基于USB3.0高速圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

王國忠，劉 磊，儲成群，任勇峰，焦新泉

(中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)智能化時代的到來，以及工業(yè)4.0的提出，智能化系統(tǒng)對圖像分辨率的要求越來越高，即圖像采集系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群途彌_區(qū)的大小是圖像采集系統(tǒng)中非常重要的一部分，如果緩沖的速度與傳輸?shù)乃俣炔黄ヅ涞脑挘蜁箶?shù)據(jù)丟失或者堵塞，因此需要對整個系統(tǒng)進行綜合設(shè)計。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體方案設(shè)計如圖1所示，由圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊3部分組成。圖像采集模塊采集模擬數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊接收圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)存到緩沖芯片DDR2 SDRAM中，同時接收上位機下發(fā)命令，把數(shù)據(jù)實時上傳；數(shù)據(jù)傳輸模塊把數(shù)據(jù)上傳到上位機軟件進行圖像顯示，并負責(zé)上位機與FPGA之間的通信。

本系統(tǒng)采用MT9P031圖像傳感器作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊，把高速圖像數(shù)據(jù)實時上傳給數(shù)據(jù)處理模塊[1]。數(shù)據(jù)處理模塊把數(shù)據(jù)重新編幀后轉(zhuǎn)存到DDR2 SDRAM中。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用USB3.0傳輸，把圖像數(shù)據(jù)實時上傳到上位機軟件，在數(shù)據(jù)編碼方面，USB3.0采用了安全性更高的8b/10b編碼，使用這種編碼方式可以保持電路中的直流平衡，從而提高可靠性；在邏輯設(shè)計中，采用手動DMA模式，提高了傳輸速度，同時提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率以及可靠性[2]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 FPGA硬件設(shè)計

FPGA作為整個系統(tǒng)的硬件控制核心，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，其主要功能是實現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)交換和接口時序等協(xié)調(diào)控制。同時FPGA既要實現(xiàn)與USB控制芯片CYUSB3014連接，也要與DDR2連接，因此本系統(tǒng)選擇I/O口豐富、內(nèi)部資源多、處理速度快的EP3C40F484C6N作為控制中心。該芯片內(nèi)部具有較多的RAM容量，利用IP核可以搭建邏輯控制模塊，如FIFO緩沖模塊，PLL鎖相環(huán)等。

圖1 總體方案設(shè)計

2.2 DDR2硬件電路設(shè)計

圖2 DDR2與FPGA硬件連接圖

本系統(tǒng)為了防止有效數(shù)據(jù)在FIFO中積累而丟失，設(shè)計了外置DDR2 SDRAM緩沖模塊，用來存儲海量的圖像數(shù)據(jù)。圖2為DDR2與FPGA的硬件連接圖。選用MT47H128M16RT-25EC作為DDR2 的芯片，其內(nèi)存為2 Gbit，數(shù)據(jù)位寬為16 bit，內(nèi)部有8個塊，能以內(nèi)部控制總線4倍的速度工作，還能以外部總線4倍的速度進行讀寫操作。CK和CKN為時鐘差分線，在他們的相交處均有數(shù)據(jù)傳輸，即在CLK的上升沿和下降沿均有數(shù)據(jù)傳輸。A[13：0]為列地址，BA[2：0]為塊地址，對DDR2進行數(shù)據(jù)讀寫時，首先發(fā)送要讀取或?qū)懭氲木唧w地址。D[15：0]為16位數(shù)據(jù)線。CKE，ODT，CS分別為DDR2的控制信號線，對DDR2進行讀寫操作時，首先要激活時鐘使能信號線(CKE)和片選信號線(CS)，ODT為一種新技術(shù)叫片內(nèi)終結(jié)電阻，通過控制該信號，來實現(xiàn)對匹配電阻的值及其開關(guān)狀態(tài)進行控制，從而達到讀寫信號的完整性。RAS，WE，CAS為命令信號線，通過這3條命令FPGA控制DDR2的讀寫。采用UDQS和UDQSN、LDQS和LDQSN作為雙向差分信號線，寫數(shù)據(jù)時由FPGA發(fā)出，讀數(shù)據(jù)時由DDR2發(fā)出，可以減少信號間串?dāng)_的影響，同時減少信號輸出脈寬對工作電壓和溫度穩(wěn)定性的依賴。UDM，LDM在進行突發(fā)傳輸時，可屏蔽掉不存儲的數(shù)據(jù)[3]。

2.3 USB3.0的硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用CYUSB3014作為USB3.0的控制芯片，該芯片具有高度集成的靈活特性，具有一個可進行數(shù)據(jù)并行讀寫的通用可編程接口GPIFⅡ，其內(nèi)部同時集成了USB3.0和USB2.0物理層(PHY)以及32位ARM926EJ-S微處理器，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。GPIFⅡ接口可進行8位、16位、32位數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)與FPGA之間無縫連接；GPIFⅡ為一種可編程狀態(tài)機，其接口即可作為主控制器也可作為從器件，并行和串行接口均可通過該接口實現(xiàn)。本系統(tǒng)將CYUSB3014配置為32位并行的SLAVE FIFO模式，實現(xiàn)與FPGA之間的高速圖像數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PGA通過GPIFⅡ接口可訪問其內(nèi)部32個緩沖區(qū)[4]。

