CCD系統(tǒng)下基于FPGA的PCI圖像采集卡設計與實現(xiàn)

摘要：文章設計了一種基于FPGA的CCD圖像數(shù)據(jù)采集卡。以FPGA作為圖像數(shù)據(jù)采集卡的核心，通過LVDS傳輸技術，異步FIFO，異步塊RAM，SRAM緩存乒乓操作等技術，在PCI核的基礎上實現(xiàn)了Initiator下的DMA傳輸；并基于VxWorks平臺編寫PCI圖像采集卡的驅(qū)動程序。經(jīng)測試和驗證，PCI圖像采集卡穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流為60Mb／s的CCD系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。
關鍵詞：圖像采集；PCI總線；FIFO；DMA傳輸；VxWorks

0 引言
    CCD是一種高性能光電轉換式圖像傳感器。由于其幾何精度高、穩(wěn)定性好、噪聲小，廣泛用于遙感遙測，天文測量等領域?，F(xiàn)實中許多利用單片機作為控制核心，并配備其他一些外圍電路實現(xiàn)CCD的數(shù)據(jù)采集，這種方式速度慢、集成度低。
    由于CCD相機的精度和分辨率的不斷提高，以及對CCD成像系統(tǒng)本身可靠性要求的不斷提高，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集速度、可靠性，以及易用性提出了更高的要求。本文設計的基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集及回放系統(tǒng)，系統(tǒng)設計以Xilinx的FPGA為核心，以LVDS芯片傳輸過來的CCD數(shù)據(jù)為源頭，運用成熟的PCI總線傳輸技術，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集的功能。在VxWorks平臺下編寫了相應的驅(qū)動程序。經(jīng)測試和驗證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，傳輸速率高，滿足應用的要求。

1 系統(tǒng)的總體結構以及原理
    整個系統(tǒng)由模擬前端和采集后端組成，如圖1所示。前端主要由CCD鏡頭，CCD傳感器、垂直驅(qū)動器、A／D轉換器、FPGA、電源管理電路以及高速串行總線接口LVDS組成。CCD鏡頭把光線聚焦在CCD傳感器的感光面上，CCD傳感器完成光信號到電信號的轉換。在驅(qū)動器的控制下完成像素電荷的轉移，輸出模擬信號，再經(jīng)過A／D轉換芯片把模擬信號轉換成數(shù)字信號，經(jīng)LVDS輸出到后端。

    采集后端的硬件主要由LVDS芯片、用作緩存圖像數(shù)據(jù)的SRAM芯片、電源管理模塊、FPGA組成。FPGA是整個后端采集模塊的核心模塊，F(xiàn)P GA不僅要完成數(shù)據(jù)的采集、組織、傳輸，還要根據(jù)PCI規(guī)范配置成標準的PCI設備，進行數(shù)據(jù)與主機之前的傳送。由于數(shù)據(jù)傳輸要求60Mb／s的速度，所以簡單的單次傳輸不能滿足系統(tǒng)的整體需求。FPGA必須能支持DMA方式的數(shù)據(jù)傳送。為了使PCI圖像采集卡有更大的通用性，在修改最小的驅(qū)動代碼的情況下跨平臺地使用，須把FPGA配置成能作為主動發(fā)起DMA請求的PCI設備，從而屏蔽不同的橋芯片之間的差異。
    本文主要關注采集后端，即PCI圖像采集卡的硬件、邏輯、以及軟件的設計與實現(xiàn)。
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2 PCI圖像采集卡回放系統(tǒng)硬件設計
    為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，降低串擾、輻射等在高速傳輸數(shù)據(jù)中常見的問題，PCI圖像采集卡采用INDS(低壓差分信號技術)進行圖像數(shù)據(jù)的接收和控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。在實際應用中，我們選擇了國家半導體的DS92LV16芯片作為接收和發(fā)送數(shù)據(jù)芯片。功能框圖如圖2所示。

    該芯片利用內(nèi)部時鐘把16位的并行數(shù)據(jù)轉換成LVDS數(shù)據(jù)進行傳輸；同時可以把LVDS數(shù)據(jù)轉換成16位并行數(shù)據(jù)供芯片或者可編程邏輯器件進行處理。該芯片最大傳輸速率可達2．56Gbps；單一的3．3V供電即可使用；較低的EMI；發(fā)送端和接收端有單獨的時鐘和省電管腳。
    采用Xilinx公司的一片XC4VLX25-11FF668I可編程邏輯芯片，F(xiàn)PGA被配置成PCI接口。LX25邏輯單元可達24192個，最大分布式RAM是168 k，最大塊RAM可達1296kb，并且有8個DCM供編程人員使用，LX25功耗較低，易于使用。選擇FLASH芯片為XCF08P。
    需要外部存儲器對圖像處理中的大量數(shù)據(jù)進行緩存，要求存儲器存取速度快、讀取時間短、實時性匹配強。選擇CYPRESS公司的SRAMCY7 C1470BV33的SRAM作為數(shù)據(jù)緩存芯片。CY7C1470BV33的速度可以達到250MHz，滿足系統(tǒng)時鐘頻率要求。

