免信號往返的延遲不超過其上升時間，導(dǎo)致過沖和振鈴發(fā)生，PCB布線根據(jù)PCI Express信號的特性，定義差分對長度差不超過1 mm，實際布線結(jié)果不超過0．2 mm。PCB上的差分阻抗為(100±10)Ω，符合PCIExpress規(guī)范單端阻抗為(50±10)Ω的要求。
3．12 操作系統(tǒng)
    本設(shè)計中的FPGA具有PPC440核，采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Vxworks)，根據(jù)實際使用要求，從Vxworks系統(tǒng)內(nèi)核(wind)的任務(wù)管理、通信機制、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)接口幾個方面進行設(shè)計，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。本設(shè)計已具備成熟的Vxworks操作系統(tǒng)。
3．13 FPGA的調(diào)試
    FPGA的開發(fā)包括過程管理與設(shè)計輸入、仿真、綜合、約束、實現(xiàn)、布局布線與配置調(diào)試，其中FPGA的調(diào)試占用設(shè)計周期的80％左右。ISE附帶的高級組件，包括在線調(diào)試(ChipScope Pro)、平面布局規(guī)劃器(PlanAhead)、時序分析器(Timing Analyzer)、布局規(guī)劃器(FloorAhead)、底層編輯器(FPGA Editor)、和功耗分析器(Xpower)，以及第三方軟件ModelSim，有效地使用相應(yīng)工具，加速了設(shè)計進程，避免重新設(shè)計，有效提高設(shè)計生產(chǎn)力，并顯著提高設(shè)計性能，降低功耗后將降低系統(tǒng)的整體成本。
4 采集、傳輸和驗證
    視頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的一種模擬視頻信號如圖4所示。通過模擬視頻信號的采集、總線傳輸過程，計算機顯示器顯示的數(shù)字視頻如圖5所示，和監(jiān)視器顯示的模擬視頻圖像相同，肉眼無法區(qū)分其差別，滿足使用要求。采集模擬視頻的多種標準檢測畫面，顯示正常無畸變，證實本設(shè)計的視頻采集和數(shù)據(jù)傳輸達到了期望的結(jié)果。

5 結(jié)束語
    隨著多媒體在工業(yè)和商業(yè)等方面的廣泛使用，對視頻信號的采集、數(shù)據(jù)傳輸速度、集成度和可靠性等方面提出了更高的要求。本文設(shè)計的基于PCI Express的視頻采集系統(tǒng)，適用于采集較弱或受干擾的視頻信號，集成度高，適合海量視頻數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳輸?shù)钠款i問題。