基于CPCI總線的圖像數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

詹來(lái)龍 李 可 張 萌 李長(zhǎng)森 劉剛軍

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

目前，紅外和可見(jiàn)光等技術(shù)被廣泛應(yīng)用，紅外或可見(jiàn)光圖像的好壞直接影響系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、捕獲、跟蹤能力，因此在各種試驗(yàn)條件下，紅外或可見(jiàn)光的圖像數(shù)據(jù)記錄和回放尤為關(guān)鍵。紅外或可見(jiàn)光圖像具有速率快、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，考慮到視頻采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和試驗(yàn)環(huán)境惡劣性要求，采用CPCI總線和SSD(Solid State Drive)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于CPCI總線的圖像數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

基于CPCI總線的圖像數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)主要由CPCI總線計(jì)算機(jī)、LVDS總線視頻采集板卡、主機(jī)板(含固態(tài)硬盤(pán))和圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示板卡構(gòu)成，組成框圖如圖1所示。

圖1 基于CPCI總線的圖像數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)組成框圖

圖像數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)能對(duì)紅外(或可見(jiàn)光)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄存儲(chǔ)，并能在各種試驗(yàn)結(jié)束后回放紅外(或可見(jiàn)光)圖像。主要功能如下：

1)紅外(或可見(jiàn)光)視頻圖像采集，存儲(chǔ)，回放；

2)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在固態(tài)硬盤(pán)中，文件管理方式，每個(gè)文件大小在1GB左右；

3)可以通過(guò)USB2.0下載數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)千兆以太網(wǎng)口下載數(shù)據(jù)；

4)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示板卡可以實(shí)時(shí)顯示4路紅外或可見(jiàn)光圖像；

5)RS422接口可以進(jìn)行串口通信和命令控制；

6)記錄圖像狀態(tài)信息和參數(shù)信息。

該系統(tǒng)采用32位，33MHz的CPCI總線，提供帶寬132MB/s；采用了高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動(dòng)沖擊能力和電磁兼容特性；采用了3U的板卡尺寸結(jié)構(gòu)，體積小，集成度高。

該系統(tǒng)采用固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)。固態(tài)硬盤(pán)SSD(Solid State Drive) 采用FLASH閃存芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，它內(nèi)部沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒(méi)有數(shù)據(jù)查找時(shí)間、延遲時(shí)間和尋道時(shí)間。固態(tài)硬盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)在于：抗振、寬溫、無(wú)噪、可靠。固態(tài)硬盤(pán)沒(méi)有普通硬盤(pán)的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，因而抗振性能和低功耗性能極佳。選用的固態(tài)硬盤(pán)工作溫度為-40℃～85℃，可適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境條件。

該系統(tǒng)采集的紅外圖像數(shù)據(jù)率為12MByte/s，可見(jiàn)光圖像數(shù)據(jù)率為24MByte/s。如果選用512G固態(tài)硬盤(pán)，單獨(dú)存儲(chǔ)紅外圖像，它可存儲(chǔ)16h。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可以靈活擴(kuò)展和升級(jí)固態(tài)硬盤(pán)，達(dá)到更快的速率和更大的存儲(chǔ)容量。

2 LVDS視頻采集板卡

2.1 硬件設(shè)計(jì)

LVDS視頻采集板卡采用3U的CPCI板卡架構(gòu)，原理框圖如圖2所示。

圖2 LVDS視頻采集板卡原理框圖

1)接收紅外成像傳感器送來(lái)的LVDS差分?jǐn)?shù)字圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送方使用DS90LV047A(驅(qū)動(dòng))芯片，接收方應(yīng)使用DS90LV048A(接收)芯片與之匹配，其接口定義見(jiàn)表1。

表1 圖像數(shù)據(jù)LVDS總線信號(hào)定義

紅外圖像信號(hào)時(shí)序關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 紅外圖像信號(hào)時(shí)序圖

可見(jiàn)光圖像信號(hào)時(shí)序關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 可見(jiàn)光圖像信號(hào)時(shí)序圖