圖3為USB3.0周圍的硬件電路。如圖3所示，GPIFⅡ的32位數(shù)據(jù)總線直接與FPGA的I/0口相連，而在CYUSB3014內(nèi)部GPIFⅡ直接連接到了DMA通道上。SLCS為片選信號，系統(tǒng)開始工作時被激活。PKTEND為短包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束信號，當(dāng)一包數(shù)據(jù)結(jié)束時該信號有效。FLAGA和FLAGB為DMA通道對應(yīng)的緩沖區(qū)空滿狀態(tài)的標(biāo)志信號，由CYUSB3014芯片發(fā)出，F(xiàn)PGA接收。SLWR為寫使能信號，當(dāng)通過USB3.0讀取數(shù)據(jù)時，該信號使能有效，GPIFⅡ隨之將數(shù)據(jù)通過DMA通道存入到對應(yīng)的緩沖區(qū)中。SLOE為讀使能信號，即FPGA發(fā)出讀請求時，該信號使能有效同時驅(qū)動數(shù)據(jù)總線DQT翻轉(zhuǎn)。A(1∶0)為線程選擇信號，通過改變它的數(shù)值，對GPIFⅡ內(nèi)部的4個獨立進程進行選擇，從而實現(xiàn)選用那個DMA通道進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 USB3.0硬件電路圖

SLRD為讀請求信號，當(dāng)該信號有效時，F(xiàn)PGA讀取GPIFⅡ接口的數(shù)據(jù)。PCLK與FPGA的CLK相連，提供最高可達100 MHz的接口頻率。

圖3中的24FC1025T-I/SN是容量為1 024KB的EEPROM，用于存儲USB3.0的固件程序，通過I2C總線與CYUSB3014相連。而I2C總線是由一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線構(gòu)成，根據(jù)I2C總線規(guī)范，總線空閑時必須為高電平，所以本設(shè)計通過2.21 kΩ電阻連接至3.3 V電源上拉。NCP361SN1G為過壓保護芯片，CYUSB3014的VBUS引腳的最大輸入電壓為6 V，而在USB接口上VBUS的供電電壓最大可達9 V，因此為了保護CYUSB3014的VBUS免受損壞，本設(shè)計增加了過壓保護芯片。同時為了使輸入電壓穩(wěn)定，在VBUS串聯(lián)一個2.2 μH的電感。使用2.2 μH的電感與105電容并聯(lián)，同時將USB插座上的“屏蔽”引腳接地，實現(xiàn)隔離屏蔽的作用。本系統(tǒng)選用四通道的SP3010-04UTG作為SSRX+、SSRX-、SSTX+、SSTX-的外部ESD器件，它具有高性能、低電容的特性，其保護電平為±8 kV接觸放電和±15kV氣隙放電[5]。

3 邏輯設(shè)計

3.1 DDR2讀寫邏輯設(shè)計

DDR2 SDRAM的讀寫控制是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。在系統(tǒng)上電后，DDR2 SDRAM內(nèi)部需要進行一系列復(fù)雜的初始化操作，才能開始正常工作。具體操作為：預(yù)充電→空命令→配置外部寄存器→空命令→配置內(nèi)部寄存器→預(yù)充電→空命令→自動刷新→空命令→開始接收命令。在正常開始工作，每次讀寫切換和行、塊地址變化時，必須通過預(yù)充電來關(guān)閉當(dāng)前讀寫的存儲單元，同時在進行新的操作時，需要先激活要讀寫的存儲單元所在的地址[6]。

圖4 DDR2邏輯設(shè)計圖

由于DDR2 SDRAM只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，在某一時刻只能讀或者寫，因此本文采用輸入FIFO和輸出FIFO對DDR2 SDRAM進行分時復(fù)用讀寫控制[7]。DDR2 SDRAM的讀寫邏輯控制如圖4所示，通過判斷DDR2 SDRAM內(nèi)部的控制信號，來控制FIFO的讀寫。當(dāng)上位機發(fā)出采集命令時，圖像采集前端配置完寄存器之后開始采集圖像數(shù)據(jù)，DDR2 SDRAM控制器通過監(jiān)測場同步信號的到來，把圖像數(shù)據(jù)不斷存入輸入FIFO中，當(dāng)FIFO中達到一次突發(fā)傳輸數(shù)據(jù)量2 KB時，DDR2 SDRAM控制器發(fā)出寫命令，并一次性讀完輸入FIFO中的所有數(shù)據(jù)，DDR2 SDRAM控制器不斷監(jiān)測輸入FIFO的數(shù)據(jù)量并發(fā)出寫命令。因為圖像數(shù)據(jù)有場消隱和行消隱的時間，在此期間對DDR2 SDRAM進行寫操作，且寫的速率比較快，因此在一定系統(tǒng)時鐘條件下，圖像采集前端不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞。