3 FPGA邏輯設計
3．1 總體設計
    邏輯的整體設計如圖3所示，當圖像數(shù)據(jù)進入FPGA后，通過異步FIFO進行異步時鐘域的轉換。在第一個緩沖周期通過數(shù)據(jù)流選擇電路將圖像數(shù)據(jù)緩存到SRAM1中；在第二個緩沖周期，通過數(shù)據(jù)流選擇電路將圖像數(shù)據(jù)緩存到SRAM2中，同時將SRAM1中的數(shù)據(jù)經(jīng)后端FIFO、PCI接口發(fā)送給主機。在第三個緩沖周期內(nèi)再次通過輸入數(shù)據(jù)流選擇電路，把圖像數(shù)據(jù)緩存到SRAM1中，同時將SRAM2中的數(shù)據(jù)經(jīng)后端FIFO、PCI接口發(fā)送給主機，如此循環(huán)。由于乒乓操作的FPGA邏輯實現(xiàn)比較簡單，這里不再贅述。下面主要來設計PCI接口的邏輯。

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3．2 PCI接口的設計
    PCI圖像采集卡的接口設計非常重要。由于PCI總線規(guī)范復雜，設計復雜，為了加快開發(fā)周期，采用Xilinx提供的PCI core來完成PCI總線控制器的設計。PCI控制器核logic core的內(nèi)部框圖如圖4所示。

    PCI控制核主要完成用戶設備和PCI總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。PCI核可工作在Target傳輸模式和Initiator傳輸模式。每種傳輸模式又可以分單次傳輸和突發(fā)傳輸。由于單次傳輸速度達不到要求，我們選擇突發(fā)傳輸模式以便提高傳輸速度。
    Target模式下的突發(fā)傳輸模式相對Initiator下的突發(fā)傳輸模式的控制邏輯簡單，但是考慮到PCI圖像采集卡的可移植性，故采用Initia tor突發(fā)傳輸模式。在Initiator突發(fā)傳輸模式下，PCI圖像采集卡主動向橋芯片申請PCI總線控制權，并主動傳送數(shù)據(jù)；在Target模式下，必須用軟件對橋芯片進行配置，也就是說PCI圖像采集卡作為一個PCI從設備等待橋芯片的配置、數(shù)據(jù)讀取等。所以采用Initiator下的突發(fā)傳輸模式邏輯控制復雜，但是移植性好。
3．3 PCI圖像采集卡地址空間配置
    PCI的地址空間可分為三種，分別是PCI配置空間、PCI I／O空間和PCI內(nèi)存空間。
    我們需要對PCI核進行配置。
    Xilinx提供的PCI核提供了BAR0、BAR1、BAR2三個地址空間。這三個地址空間可以配置成內(nèi)存地址空間或I／O地址空間。為了PCI圖像采集卡在不同橋芯片下和不同的操作系統(tǒng)下工作。我們把所有的地址空間都配置成了內(nèi)存空間，因為不是所有處理器都支持I／O操作。在我們的設計中，使用了BAR0和BAR1兩個地址空間，配置成了內(nèi)存空間，并全部配置成可以預取模式。以配制BAR0為例說明配置方法。
   
3．4 地址指針的設計
    對于Initiator下的突發(fā)模式傳輸，因為從設備可以在任何時刻結束數(shù)據(jù)的傳輸，應用程序必須始終對地址進行跟蹤，以便在Initiator再次發(fā)起傳輸時能得到正確的地址進行重新傳送。
    我們在設計的時候用了一個32bit的寄存器對地址進行跟蹤，其中低2位始終為0，高30位用來保存數(shù)據(jù)。利用M_DATA_VLD信號來控制地址的增加。當M_ADDR_N有效的時候把地址輸送到地址總線上。

