1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)

1.1 Camera Link協(xié)議及PXIE協(xié)議介紹

(1)Camera Link協(xié)議簡(jiǎn)介

Camera Link是一種基于視頻應(yīng)用發(fā)展而來(lái)的通信接口。它是NI等13家公司基于Channel Link技術(shù)聯(lián)合推出的一種新型接口,，簡(jiǎn)化了相機(jī)與其他設(shè)備的連接,。Camera Link的驅(qū)動(dòng)端將28位并行數(shù)據(jù)以7:1方式轉(zhuǎn)化為4組LVDS數(shù)據(jù)流和1組LVDS時(shí)鐘信號(hào)，串行發(fā)送至接收端進(jìn)行處理,。其最高傳輸速率可達(dá)2.38Gb/s,。圖1為Camera Link工作原理圖。

Camera Link接口協(xié)議提供4類信號(hào)：相機(jī)控制信號(hào),、圖像數(shù)據(jù)信號(hào),、電源和串行通信信號(hào)。其接口有3種結(jié)構(gòu),，分別是初級(jí)配置(Base),、中級(jí)配置(Medium)和高級(jí)配置(Full)。Camera Link使用端口定義來(lái)區(qū)分這些配置,。3M 26-pin MDR(Mini D Ribbon)連接器之所以被選擇與Camera Link配套使用是因?yàn)樗鼉?yōu)秀的設(shè)計(jì)和先前Channel Link高速傳輸?shù)某晒?jīng)驗(yàn),。

(2)PXIE協(xié)議簡(jiǎn)介

PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出。PXIE基于Compact PCI標(biāo)準(zhǔn),，增加了時(shí)鐘和同步觸發(fā)總線,，但其核心仍然是PCI總線。PXI Express相對(duì)PXI最顯著的改進(jìn)和優(yōu)勢(shì)就在于它融入PCI Express的特點(diǎn),，采用串行傳輸,，點(diǎn)到點(diǎn)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同于PXI在所有總線設(shè)備間分享帶寬,，PXI Express為每一個(gè)設(shè)備提供單獨(dú)的傳輸通道,。同時(shí)它所增加的時(shí)鐘和同步觸發(fā)信號(hào)以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測(cè)量、通信,、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),。本文采用PXIE-8x，最高傳輸速度達(dá)到1400Mb/s,。

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖,，如圖2所示。

圖2中，DS90CR288A為NI公司高性能串并轉(zhuǎn)換器,，將Camera Link接口協(xié)議的4路LVDS信號(hào)和1路LVDS時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為28位LVCMOS/LVTTL數(shù)據(jù)和一路時(shí)鐘信號(hào),，DS90LV047A為NI公司的3 VLVDS 4路單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動(dòng)器。DS90LV049為NI公司的3V LVDS雙向線路驅(qū)動(dòng)器和雙向線路接收器,。

系統(tǒng)工作流程為：

首先,，采集卡通過(guò)DS90LV047A對(duì)CCD相機(jī)發(fā)出的控制指令。CCD相機(jī)在接到指令后,，將采集到的圖像數(shù)據(jù)分為4路LVDS數(shù)據(jù)信號(hào)和1路LVDS時(shí)鐘信號(hào),，通過(guò)接口連接器MDR26，輸送到圖像采集卡,；圖像采集卡將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成38路并行信號(hào)和1路隨路時(shí)鐘傳送給FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。由于數(shù)據(jù)量很大，為保證數(shù)據(jù)低誤碼率及提高可靠性,，使用了2塊Micron 2 GB DDR2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和乒乓處理,。FPGA根據(jù)用戶的需求進(jìn)行高速的圖像處理。采集卡通過(guò)PXIE-8x將圖像數(shù)據(jù)上傳至PC(上位機(jī))上進(jìn)行后期處理,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PC(上位機(jī))對(duì)圖像采集卡的控制,。圖像數(shù)據(jù)最終通過(guò)PC將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SSD(Solid-state Drive)電子盤上，以供隨時(shí)調(diào)用,。在讀/寫速度等關(guān)鍵性能上,，SSD電子盤遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤，因此選用SSD電子盤為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì),。采集卡還采用DS90LV049(LVDS雙線路驅(qū)動(dòng)器，帶有雙線路接收器)來(lái)實(shí)現(xiàn)采集卡與相機(jī)間的串行通信,，用戶可以根據(jù)需要對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行配置,。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 Camera Link接口設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，Camera Link接口設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分,，即為視頻數(shù)據(jù)信號(hào)接口設(shè)計(jì),，控制信號(hào)接口設(shè)計(jì)，串行通信命令接口設(shè)計(jì),。