當(dāng)上位機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的命令時，DDR2 SDRAM控制器首先檢測輸入FIFO的狀態(tài)，在空信號有效時DDR2 SDRAM一次性向輸出FIFO寫入2 KB數(shù)據(jù)，此時用戶通過輸出FIFO進行數(shù)據(jù)讀取。當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)即將讀完時，DDR2 SDRAM一次性向輸出FIFO寫入2 KB數(shù)據(jù)，然后通過USB3.0把圖像數(shù)據(jù)不斷上傳到上位機，其實際傳輸速度達390 MB/s，因此不會出現(xiàn)丟數(shù)的情況。

3.2 USB3.0數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬙O(shè)計

本系統(tǒng)采取手動DMA傳輸模式，用來將GPIFⅡ接口連接至內(nèi)部緩沖器和USB3.0數(shù)據(jù)傳輸接口，通過手動DMA模式可以控制圖像數(shù)據(jù)的傳輸速度，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。該模式可以把其中2個線程中共32個緩沖器分別分配到輸入和輸出DMA通道上，緩沖器的容量通過USB3.0的傳輸速度來設(shè)置。圖5為DMA通道的設(shè)計圖[8]。

如圖5所示，設(shè)計中只用了GPIFⅡ 4個線程中的2個，線程0和線程1，并且采用了默認的對應(yīng)關(guān)系，套接字0與線程0相對應(yīng)；套接字1與線程1相對應(yīng)[9]。線程的切換是FPGA通過控制USB_A0和USB_A1信號來實現(xiàn)，當(dāng)為00時，選擇線程0；當(dāng)為01時，選擇線程1。套接字是外部硬件與內(nèi)部緩沖區(qū)之間的橋梁，即套接字可以看作是外設(shè)的接口，每個硬件模塊有其固定的套接字。其中每個描述符存有緩沖區(qū)的地址和緩沖區(qū)的容量，以及指向下一個描述符的指針。

圖5 DMA通道的設(shè)計圖

在邏輯設(shè)計中，將USB_FLGA和USB_FLGB均設(shè)置為低電平有效，故當(dāng)其為低電平時，它們指示緩沖區(qū)進入滿狀態(tài)[10]。本設(shè)計FPGA通過從設(shè)備FIFO控制USB3.0進行突發(fā)傳輸，圖6為32位數(shù)據(jù)總線突發(fā)傳輸?shù)倪壿嫹治鰞x截圖，在突發(fā)傳輸過程中，為了保證數(shù)據(jù)連續(xù)輸出，USB_RD和USB_OE始終保持有效，只要一行圖像數(shù)據(jù)寫入完成，就對DDR2 SDRAM進行讀操作。這樣一來DMA緩沖區(qū)就不會出現(xiàn)滿狀態(tài)，即整個過程USB_FLGA和USB_FLGB一直為高電平，為了避免DMA通道的失鎖以及對上次數(shù)據(jù)的清空處理，本設(shè)計采用了每次重新寫入數(shù)據(jù)時，再次激活GPIFⅡ接口的思想，即USB_CS信號在USB_WR從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，重新被激活。

圖6 突發(fā)傳輸?shù)倪壿媹D

4 結(jié)果分析及驗證

本系統(tǒng)圖像采集模塊采集到的圖像分辨率為2 048×1 536，幀頻為21 fps，且顯示為256級8位灰度圖像，因此每秒采集的數(shù)據(jù)量為63 MB(2 048×1 536×21B)。DDR2工作在125 MHz時鐘下，其傳輸速度峰值高達500 MB/s(125 MHz×2B×2)，通過邏輯分析儀發(fā)現(xiàn)突發(fā)傳輸1行圖像數(shù)據(jù)需要512個系統(tǒng)時鐘，而DDR2自動刷新、預(yù)充電、狀態(tài)信息等消耗50個系統(tǒng)時鐘，因此DDR2實際平均數(shù)據(jù)吞吐量為500 MB/s×512/(512+50)≈456 MB/s。USB3.0數(shù)據(jù)傳輸速度為390 MB/s，通過理論分析，本系統(tǒng)可以正常工作。而且經(jīng)過長時間重復(fù)測試，在沒有上位機引起其他開銷的情況下，采集的圖像如圖7所示。其畫面清晰、流暢，且實時性較好，證明了本系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行圖像數(shù)據(jù)上傳，且穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語

本設(shè)計中，采用了占用資源少、支持熱插拔、可連接多個設(shè)備的USB3.0數(shù)據(jù)總線和緩沖速度快的DDR2緩沖器，設(shè)計了高速圖像傳輸系統(tǒng)，大幅提高了圖像數(shù)據(jù)的傳輸速度和存儲空間，在邏輯設(shè)計中采用了手動DMA模式，實現(xiàn)了海量圖像數(shù)據(jù)的傳輸，確保了高清圖像的實時顯示。

圖7 圖像截圖