3．5 Initiator突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機的實現(xiàn)
    狀態(tài)機用來控制突發(fā)模式的讀寫時序。整個狀態(tài)機由六個狀態(tài)組成，分別是IDLES、REOS、WRITES、READS、RSTS、OOPS。下面分對這六
個狀態(tài)的功能進行描述。
    IDLES：狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)，狀態(tài)機等待用戶發(fā)起讀或者寫請求。
    REOS：用戶發(fā)起了傳送請求。當是讀請求時，狀態(tài)機進入READS狀態(tài)。當是寫請求時，狀態(tài)機進入WRITES狀態(tài)。
    READS：狀態(tài)機一直處于數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)直到傳輸完成，或者在傳輸過程中發(fā)生了不可恢復的錯誤。當數(shù)據(jù)正常傳輸完成時，狀態(tài)機會跳到OOPS_S狀態(tài)；當發(fā)生致命錯誤時，狀態(tài)機會處于RSTS。
    WRITES：狀態(tài)WRITES和READS基本類似。不同的是數(shù)據(jù)傳輸方向不同。
    RSTS：當狀態(tài)機處于RSTS時說明整個系統(tǒng)發(fā)生了不可恢復的錯誤，必須重新復位讓軟硬件。
    OOPS：當狀態(tài)機處于OOPS狀態(tài)，如果需要對前端的FIFO進行回滾操作，狀態(tài)機就一直處于OOPS。如果前端FIFO檢測傳輸完成信號，完成則進入IDLES狀態(tài)，否則進入申請總線狀態(tài)REQS。
3．6 異步存儲器的實現(xiàn)
    由于PCI讀存儲器的時鐘頻率和數(shù)據(jù)寬度與收發(fā)器寫存儲器的時鐘頻率和數(shù)據(jù)寬度不一致，所以要設計在兩個異步時鐘之間傳輸數(shù)據(jù)的接口電路。Xilinx自帶的FIFO IP核是一種解決方案。但是由于異步FIFO沒有Initiator突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸下的需要的back_up信號，所以利用Xilinx自帶的塊RAM作為數(shù)據(jù)寬度可以控制的存儲器。
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4 VxWorks下驅(qū)動軟件的編寫
    VxWorks是一種高可靠、微內(nèi)核、可裁剪的實時嵌入式操作系統(tǒng)，由于它具有高效的實時任務調(diào)度、中斷管理等優(yōu)點，成為了航空、航天、醫(yī)療、通信等領域首選的實時操作系統(tǒng)。PCI圖像采集卡的驅(qū)動就是基于VxWorks實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)的。
4．1 PCI設備驅(qū)動開發(fā)
    每個PCI設備都有一容量為256字節(jié)并具有特定結構的地址空間，前64個字節(jié)包含PCI接口的信息，也成為PCI配置頭。其余的192個字節(jié)可以由板卡的設計自己定義。為了讓VxWorks支持PCI驅(qū)動，需要對BSP中的sysLib．c文件進行修改，使得系統(tǒng)支持初始化配置支持庫和中斷支持庫，以提供對PCI設備配置空間的訪問租PCI中斷復用功能的支持。
    設備驅(qū)動程序初始化PCI圖像采集卡的流程一般如下：根據(jù)PCI設備的廠商ID和設備ID號來找到PCI設備的總線號、設備號和功能號；根據(jù)總線號、設備號和功能號來映射PCI設備的地址空間；并且配置中斷線性寄存器；最后使能PCI內(nèi)存空間。其他寄存器要根據(jù)具體應用來配置。
4．2 數(shù)據(jù)采集方式
    由于前端數(shù)據(jù)量很大，所以簡單的單次傳輸不能滿足系統(tǒng)的整體需求。必須用DMA方式進行傳送。通知數(shù)據(jù)可以讀取通常有兩種模式，查詢模式和中斷模式。由于查詢模式要大量消耗CPU資源，所以采用DMA結合中斷模式進行數(shù)據(jù)采集。
    對數(shù)據(jù)的采集使用乒乓操作。當寫滿一片SRAM中就發(fā)中斷給CPU，通知數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，這個時候驅(qū)動程序就開始讀取數(shù)據(jù)，同時前端數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入另一片SRAM，寫滿后再次發(fā)送中斷。如此反復，直到PCI圖像采集卡接收到應用程序的停止傳送數(shù)據(jù)命令。
4．3 中斷的運用和管理
    在VxWorks中，中斷的響應速度非常快。經(jīng)測量，在我們的系統(tǒng)中PCI圖像采集卡從發(fā)出中斷到進入中斷處理函數(shù)的時間為7 μs。通過函數(shù)intConnect把中斷處理函數(shù)和中斷向量掛接起來。
    在VxWorks中，中斷服務程序擁有獨立于各種任務的程序上下文，所以中斷服務程序不能執(zhí)行需要任務上下文的函數(shù)。

5 結果驗證
    我們對整個系統(tǒng)進行了驗證，CCD成像系統(tǒng)把采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)變化，如加上校驗和傳送給PCI圖像采集卡。用邏輯分析儀對PCI的一些關鍵信號進行了測量。如圖5所示。

    從圖中不難看出，PCI圖像采集卡一直處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，經(jīng)測試，傳輸速度完全滿足系統(tǒng)的要求。在應用程序中對圖像數(shù)據(jù)進行了存盤，并計算校驗和，發(fā)現(xiàn)校驗和正確。

6 結論
    本文設計的PCI圖像采集卡以FPGA為核心，在PCI核的基礎上用邏輯實現(xiàn)了PCI圖像采集卡Initiator下的突發(fā)模式傳輸，從而實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸。為了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，使用低壓差分信號技術進行圖像數(shù)據(jù)的接收和控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。最后在VxWorks平臺上實現(xiàn)了PCI圖像采集模塊的驅(qū)動編寫。經(jīng)過測試，圖像數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，傳輸速率也能滿足系統(tǒng)的整體需求。