基于FPGA的ASI／SDI碼流播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字產(chǎn)品的普及，各種數(shù)字電視工作人員專用測試工具不斷被開發(fā)。針對碼流播放器的市場需要的目的，采用基于FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)的方法，結(jié)合硬件及軟件設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容，文中詳細(xì)介紹了一個(gè)包含碼流錄制、碼流播放、碼流分析等多種功能的ASI／SDI碼流播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程。
關(guān)鍵詞：碼流播放器；ASI／SDI；FPGA；USB2．0；動態(tài)加載

    在各種測試工作中，碼流的傳輸是必不可少的，常用的接口有：異步串行接口(ASI)、串行數(shù)字接口(SDI)、同步并行接口(SPI)、同步串行接口(SSI)。其中，ASI與SDI接口因?yàn)檫B線簡單(只需一根同軸電纜線傳輸)，傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)，輸入反射損耗較小等原因被廣泛應(yīng)用為碼流的傳輸接口。
    PC機(jī)是各種測試過程中最常用的測試工具，作為PC機(jī)最常用的接口的通用串行總線USB，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，支持熱插拔，可連接多個(gè)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為測試工具的常用接口，若能實(shí)現(xiàn)USB接口與傳輸碼流的ASI／SDI接口的連接，將給數(shù)字電視測試工作帶來極大便利。
    設(shè)計(jì)ASI／SDI碼流播放器的目的是設(shè)計(jì)出手機(jī)大小的電路板，一端是USB接口，另一端是則ASI／SDI接口，通過FPGA、UB2．0等芯片實(shí)現(xiàn)ASI／SDI接口與USB接口之間的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到TS流的錄制與播放和對碼流進(jìn)行分析的目的。

1 碼流播放器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    目前，DVB-ASI接口的實(shí)現(xiàn)大多采用Cypress公司的CY78933和CY78923芯片與CPLD或FPGA相結(jié)合的方案，這種方法固然可以實(shí)現(xiàn)ASI信號的收發(fā)，但芯片費(fèi)用和PCB面積的占用卻是數(shù)字電視前端設(shè)備追求低成本和微型化的障礙，針對這種情況，文中設(shè)計(jì)的ASI信號接收與發(fā)送系統(tǒng)采用同軸電纜作為其底層物理信道，用FPGA芯片完成了CY7B933和CY78923芯片的ASI信號的接收與發(fā)送功能，可有效節(jié)約成本，降低PCB的設(shè)計(jì)難度，并可用FPGA芯片完成其他功能。
    國內(nèi)外絕大多數(shù)是使用PCI或PCI-E接口，只能在臺式機(jī)或服務(wù)器上使用，隨著PC機(jī)的微型化，筆記本電腦的普及，PCI或PCI-E接口已經(jīng)無法完全滿足數(shù)字電視測試工作的需求，所以本設(shè)計(jì)使用的是最通用的USB接口，大大降低數(shù)字電視測試工作的難度。

    如圖1所示，ASI／SDI碼流播放器的設(shè)計(jì)是基于FPGA和USB2．0芯片來實(shí)現(xiàn)的，集成度高，方便輕巧，能在PC機(jī)上輕松實(shí)現(xiàn)碼流捕捉，分析，監(jiān)控和播放ASI／SDI數(shù)字流，現(xiàn)場錄制和分析MPEG-2碼流，還可以作為便攜式的演示設(shè)備。

