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

摘要：針對傳統(tǒng)PCI總線帶寬低，不能傳輸高速視頻信號的缺陷，設(shè)計了使用芯片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PEX8311控制做了介紹。通過編寫WDM驅(qū)動程序和上位機(jī)程序?qū)ο到y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行了測試。測試表明該系統(tǒng)滿足高速圖像傳輸?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合發(fā)揮越來越重要的作用。
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滿足各種視頻傳輸要求的標(biāo)準(zhǔn)接口。這個標(biāo)準(zhǔn)不僅可以滿足各種高速視頻傳輸?shù)囊螅?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)備開發(fā)和維護(hù)上的時間和成本大大減少。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)器視覺領(lǐng)域，對計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力提出了嚴(yán)重的考驗，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)對點(diǎn)串行連接方式，比起PCI以及更早期的計算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，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，以滿足不同系統(tǒng)設(shè)備對數(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。所以對于高幀頻的CamLink接口相機(jī)來說，傳統(tǒng)的總線(例如PCI總線接口)已經(jīng)不能滿足實(shí)時圖像傳輸?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)對整個系統(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個模塊：CamLink接口模塊、FPGA控制模塊、SDRAM存儲模塊、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)軟件通過驅(qū)動程序控制FPGA對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、行頻信號、像索時鐘信號和視頻信號。由于CamLink接口輸出的是差分信號，所以通過DS90CR288A芯片將差分轉(zhuǎn)換成單端信號，輸入給FPGA。在FPGA內(nèi)部，通過FIFO對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，在同步和時鐘信號的控制下，F(xiàn)IFO輸出的數(shù)據(jù)存放到SDRAM中。由于在同一時刻只能對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，在奇幀的時候，向SDRAM1寫一幀圖像，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)編寫基于PCIE總線的驅(qū)動程序，將圖像從SDRAM使用DMA方式讀到計算機(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)計中使用PLX公司的PEX8311芯片通過橋接方式實(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個總線的主控設(shè)備去控制總線，也可以作為兩個總線的目標(biāo)設(shè)備去響應(yīng)總線。芯片通過內(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，這些寄存器組用來控制數(shù)據(jù)的傳輸，記錄傳輸?shù)臓顟B(tài)。
PEX8311提供兩個串行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。它主要用來控制PCI—Express的性能。