淺談LVDS和PCI接口的高速圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計

摘要： 針對數(shù)字圖像處理與傳輸領(lǐng)域數(shù)據(jù)量大而傳統(tǒng)接口無法滿足其高速率傳輸要求的現(xiàn)狀，提出了一種基于LVDS和PCI接口的高速圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，對系統(tǒng)總體設(shè)計和各電路模塊進行了詳細介紹和分析，并對系統(tǒng)整體功能進行了測試。該系統(tǒng)以FPGA作為控制核心，采用乒乓操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫緩沖，重點研究了LVDS接口和PCI總線技術(shù)，保證圖像數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸。測試結(jié)果表明，該傳輸系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能可靠地實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸，最大傳輸速率可達18 MB/s，具有一定的實用價值。

近年來，隨著電子信息、多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，在圖像處理和視頻傳輸?shù)阮I(lǐng)域中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，這對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量提出了很高的要求［1］。然而，一些傳統(tǒng)的點對點物理層接口由于在速度、可靠性、功耗、成本等方面的限制，已經(jīng)無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求，因此迫切需要一種速率快、可靠性高、功耗低的數(shù)據(jù)傳輸方式。低壓差分信號技術(shù)LVDS（Low Voltage Differential Signaling）使用極低的擺幅通過雙絞電纜傳輸數(shù)據(jù)，是一種最高傳輸速率可達1.923 Gb/s的通用接口技術(shù)，并且由于其低壓差分的傳輸方式，具有較強的抑制信號干擾能力，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x、速率和可靠性［2］。此外在計算機測量領(lǐng)域，PCI總線憑借其出色性能以及良好的兼容性，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、信息通信、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［3］，為圖像數(shù)據(jù)高速傳輸提供了有力的保障。

結(jié)合LVDS接口與PCI總線能夠滿足高速傳輸?shù)奶匦?，本文主要從系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計和邏輯設(shè)計等方面介紹一種基于LVDS和PCI接口的高速圖像傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的高速圖像傳輸系統(tǒng)主要實現(xiàn)對數(shù)字圖像信息的編碼、傳輸以及顯示功能，突出傳輸系統(tǒng)的高效與可靠。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，各個模塊之間既相互獨立又相互配合，主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、圖像編碼模塊、LVDS收發(fā)模塊、FPGA邏輯控制模塊和PCI接口等模塊組成。其中，圖像編碼模塊的功能由軟件完成，根據(jù)圖像格式進行相應(yīng)的二進制編碼； FPGA邏輯控制模塊實現(xiàn)系統(tǒng)對硬件高集成度的要求。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的圖像信息輸入主要包括單幅圖片以及視頻流數(shù)據(jù)，圖像編碼模塊首先根據(jù)內(nèi)部協(xié)議規(guī)范的幀格式對圖像信息進行二進制編碼，之后將數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送到FPGA邏輯控制模塊中；FPGA邏輯控制模塊對兩片SRAM采用乒乓操作，將接收到的數(shù)據(jù)交替讀/寫進行緩沖，然后通過LVDS發(fā)送模塊發(fā)送出去；在接收端，LVDS接收模塊對接收的數(shù)據(jù)進行串/并轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA邏輯控制模塊將數(shù)據(jù)寫入Flash存儲芯片進行備份，同時將數(shù)據(jù)通過PCI接口傳輸給上位機進行處理及顯示。在此過程中，系統(tǒng)指令的下發(fā)均由上位機完成。

2 硬件設(shè)計

2.1 LVDS收發(fā)單元

LVDS收發(fā)單元由LVDS發(fā)送模塊和LVDS接收模塊兩部分組成。設(shè)計選用美國德州儀器公司的10位總線型低壓差分信號串化器SN65LV1023A和解串器SN65LV1224A作為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)腖VDS接口芯片，接口電路如圖2所示。