其中，VCLK是24MHz的連續(xù)時(shí)鐘，VSYN是周期為20ms的場(chǎng)同步信號(hào)，它的上升沿與VCLK的下降沿對(duì)齊，當(dāng)VSYN為高電平時(shí)，每個(gè)VCLK的上升沿可以采樣到1個(gè)4位的圖像信息。紅外成像傳感器每發(fā)出4個(gè)4位的圖像信息后，發(fā)出1個(gè)字完成信號(hào)BSYN，根據(jù)這個(gè)信號(hào)采集卡可把收到的4個(gè)4位的圖像信息組成1個(gè)16位的圖像，將該16位圖像信息寫(xiě)入FPGA緩存中，并迭加協(xié)議幀頭、協(xié)議幀尾等字符信息；

2) 紅外圖像1場(chǎng)的數(shù)據(jù)量：紅外實(shí)時(shí)圖像大小為512×320×2 Byte，像素時(shí)鐘頻率24MHz,圖像每秒50場(chǎng)；同時(shí)通過(guò)串口通信要接收80個(gè)字節(jié)的SER數(shù)據(jù)，周期為20ms，SER數(shù)據(jù)在下一個(gè)場(chǎng)同步信號(hào)下降沿時(shí)開(kāi)始記錄，波特率為115.2kbps，分別為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位；

3)由于外部來(lái)的第1組數(shù)據(jù)和VSYN上升沿之間的時(shí)間間隔不確定，所以FPGA中使用BSYN信號(hào)將4個(gè)4位的圖像信息組幀成1個(gè)16位的圖像數(shù)據(jù)。每幀圖像的大小為512×320×16bit=262.14KB，緩沖深度不小于512KB，同時(shí)使用硬件DMA存儲(chǔ)方式，滿足存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的速率和圖像數(shù)據(jù)不丟失；

4)可見(jiàn)光圖像1場(chǎng)的數(shù)據(jù)量：可見(jiàn)光圖像大小為800×600×8bit，像素時(shí)鐘頻率為50MHz,圖像每秒50場(chǎng)；各種LVDS信號(hào)接口和時(shí)序與紅外圖像接口和時(shí)序差別只是BSYN信號(hào)將2個(gè)4位的圖像信息組幀成1個(gè)8位的圖像數(shù)據(jù)。只需要簡(jiǎn)單更改FPGA中組幀代碼就可以采集存儲(chǔ)可見(jiàn)光圖像數(shù)據(jù)；

5)CPCI接口模塊，控制PCI9054 Local Bus和FPGA之間的數(shù)據(jù)通訊。

PCI9054是一個(gè)高性能PCI總線接口芯片，片內(nèi)集成2個(gè)獨(dú)立的DMA控制器。利用DMA控制器可以進(jìn)行高速、大數(shù)據(jù)量傳輸。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備讀寫(xiě)板卡上的寄存器時(shí)， PCI9054 Local bus 是slave interface；當(dāng)板卡準(zhǔn)備啟動(dòng)DMA時(shí)， PCI0954 Local bus 是 master interface。PCI接口模塊就是控制主和從接口的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 接口電路設(shè)計(jì)

LVDS視頻采集板卡的LVDS總線接收芯片采用NS公司的DS90LV048A,該芯片是3V四路LVDS總線差分線性接收器，最高可達(dá)400Mbps轉(zhuǎn)換速率，差分輸入端接100Ω匹配電阻。LVDS總線在PCB設(shè)計(jì)時(shí)器件緊挨接口，差分信號(hào)線嚴(yán)格等長(zhǎng)，外部線纜雙絞屏蔽，有很好的電磁兼容效果。差分輸入接口電路如圖5所示。LVDS差分信號(hào)經(jīng)過(guò)DS90LV048A后轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，再經(jīng)過(guò)4通道高速數(shù)字隔離器ADUM3440,如圖6所示，然后進(jìn)入FPGA。輸出LVDS總線接口電路采用LVDS總線3V四路LVDS總線差分線性驅(qū)動(dòng)器DS90LV047A，其LVDS接口輸出接口和隔離電路如圖7所示。