2.1.1 視頻數(shù)據(jù)信號(hào)的接口設(shè)計(jì)

視頻數(shù)據(jù)信號(hào)為FVAI,，LVAL，DVAL和SP,，它們分別是幀允許信號(hào),、行允許信號(hào)、數(shù)據(jù)允許信號(hào)和保留信號(hào),，4路均為L(zhǎng)VDS數(shù)據(jù)信號(hào),，外加1對(duì)LVDS時(shí)鐘信號(hào)，在此采用了National Semiconductor公司的DS90CR288A芯片，將5路LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為28路數(shù)據(jù)信號(hào),。具體連接圖如圖3所示,。

2.1.2 控制信號(hào)接口設(shè)計(jì)

相機(jī)控制信號(hào)CC1，CC2,，CC3,，CC4為4路LVDS信號(hào)，為節(jié)省布線空間,，F(xiàn)PGA發(fā)出的控制信號(hào)均為單端信號(hào),，因此采用National Semicon-ductor公司的DS90LV047A芯片將采集卡發(fā)出的單端COMS控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)VDS信號(hào)，完成對(duì)CCD相機(jī)的控制,。圖4為DS90LV047A與MDR26的連接,。

2.1.3 串行通信信號(hào)接口設(shè)計(jì)

串行通信信號(hào)由兩對(duì)LVDS信號(hào)提供，這些信號(hào)使相機(jī)與其使用者之間可以進(jìn)行通信,。因?yàn)槭请p向通信,，在此采用了National Semicon-ductor公司的DS90LV049芯片實(shí)現(xiàn)了LVDS差分信號(hào)到單端CMOS信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換。圖5為DS90LV049與MDR26的連接示圖,。圖中EN為1時(shí),，EN可以不接，4條通路可以全通,。

2.2 PXIE模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 PXIE的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

在PXIE規(guī)范中,，對(duì)于時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度要求是100MHz±300ppm，抖動(dòng)(Cycle-to-Cycle)需要小于125ps,，占空比要求50%±5%以內(nèi),。因此，系統(tǒng)中選用IDT公司的ICS874003-02作為100MHz參考時(shí)鐘的抖動(dòng)衰減器,。ICS874003-02是一款高性能的將差分時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS電平時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)衰減器,，該元件可支持PXI Express系統(tǒng)，具有衰減或“清除”100MHz PXIE輸入時(shí)鐘抖動(dòng),，同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成250MHz LVDS輸出能力的時(shí)鐘器件,。ICS874003-02在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)高性能，低相噪的鎖相環(huán),。鎖相環(huán)的鑒相帶寬為400kHz,，可以快速鎖定時(shí)鐘，減小抖動(dòng),。該器件支持低于1ps RMS極低相位噪聲的基準(zhǔn)時(shí)鐘生成,，滿足基于PXIE的高速應(yīng)用的嚴(yán)格的抖動(dòng)要求。它的最大周期抖動(dòng)為35ps,，占空比變化為50%±2%,，完全可以滿足PXIE對(duì)時(shí)鐘的要求,，其內(nèi)部原理圖如圖6所示。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用QA0/nQA0和QA1/nQA1兩對(duì)差分輸出時(shí)鐘,，并且將這兩個(gè)輸出分頻器的分頻系數(shù)設(shè)置為5,，使輸出時(shí)鐘頻率和輸入時(shí)鐘頻率相同。