2 碼流播放器的硬件模塊設(shè)計(jì)
    使用FPGA實(shí)現(xiàn)了CY7B933和CY7B923芯片的功能，節(jié)約了大量成本；同時(shí)，用Cypress公司的USB2．0芯片CY7C68013A替代PCI或PCI-E接口，因?yàn)閭鬏數(shù)拇a率較大，理論最大值為216 Mb，F(xiàn)PGA內(nèi)部資源RAM資源無法滿足要求，添加一個(gè)SDRAM作為緩存，緩沖數(shù)據(jù)，以免丟數(shù)。
    另外，由于選擇了低端的FPGA芯片，在編寫版本FPGA程序時(shí)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部邏輯資源較少，無法裝下實(shí)現(xiàn)ASI和SDI的全部功能程序，而且實(shí)際工程應(yīng)用中并不需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)ASI和SDI的功能，故添加了一個(gè)的CPLD，實(shí)現(xiàn)FPGA的PS模式的動態(tài)加載功能。
2．1 均衡器／驅(qū)動器
    輸入前端均衡器(Equaliser)選用的GS9064是第二代的雙向性高速集成電路，均衡和恢復(fù)收到的信號(75Ω同軸電纜，速率從143 Mb／s到540 Mb／s)，支持SMPTE 344 M和SMPTE 259 M標(biāo)準(zhǔn)，且270 Mb／s時(shí)性能最佳。具有自動檢測線長并根據(jù)信號強(qiáng)弱自動匹配均衡的功能，也可根據(jù)特定需要設(shè)置均衡參數(shù)。
    Driver選擇CLC001驅(qū)動器，CLC001是集成高速電纜驅(qū)動器，可用來傳輸SMPTE 259M標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)字視頻和ITU-TG．703標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(75Ω傳輸線，速率高達(dá)622Mb／s)。CLC001輸出功耗小，十分適合長距離高速傳輸。
2．2 數(shù)據(jù)處理
    輸入輸出信號都經(jīng)由差分線進(jìn)入FPGA，出于成本的考慮，選擇性價(jià)比較高的Altera公司生產(chǎn)的低端Cyclone I系列EP1C6F256C6。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ASI／SDI輸入輸出的控制，信號的串／并轉(zhuǎn)換，碼流分析，數(shù)據(jù)緩存(讀寫SDRAM)，碼流傳輸?shù)裙δ堋?br />     因?yàn)門S流數(shù)據(jù)量較大，同樣出于成本的考慮，選擇在FPGA上外掛一個(gè)SDRAM，作為緩存(如果使用高性能FPGA，就可以使用FPGA內(nèi)部RAM資源，但是成本較高)。FPGA程序的編寫，尤其是控制SDRAM讀寫作為緩存的部分，是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。
2．3 USB微控制器
    FPGA控制的輸入輸出碼流都經(jīng)由USB2．0芯片傳送至PC機(jī)。賽普拉斯半導(dǎo)體公司的EZ-USB FX2LP(CY7C68013A)是高集成、低功耗USB 2．0微控制器，將USB 2．0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強(qiáng)型8051微控制器，以及可編程外設(shè)接口集成到一個(gè)芯片中，而且賽普拉斯研發(fā)出一個(gè)極具成本優(yōu)勢的解決方案，不僅能在極短時(shí)間內(nèi)完成從立項(xiàng)到投放市場的過程，而且其低功耗特點(diǎn)使得總線供電應(yīng)用成為可能。

3 碼流播放器的軟件設(shè)計(jì)
    碼流播放器軟件系統(tǒng)主要包括以下4個(gè)部分。
3．1 FPGA程序功能模塊
    如圖2所示，系統(tǒng)輸入時(shí)鐘為27 MHz，由兩個(gè)PLL鎖相環(huán)倍頻得到270 MHz，135 MHz和兩個(gè)相位差90度的337．5 MHz時(shí)鐘。其中270 MHz是為ASI Transmitter提供，其余3個(gè)均為ASI Receiver所需。