SN65LV1023/1224A芯片組采用主動工作模式，可輸入的頻率范圍為10~66 MHz，芯片最高傳輸速率可達792 Mb/s，具有初始化、同步、數(shù)據(jù)傳輸、休眠、高阻5種工作狀態(tài)［4］。該芯片組在正常工作之前必須經(jīng)過時鐘同步操作。當(dāng)系統(tǒng)上電后，芯片組首先將輸出管腳置為高阻態(tài)并啟動鎖相環(huán)，再由串化器發(fā)送SYNC（“000000111111”）同步信息，若解串器LOCK管腳置“0”，則說明時鐘已同步，可以進行數(shù)據(jù)傳輸。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，串化器將接收到的10 bit電平數(shù)據(jù)進行并/串轉(zhuǎn)換，然后將內(nèi)嵌有時鐘信息的串行數(shù)據(jù)發(fā)送到差分端口經(jīng)由屏蔽雙絞線輸出；在接收端，解串器在REFCLK時鐘下將接收到的串行數(shù)進行串/并轉(zhuǎn)換并存入鎖存器中，根據(jù)重建的同步時鐘信號RCLK將10 bit并行數(shù)據(jù)輸出，從而完成整個傳輸過程。設(shè)計中采用內(nèi)嵌時鐘恢復(fù)技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，有效地解決了由于時鐘與數(shù)據(jù)同步不嚴(yán)格而引起的制約其性能的一系列問題。

由于高頻信號在PCB導(dǎo)線和電纜上的損耗會使邊沿變化速率降低，引入碼間串?dāng)_，但這會導(dǎo)致傳輸信號衰減。所以為了保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，設(shè)計中配合使用LVDS芯片和電纜延展器芯片。采用CLC001驅(qū)動器和CLC014均衡器實現(xiàn)高速傳輸?shù)男盘栒{(diào)理作用，降低了信號損耗，補償了信號衰減，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

2.2 PCI接口單元

本設(shè)計采用PCI接口單元實現(xiàn)底層電路與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。上位機通過PCI接口單元實現(xiàn)指令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳，并完成數(shù)據(jù)處理和顯示功能。PCI（Peripheral Component Interconnect）總線規(guī)范是一種高性能32/64 bit地址數(shù)據(jù)復(fù)用的高速外圍設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)［5］。該總線具有眾多優(yōu)點，當(dāng)采用33 MHz時鐘，32 bit數(shù)據(jù)總線最大傳輸速率可達132 MB/s，當(dāng)擴展到64 bit數(shù)據(jù)總線后，其數(shù)據(jù)吞吐量可達264 MB/s的峰值。

如果換用66 MHz時鐘，數(shù)據(jù)傳輸速率理論峰值高達528 MB/s［6］?？紤]到PCI協(xié)議復(fù)雜性較高，如果直接使用FPGA對其進行設(shè)計難度較大，因此采用PLX公司的PCI總線通用接口芯片PCI9054作為PCI總線與本地總線的橋接芯片，其控制方便、成本低廉、通用性強。PCI接口電路如圖3所示。

PCI接口單元主要由PCI9054、HT93LC56和外部晶振組成。PCI9054芯片提供PCI、LOCAL和E2PROM 3個接口，分別實現(xiàn)與PCI總線、本地總線和配置芯片的物理連接。本設(shè)計采用32 bit數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)與地址不復(fù)用，故配置PCI9054工作在C模式下。測試指令的下發(fā)采用直接從模式，應(yīng)用程序首先利用API將指令數(shù)據(jù)復(fù)制到主機內(nèi)核空間，然后CPU通過驅(qū)動程序獲得PCI總線的控制權(quán)，實現(xiàn)對本地總線和配置寄存器的訪問；