ICS874003-02提供獨(dú)立的電源用以隔離內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲,，VDD,，VDDA，以及VDDO抑必須單獨(dú)通過(guò)過(guò)孔連接到電源層,，并且在每個(gè)電源腳上都要加入旁路電容,，為了獲得最佳的時(shí)鐘抖動(dòng)特性，電源需要相互隔離,。如圖7所示,，1個(gè)10Ω的電阻以及1個(gè)10μF和0.01μF的旁路電容構(gòu)成了一個(gè)電源濾波電路，連接到每個(gè)VDDA腳,，10Ω的電阻可以被磁珠所替代,。

2.2.2 PXIE的IP core設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，采用Virtex-5LX50T型FPGA作為PXIE的傳輸控制器,，由于FPGA內(nèi)部集成了PCIe端點(diǎn)模塊,，所以減少了很多外圍硬件電路的設(shè)計(jì)難度。PCIe端點(diǎn)模塊的IP核框圖如圖8所示,。

由圖8可以看出,，PXIE IP核采用分層結(jié)構(gòu)，即分別為物理層鏈路模塊,、物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和用戶應(yīng)用層,。傳輸層負(fù)責(zé)處理用戶應(yīng)用層(User Applieation)提供的傳輸層包(TLP)并安排其傳輸,。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)鏈路管理和數(shù)據(jù)完整性，包括錯(cuò)誤的檢測(cè)和糾正,。物理層負(fù)責(zé)完成包的成幀和解幀,、字節(jié)的組合和拆分,、鏈路的初始化和訓(xùn)練,、擾碼生成和解擾。發(fā)送時(shí),，物理層鏈路模塊負(fù)責(zé)將物理層生成的擾碼應(yīng)用到傳輸數(shù)據(jù)中,，同時(shí)復(fù)用到物理層模塊接收到的有序集中，最后把包傳輸給傳輸接口,；接收時(shí),，負(fù)責(zé)從傳輸接口上接收TLP字節(jié)，從數(shù)據(jù)中解碼有序集，并且將DLLP和TLP解擾,。

2.2.3 PXIE傳輸速度問(wèn)題及解決情況

由于PXIE傳輸協(xié)議是基于PCIe傳輸協(xié)議的擴(kuò)展,，所以可以利用目前比較成熟的PCIe傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)在硬件程序設(shè)計(jì)層次上實(shí)現(xiàn)PXIE傳輸協(xié)議，至于PXIE協(xié)議的一些擴(kuò)展接口,，都可以在FPGA外圍用基本硬件電路簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn),。FPGA生產(chǎn)廠商Xilinx公司提供了一套成熟，穩(wěn)定并且免費(fèi)的PCIe傳輸方案,，以IP(Intellectual Property)的形式提供給用戶,。

PCIe IP核雖然為PXIE傳輸協(xié)議提供了解決方案，但是仍然存在問(wèn)題,。首先,，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程當(dāng)中，由于PCIe IP一直占用了CPU,，使得PC在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),，主機(jī)本身無(wú)法進(jìn)行其他操作，還有一定幾率造成系統(tǒng)崩潰,。其次,，由于PCIe協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)陌d荷過(guò)小，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臅r(shí)候,，會(huì)進(jìn)行多次傳輸,，從而浪費(fèi)大量時(shí)間在結(jié)束和發(fā)起傳輸上，導(dǎo)致平均數(shù)據(jù)傳輸率下降,。最后,，由于IP核的重要特性是通用化，所以IP核的接口包括了所有PCIe信號(hào),，使得用戶操作非常繁瑣,，不利于設(shè)計(jì)的移交和修改。直接內(nèi)存訪問(wèn)(Direct Memory Access,，DMA)控制器能夠從根本上解決前兩個(gè)問(wèn)題,，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)也能改善第三個(gè)問(wèn)題。