    ASI Transmitter模塊的作用是，先進(jìn)行8B10B編碼，再把并行的27 MHz數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)成270 MHz的串行數(shù)據(jù)。
    ASI Receiver模塊則是ASI Transmitter的逆過程，先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，用5倍時(shí)鐘采樣對數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后分析同步包頭等信息，再進(jìn)行8B10B解碼，得到8位并行數(shù)據(jù)。
    SDI部分與ASI十分相似，不重復(fù)介紹。
    碼流播放器是全雙工設(shè)計(jì)，但是，因?yàn)镕PGA與USB芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸管腳是復(fù)用的，不能同時(shí)雙向傳輸。所以，在FPGA與USB芯片之間需要不停的快速切換讀和寫(1μs切換一次)，即可實(shí)現(xiàn)“同時(shí)”發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
    同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，受切換的影響，速率減半，且USB接口時(shí)鐘最大支持僅為48 MHz，所以當(dāng)收發(fā)同時(shí)進(jìn)行的時(shí)候，傳輸速度無法達(dá)到理論最大的216 Mbps。如果只是單向發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動切換成接收或者發(fā)送模式，基本可以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸理論最大值的216 Mbps。
    發(fā)送碼流時(shí)，可以在上位機(jī)軟件的操作界面上輸入發(fā)送速率(從0到216，000，000 bps)，上位機(jī)通過USB芯片，把發(fā)送速率傳到FPGA，F(xiàn)PGA就可以按照所得速率，精確控制發(fā)送碼流的速度。
    為了達(dá)到碼流收發(fā)的理論最大值，在FPGA上外掛一個(gè)RAM，通過對RAM的讀寫的控制，實(shí)現(xiàn)先入先出(FIFO)的緩存功能。FPGA對RAM的讀寫控制是編寫Verilog HDL的難點(diǎn)之一，為了節(jié)約成本，碼流播放器選擇價(jià)格低、體積小、速度快、容量大的SDRAM，給Verilog程序編寫增加了不少難度。相比控制簡單的SRAM，DRAM每隔一段時(shí)間必須自刷新和預(yù)充，且數(shù)據(jù)線與行列地址都是復(fù)用的，切換讀寫時(shí)極容易出現(xiàn)時(shí)序上的偏差，出現(xiàn)寫錯(cuò)，讀錯(cuò)，重復(fù)讀，丟數(shù)等等問題。
    SDRAM上電復(fù)位后，計(jì)數(shù)器控制在200μs后，進(jìn)行SDRAM初始化配置，對所有BANK進(jìn)行預(yù)充，接著是多個(gè)Reflash，然后進(jìn)入SDRAM工作模式設(shè)置。之后進(jìn)入空閑狀態(tài)，執(zhí)行讀寫數(shù)據(jù)和自刷新等任務(wù)。
    由于USB程序設(shè)置為Slave-FIFO模式，將FIFO的空滿狀態(tài)發(fā)送到FPGA，而FPGA作為Master，需要根據(jù)USB內(nèi)FIFO的空滿信號，綜合SDRAM的空滿狀態(tài)，對讀寫狀態(tài)進(jìn)行判斷，并給出讀寫使能。
3．2 USB收發(fā)器及控制器固件程序
    賽普拉斯公司提供了非常好的程序框架，免去了用戶自己編寫一些通用性比較強(qiáng)、模式化的程序。在框架的基礎(chǔ)上，用戶只需在相應(yīng)的地方寫相應(yīng)的代碼即可完成USB工作。
    碼流傳輸因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，而且傳輸和接受數(shù)據(jù)上又沒有帶寬和間隔時(shí)間要求所以采用的是Bulk傳輸方式。
    計(jì)算機(jī)和USB外設(shè)端點(diǎn)0(EP0)之間的傳輸是典型的控制傳輸，主要進(jìn)行查詢配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令；控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，而且數(shù)據(jù)傳送是無損性的。
3．3 CPLD動態(tài)加載配置程序
    CPLD通過USB芯片，接收上位機(jī)傳輸過來的FPGA配置文件(．rbf格式)，然后按照固定的時(shí)序?qū)PGA進(jìn)行配置。需要注意的是，在動態(tài)加載過程中，F(xiàn)PGA的模式選擇需配置為PS模式，不同的FPGA芯片之間配置模式略有不同，電位要求也不盡相同。
    配置過程為：CPLD將nCONFIG置低再拉高來初始化配置；等待FPGA返回應(yīng)答信號nSTATUS，檢測到nSTATUS變高后，將配置數(shù)據(jù)和移位時(shí)鐘分別送到DATA0和DCLK管腳；送完配置數(shù)據(jù)后，檢測CONF_DONE是否變高，若未變高，說明配置失敗，應(yīng)該重新啟動配置過程。在檢測CONF_D ONE變高后，根據(jù)器件的定時(shí)參數(shù)再送一定數(shù)量(40個(gè))的時(shí)鐘到DCLK管腳；待FPGA初始化完畢后進(jìn)入用戶模式。
3．4 PC界面控制程序
    由C#編寫的控制界面，主要實(shí)現(xiàn)與USB芯片間的碼流傳輸，發(fā)送控制命令，接收碼流分析結(jié)果等信息，如圖3所示。

4 結(jié)論
    碼流播放器是USB供電，無需額外電源，輕巧方便攜帶；能輕松捕捉，播放，錄制和分析碼流；精確控制碼流發(fā)送速度；全雙工，同時(shí)進(jìn)行碼流的發(fā)送和接收。
    用戶界面簡單明了。發(fā)送時(shí)選擇發(fā)送文件，再輸入發(fā)送速度，點(diǎn)擊開始即可；接收時(shí)選擇存儲路徑和錄制內(nèi)容，再選擇錄制方式，點(diǎn)擊開始。同時(shí)，用戶界面還能實(shí)時(shí)接收到FPGA分析得到的各種碼流參數(shù)信息。目前，本文所介紹的碼流播放器已進(jìn)入穩(wěn)定性測試階段，各項(xiàng)功能也在不斷完善和優(yōu)化中。
    碼流播放器的電路板僅為6 mm*9 mm，小巧輕便，方便攜帶；操作簡單，界面友好；因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制成本，價(jià)格低廉，性價(jià)比高，是數(shù)字電視專業(yè)人員理想的測試工具。