基于PEX8311 PCIE總線的高速圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)PCI總線帶寬低，不能傳輸高速視頻信號(hào)的缺陷，設(shè)計(jì)了使用芯片PEX8311為PCIExpress橋接芯片，采集傳輸CamLink接口相機(jī)圖像的硬件系統(tǒng)。對(duì)PEX8311芯片的特點(diǎn)及其工作模式，以及用狀態(tài)機(jī)在FPGA中實(shí)現(xiàn)對(duì)PEX8311控制做了介紹。通過(guò)編寫(xiě)WDM驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)程序?qū)ο到y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明該系統(tǒng)滿(mǎn)足高速圖像傳輸?shù)囊?，并且性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：PCIExpress；FPGA；CameraLink；WDM；PEX8311

    圖像采集和處理技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)和圖像分析等諸多領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著高速的PCI Express(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(chǎng)合發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
    CamLink相機(jī)是指帶有Camera Link接口的相機(jī)。Camera Link是由數(shù)家工業(yè)攝影機(jī)及影像卡大廠共同制定出來(lái)滿(mǎn)足各種視頻傳輸要求的標(biāo)準(zhǔn)接口。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不僅可以滿(mǎn)足各種高速視頻傳輸?shù)囊?，?guī)范了數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡之間的接口，而且使視頻設(shè)備提供商在設(shè)備開(kāi)發(fā)和維護(hù)上的時(shí)間和成本大大減少。Camera Link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(lǐng)域，尤其是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，對(duì)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力提出了嚴(yán)重的考驗(yàn)，當(dāng)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。PCI Express采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接方式，比起PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都有自己的專(zhuān)用連接，不需要向整個(gè)總線請(qǐng)求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，達(dá)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(qiáng)的伸縮性，以滿(mǎn)足不同系統(tǒng)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬不同需求。例如，PCIExpress X1規(guī)格支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，每向數(shù)據(jù)傳輸帶寬250 MB／s，而33位33 MHz的PCI總線傳輸帶寬僅為133 MB／s。PCI Express X16模式每向數(shù)據(jù)傳輸帶寬可高達(dá)4 GB／s，雙向數(shù)據(jù)傳輸帶寬有8 GB／s之多。所以對(duì)于高幀頻的CamLink接口相機(jī)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的總線(例如PCI總線接口)已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)囊蟆?br />     本系統(tǒng)使用PLX公司的PEX8311作為PCI Express X1接口芯片，系統(tǒng)中采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，利用FPGA內(nèi)部提供的FIFO IP核和外接的兩片獨(dú)立的SDRAM實(shí)現(xiàn)了高速圖像數(shù)據(jù)的緩存處理。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理
    基于PEX8311的CamLink圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為4個(gè)模塊：CamLink接口模塊、FPGA控制模塊、SDRAM存儲(chǔ)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(jī)軟件通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序控制FPGA對(duì)CamLink相機(jī)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)配置。配置完成后，CamLink相機(jī)輸出幀頻信號(hào)、行頻信號(hào)、像索時(shí)鐘信號(hào)和視頻信號(hào)。由于CamLink接口輸出的是差分信號(hào)，所以通過(guò)DS90CR288A芯片將差分轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，輸入給FPGA。在FPGA內(nèi)部，通過(guò)FIFO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，在同步和時(shí)鐘信號(hào)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(shí)刻只能對(duì)SDRAM進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，所以為了防止?shù)據(jù)丟失，F(xiàn)PGA外接兩片SDRAM，在奇幀的時(shí)候，向SDRAM1寫(xiě)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?。使用PEX8311芯片完成PCIE接口，PEX8311由FPGA的邏輯程序?qū)ζ淇刂?。在上位機(jī)編寫(xiě)基于PCIE總線的驅(qū)動(dòng)程序，將圖像從SDRAM使用DMA方式讀到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)圖像的顯示和處理。