而數(shù)據(jù)上傳過程由于數(shù)據(jù)量大、速率快，所以采用DMA方式，DMA方式無需CPU的參與即可實現(xiàn)本地總線與PCI總線的數(shù)據(jù)交換，能夠完成高速傳輸?shù)娜蝿?wù)。數(shù)據(jù)上傳操作同樣由應(yīng)用程序發(fā)起，首先申請用戶空間用于存儲上傳的數(shù)據(jù)，并通過API將其地址映射到內(nèi)核空間地址，然后配置PCI內(nèi)部的DMA寄存器，啟動DMA傳輸。在DMA方式下，PCI9054作為PCI總線和本地總線的主控設(shè)備，將本地總線中的數(shù)據(jù)傳輸至內(nèi)核空間，此時應(yīng)用程序通過訪問用戶空間處理上傳的數(shù)據(jù)。指令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳過程分別如圖4、圖5所示。

3 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

3.1 FPGA邏輯程序

設(shè)計中，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司的SPARTAN系列芯片，該芯片具有很高的邏輯資源，易于配置。系統(tǒng)發(fā)送端的FPGA邏輯控制模塊主要完成高速數(shù)據(jù)的接收緩存以及LVDS接口的時序控制。為了提高傳輸速度，避免數(shù)據(jù)流不連續(xù)，系統(tǒng)采用“乒乓操作”，交替對兩片SRAM進行讀/寫。當(dāng)FPGA接收到數(shù)據(jù)時，首先對SRAM 1進行寫操作，接著將下一幀圖像寫入SRAM 2；

同時對SRAM 1進行讀操作，并將讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到LVDS發(fā)送模塊。系統(tǒng)在對一片SRAM進行寫操作的同時，可以對另一片SRAM進行讀操作，如此交替讀/寫有效地節(jié)省了等待時間，從而提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理?！捌古也僮鳌笨刂茣r序流程如圖6所示。

3.2 固件配置

PCI9054內(nèi)部寄存器的初始化配置由Microchip公司的E2PROM HT93LC56完成，主要包括PCI和Local配置寄存器、DMA寄存器、Runtime寄存器等寄存器組［7］。本設(shè)計采用從方式和DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，配置LAS0BA（0）=1、LAS0RR（0）=0、LBRD0（1:0）=11，將地址空間0作為指令下發(fā)的本地空間并設(shè)置數(shù)據(jù)寬度為32 bit；對DMA寄存器的配置包括：DMAMODE0（1:0）=11表示數(shù)據(jù)寬度為32 bit，DMAMODE0（8:7）=00表示傳輸采用單周期方式等。這些配置信息均可借助PLX公司提供的PLXMon工具進行燒寫。

4 測試結(jié)果

為了驗證本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理與高速傳輸?shù)目煽啃裕瑢ζ湔w進行了功能測試。圖像信息源采用大小為720×480的黑灰規(guī)律變化的圖像，將二進制數(shù)據(jù)還原成圖片之后通過肉眼觀察并進行軟件分析來判斷是否發(fā)生錯誤。

圖7是接收到的一幀數(shù)據(jù)還原出的圖像，圖像清晰明了，沒有明顯的異?，F(xiàn)象。圖8是測試系統(tǒng)功能時計算機記錄的一段數(shù)據(jù)，虛框內(nèi)的“42 4D”為幀頭，“36 D2 0F 00”為一幀圖像的數(shù)據(jù)大小，“D0 02 00 00”和“E0 01 00 00”分別表示圖像的寬度與高度，隨后是圖像數(shù)據(jù)區(qū)域（“00”代表黑色，“C8”代表灰色）。經(jīng)過軟件對比分析，接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤碼，所以該系統(tǒng)可以實現(xiàn)設(shè)計功能并具有較高的穩(wěn)定性。

本文充分利用了LVDS技術(shù)的傳輸特點與應(yīng)用優(yōu)勢，結(jié)合“乒乓”讀寫操作和PCI總線傳輸技術(shù)設(shè)計了一種基于LVDS和PCI接口的高速圖像傳輸系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到工業(yè)數(shù)據(jù)采集、測試等領(lǐng)域，具有較高的可靠性。

參考文獻

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