PXIE總線DMA的FPGA功能設(shè)計(jì)框圖如圖9所示,。

當(dāng)PC機(jī)需要通過(guò)PXIE總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，首先PC機(jī)為DMA傳輸在內(nèi)存中劃定兩塊內(nèi)存空間，作為數(shù)據(jù)的第一級(jí)緩存,，并將這兩塊內(nèi)存空間的基地址和大小輪流通過(guò)PXIE總線傳給DMA控制器,。這些配置命令通過(guò)特定的字符串被識(shí)別，并寫入相應(yīng)的配置命令寄存器,。劃定兩塊內(nèi)存空間是為了在當(dāng)DMA控制器從一塊內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí),，PC機(jī)可以向另一塊內(nèi)存寫入數(shù)據(jù),，以乒乓操作的形式提高傳輸效率。

接下來(lái),，PC機(jī)發(fā)起對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸,。PC機(jī)上的PCIe控制器從內(nèi)存中取得數(shù)據(jù)后，將原始數(shù)據(jù)封裝,，并串轉(zhuǎn)換往下繼續(xù)傳輸,，數(shù)據(jù)包通過(guò)吉比特串行收發(fā)器傳至FPGA，在進(jìn)入PCIe IP核后被拆解,，剝離的糾錯(cuò)信息作為包進(jìn)一步處理的依據(jù),，最后在應(yīng)用層以并行數(shù)據(jù)的形式推入DMA控制器。

DMA控制器將數(shù)據(jù)流存人數(shù)據(jù)輸出FIFO,，根據(jù)FIFO剩余空間的大小判定是否從PC機(jī)中繼續(xù)讀取數(shù)據(jù),，這樣就保證了數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閬?lái)不及從FIFO中取走而丟失。當(dāng)DMA控制器接收到一塊內(nèi)存大小的數(shù)據(jù)之后,，就會(huì)以邊帶信號(hào)的形式發(fā)送中斷信號(hào)給上位機(jī),，上位機(jī)接收到中斷之后就可以開始下1次DMA傳輸。

當(dāng)PC機(jī)需要通過(guò)PXIE總線接收數(shù)據(jù)時(shí),，工作流程與通過(guò)PXIE總線發(fā)送數(shù)據(jù)基本類似,，主要區(qū)別在于從PC機(jī)往下發(fā)送的包里不包含數(shù)據(jù)，僅包含路由及其他控制信息,，DMA控制器接收到包后,，會(huì)以完成包的形式將數(shù)據(jù)打包往上傳回PC機(jī)，完成包按照接收到包中的路由信息,，逆向?qū)ぶ坊氐絇C機(jī)的內(nèi)存,，PC機(jī)就完成了一次通過(guò)PXIE總線接收數(shù)據(jù)。

加入DMA控制器之后的PXIE總線被重新封裝,，操作得到簡(jiǎn)化,。

2.3 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試中，PXIE配置為8通道,，測(cè)試數(shù)據(jù)為16MB,，在PC機(jī)通過(guò)PXIE接口讀取數(shù)據(jù)的操作過(guò)程當(dāng)中，平均數(shù)據(jù)率達(dá)到1504Mb/s,。在PC機(jī)通過(guò)PXIE接口發(fā)送數(shù)據(jù)的操作過(guò)程中,，平均數(shù)據(jù)率達(dá)到1490Mb/s。通過(guò)PCIe測(cè)速軟件進(jìn)行傳輸速度測(cè)試,，其結(jié)果如圖10所示,。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于PXIE總線和Camera Link協(xié)議的高速CCD圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。該方案給出了一種Camera Link硬件接口電路的設(shè)計(jì)思路,，并且選用Xilinx公司的Virtex-5 LX50T型FPGA作為整個(gè)采集系統(tǒng)的核心處理器,，同時(shí)對(duì)Virtex-5自帶的IPcore進(jìn)行研究和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)Camera Link采集卡通過(guò)PXIE總線與上位機(jī)進(jìn)行串行通信,。在試驗(yàn)過(guò)程中,，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)靈活，開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)充分得以體現(xiàn),，為下一步的高速圖像采集系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ),。