2 PCI-Express接口模塊
    PCI-Express的接口實(shí)現(xiàn)方法很多，在本設(shè)計(jì)中使用PLX公司的PEX8311芯片通過(guò)橋接方式實(shí)現(xiàn)。PEX8311作為一種橋接芯片，在PCI Expr-ess總線和Local總線之間傳遞信息，它可以作為2個(gè)總線的主控設(shè)備去控制總線，也可以作為兩個(gè)總線的目標(biāo)設(shè)備去響應(yīng)總線。芯片通過(guò)內(nèi)部的控制邏輯模塊、內(nèi)部總線狀態(tài)機(jī)和局部總線狀態(tài)機(jī)模塊來(lái)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(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸，記錄傳輸?shù)臓顟B(tài)。
    PEX8311提供兩個(gè)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(lái)控制PCI—Express的性能。
    PEX8311提供完備的PCI—Express從設(shè)備支持，PCI-Express接口部分的信號(hào)線可以直接與PCI—Express連接器(俗稱(chēng)金手指)連接。其中，REFCLK±是一組差分時(shí)鐘，它由系統(tǒng)主板提供。2個(gè)參考時(shí)鐘都要求保持在正常工作頻率100MHz的±300ppm之內(nèi)。PRSNT1／PRSNT2信號(hào)線用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設(shè)計(jì)中將PRSNT1和PRSNT2相連，這樣當(dāng)接口板插入到PCI—Express連接器時(shí)就能進(jìn)行存在檢測(cè)。PCI-Express接口部分原理圖，如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 FPGA邏輯程序
    使用Verilog編寫(xiě)FPGA邏輯控制程序，共有5個(gè)底層模塊和1個(gè)頂層模塊。每個(gè)模塊負(fù)責(zé)不同的功能。頂層模塊為PCIE_CAMLINK模塊，它通過(guò)調(diào)用其他模塊的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能；CAMLINK模塊用來(lái)控制Camera Link接口的讀寫(xiě)；DoubleSdcon模塊用來(lái)控制SDRAM芯片的使能和讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)圖像的乒乓操作；FIFO模塊用來(lái)緩沖數(shù)據(jù)和匹配各芯片的工作速度；C_16450模塊進(jìn)行串行到并行的轉(zhuǎn)換，完成對(duì)CamLink相機(jī)的控制；PEX8311-LOCAL模塊用來(lái)控制PCI—Express接口部分的讀寫(xiě)，也就是對(duì)PEX8311芯片進(jìn)行控制，對(duì)PEX8311的控制是實(shí)現(xiàn)PCI—Exp-ress總線的關(guān)鍵。
    設(shè)計(jì)中是通過(guò)編寫(xiě)狀態(tài)機(jī)(FSM，F(xiàn)inite State Machine)來(lái)對(duì)PEX8311的讀寫(xiě)進(jìn)行控制的。圖3為PEX8311的單周期讀寫(xiě)的Verilog HDL語(yǔ)言時(shí)序控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。狀態(tài)0為空閑狀態(tài)，如本地總線請(qǐng)求信號(hào)LHOLD被置為1，則轉(zhuǎn)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(yīng)將本地總線響應(yīng)信號(hào)LHOLDA置為1。如ADS信號(hào)為0且LW／R為1轉(zhuǎn)到狀態(tài)2；如ADS信號(hào)為0且LW／R和BLAST都為1轉(zhuǎn)到狀態(tài)3，為單周期讀狀態(tài)。狀態(tài)2為單周期寫(xiě)狀態(tài)，在此狀態(tài)下要置READY信號(hào)0，以表示寫(xiě)數(shù)據(jù)有效，在BLAST為0時(shí)轉(zhuǎn)到狀態(tài)3。狀態(tài)3為讀寫(xiě)完成操作狀態(tài)，當(dāng)LHOLD被置為0時(shí)，表明PEX8311不再請(qǐng)求本地總線，轉(zhuǎn)到狀態(tài)0，當(dāng)BLAST為0且LHOLD為1時(shí)，表明PEX8311還要進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)1繼續(xù)。

3．2 驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程與PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程是一樣的。本設(shè)計(jì)使用VC++6．0和開(kāi)發(fā)工具包Driver Studio(DS)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。DS可以集成到Visual C++環(huán)境中，針對(duì)特定的應(yīng)用生成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序框架，在編程中采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，極大地提高了編程效率。
    驅(qū)動(dòng)程序主要完成的功能：1)設(shè)備的初始化，找到所要控制的硬件，在驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο笾性O(shè)置驅(qū)動(dòng)程序分發(fā)例程的程序入口點(diǎn)，建立所有驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蠡蚱渌到y(tǒng)資源；2)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，利用AddDevice函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)設(shè)備對(duì)象，并將其連接到以PD0為底的設(shè)備堆棧中；3)中斷的響應(yīng)與處理，完成對(duì)外部硬件中斷的響應(yīng)并將中斷信息傳遞給應(yīng)用程序；4)DMA操作，完成DMA的讀寫(xiě)操作并在DMA傳輸結(jié)束后產(chǎn)生DMA中斷，通過(guò)響應(yīng)的DMA中斷，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到外部總線或應(yīng)用程序。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過(guò)編寫(xiě)上位機(jī)程序?qū)ο到y(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的基本原理是上位機(jī)生成一批數(shù)據(jù)然后從計(jì)算機(jī)的PCI-Express接口寫(xiě)到PEX8311再寫(xiě)到FIFO，最后寫(xiě)到SDBAM中，然后上位機(jī)再?gòu)腟DRAM中讀回剛才寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，比較讀和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是否一致就能判斷系統(tǒng)的讀寫(xiě)是否正確，并且測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸速率。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，系統(tǒng)最大傳輸速度達(dá)到180 MB／s，滿(mǎn)足了本系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)的傳輸要求。

5 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了基于PCI Express總線的CamLink接口的高速圖像采集系統(tǒng)，在完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)后，編寫(xiě)了FPGA的邏輯控制程序，并開(kāi)發(fā)了驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)應(yīng)用程序。系統(tǒng)采用PCI Express總線實(shí)現(xiàn)硬件電路與計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。接口芯片采用PLX公司推出的第一款PCI Express橋接芯片PEX8311。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)滿(mǎn)足高速圖像傳輸?shù)囊螅⑶倚阅芊€(wěn)定。