圖5 LVDS接口差分輸入接口電路

圖6 LVDS差分輸入隔離電路

圖7 LVDS接口輸出接口和隔離電路

2.3 FPGA設(shè)計(jì)

LVDS視頻采集板卡的FPGA采用Xilinx公司的XC3S1000-4FG456I ，主要完成控制PCI總線時(shí)序，控制2個(gè)SBRAM協(xié)調(diào)工作，LVDS總線圖像數(shù)據(jù)接收、組幀和添加傳送協(xié)議，控制DMA方式啟動(dòng)和數(shù)據(jù)傳送等功能。FPGA程序的Top模塊包括BUFG_B，DCM_B，PCI_INTERFACE，ARBITER，DMA_CON，RD_ST，ASYNFIFO和FRAME_PROCESSOR等功能模塊，如圖8所示。

BUFG_B模塊是芯片輸入全局時(shí)鐘緩沖單元，F(xiàn)PGA內(nèi)的時(shí)鐘要走專(zhuān)用時(shí)鐘線。DCM_B是時(shí)鐘信號(hào)調(diào)整單元，DCM是FPGA內(nèi)部的元件，可以提供占空比校正、頻率綜合、倍頻和分頻等功能。PCI_INTERFACE是PCI接口模塊，控制PCI9054 local bus和FPGA之間的數(shù)據(jù)通訊。ARBITER仲裁單元控制2個(gè)外部SBRAM，實(shí)現(xiàn)交叉讀寫(xiě)操作，提高總線利用率，緩存大量高速數(shù)據(jù)。DMA_CON單元主要功能是控制PCI9054DMA通道0， 首先要接收來(lái)自于流控制單元輸出的DMA啟動(dòng)信號(hào)，然后開(kāi)始設(shè)置PCI9054DMA寄存器，最后判斷DMA是否完成。RD_ST模塊是數(shù)據(jù)流控制器，讀出ASYN_FIFO模塊中的數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)到ARBITER單元，判斷一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)是否完成，然后通知DMA_CON模塊，啟動(dòng)DMA。ASYNFIFO模塊是ISE core generator軟件產(chǎn)生的IP CORE，用于完成異步時(shí)鐘域通訊。FRAME_PROCESSOR模塊完成可見(jiàn)光或者紅外光圖像串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)、添加主幀頭、添加視頻數(shù)據(jù)幀頭、添加視頻幀序號(hào)、添加圖像狀態(tài)幀頭、添加幀尾、幀格式控制、接收SER狀態(tài)數(shù)據(jù)，并臨時(shí)存儲(chǔ)等功能。

圖8 LVDS視頻采集板卡的FPGA架構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)軟件程序后選擇視頻采集功能，在圖像格式單選按鈕中選擇圖像格式紅外圖像或可見(jiàn)光圖像，然后在下方的功能選擇多選框中勾選需要的功能：顯示或存儲(chǔ)。配置完成后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄，完成后點(diǎn)擊暫停結(jié)束采集工作。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中若選擇了顯示功能，則程序會(huì)在左側(cè)的圖像區(qū)域內(nèi)顯示當(dāng)前采集到的視頻圖像，如圖9所示。

圖9 紅外(或可見(jiàn)光)采集功能界面

啟動(dòng)軟件程序后選擇視頻回放功能，在圖像格式和回放模式中進(jìn)行所需的設(shè)置。然后打開(kāi)之前保存的視頻文件。當(dāng)選擇單幀回放模式時(shí)，需要在下方的文本框內(nèi)輸入起始時(shí)間，然后點(diǎn)擊下一幀或上

圖10 LVDS接口紅外圖像采集板卡軟件回放界面

一幀進(jìn)行圖像單幀回放；當(dāng)選擇連續(xù)回放模式時(shí)，在下方文本框內(nèi)輸入回放的起止時(shí)間，然后單擊開(kāi)始按鈕進(jìn)行視頻回放。

4 結(jié)論

基于CPCI總線的圖像數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)采用CPCI總線和LVDS總線，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、高帶寬、高速穩(wěn)定的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)USB2.0或千兆以太網(wǎng)迅速下載，可以回放掛飛或其他大型試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程的圖像數(shù)據(jù)。

[1] PCI9054 Data Book[Z].PLX Technology Inc.,2000.

[2] CompactPCI Specification Revision 2.2[S].PCI Industrial Computers Manufacturers Group 1999.

[3] DS90LV048A Data Sheet[Z].NS Inc，2001.

[4] DS90LV047A Data Sheet[Z].NS Inc，2001.

[5] Spartan-3 Data Sheet[Z].Xilinx Inc，2007.