基于PCI總線的高速CCD圖像存儲系統(tǒng)設(shè)

1 引言

偵察與監(jiān)視在軍事斗爭中的地位舉足輕重。在各種偵察/監(jiān)視技術(shù)中，航空偵察占有重要的地位，可見光偵察是一種重要的偵察形式，無人偵察機(jī)顯示出了廣闊的發(fā)展前景，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代航空偵察與監(jiān)視技術(shù)帶來了新的發(fā)展契機(jī)。

航空偵察一個主要的途徑就是利用高性能高速攝像機(jī)進(jìn)行航空拍照，采集各種圖像信息。然而，數(shù)字化的偵察圖像分辨率高、信息量大，使后續(xù)的處理、傳輸、存儲等過程的實(shí)現(xiàn)變得極為困難，從而給機(jī)載圖像/視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，本文基于某型高速相機(jī)，利用低成本FPGA，構(gòu)建了一個高性能的圖像采集存儲系統(tǒng)，完成對高分辨率、高幀率偵察圖像的采集和存儲。

2 某型高速相機(jī)簡介[1]

系統(tǒng)選擇的高速相機(jī)是一款高分辨率、高速度線掃數(shù)字相機(jī)，其圖像傳感器采用先進(jìn)的CCD（Charge-Coupled Device）圖像傳感器，采用了世界尖端水平的高靈敏度掃描成像技術(shù)――高速率的TDI(Time Delay and Integration)技術(shù)、多重曝光技術(shù)并加強(qiáng)藍(lán)色響應(yīng)，從而使該型相機(jī)可提供比單輸出線掃相機(jī)更好的靈敏度特性，總的數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)200MB/s。

相機(jī)接口主要包括后面板上的六個接口：其中四個為數(shù)據(jù)輸出接口，每個接口包括16位數(shù)據(jù)信號，1位數(shù)據(jù)同步信號，1位同步時鐘信號，信號的電平輸出格式為LVDS電平格式；另外兩個接口分別為控制信號接口和電源接口。在控制信號的作用下，相機(jī)同步輸出包含同步時鐘信號(STROBE)和水平同步信號(LVAL)在內(nèi)的 8×8bit標(biāo)準(zhǔn)的灰度圖像數(shù)據(jù)，圖像分辨率可選擇為4096×30`72（本系統(tǒng)采用分辨率）和2048×3072。

相機(jī)控制接口信號中，行觸發(fā)信號（EXSYNC）至關(guān)重要。它負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的觸發(fā)輸出，行觸發(fā)信號的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)并指示數(shù)據(jù)有效。相機(jī)觸發(fā)要求此信號存在下降沿，最小觸發(fā)頻率為300HZ。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)主要包括電平轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)接收預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集存儲三個部分。圖1為系統(tǒng)硬件原理框圖。在總線結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)采用了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PCI">PCI總線結(jié)構(gòu)，PCI9054是PLX公司推出的一種32位33MHz的PCI總線主控I/O加速器，它采用多種先進(jìn)技術(shù)，使復(fù)雜的PCI接口應(yīng)用設(shè)計(jì)變得相對簡單。

從資源和成本方面考慮，F(xiàn)PGA選用Altera公司的低成本Cyclone系列芯片－EP1C6Q240C8。存儲介質(zhì)則選用SCSI磁盤陣列，它能滿足高速、大數(shù)據(jù)量的存儲。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)工作原理：

系統(tǒng)上電，首先完成一系列初始化工作：PC通過底層驅(qū)動配置PCI9054的寄存器，使之處于正常工作模式（C模式）[2]； FPGA上電，配置用戶電路（此時，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯和PCI9054都處于等待狀態(tài)）。

PC應(yīng)用程序啟動后，向PCI9054發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，PCI9054收到數(shù)據(jù)傳輸指令，通過LOCAL BUS通知FPGA開始工作：FPGA產(chǎn)生行觸發(fā)信號（EXSYNC），觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行拍照、傳輸數(shù)據(jù)。然后，PCI9054進(jìn)入工作狀態(tài)，開始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到磁盤陣列。FPGA內(nèi)部邏輯和PC應(yīng)用程序通過行計(jì)數(shù)判斷一幀圖像傳輸完畢，相繼進(jìn)入等待狀態(tài)。但是，PC應(yīng)用程序在接收完一幀圖像，進(jìn)入等待狀態(tài)后，延續(xù)一定時間，會自動觸發(fā)下一個數(shù)據(jù)傳輸指令通知FPGA開始下一幀圖像傳輸。

3.1 電平格式轉(zhuǎn)換

PCI9054芯片電平格式為3.3V LVTTL格式，相機(jī)輸出信號的電平格式為LVDS格式，基于系統(tǒng)總體需要，有必要在進(jìn)行圖像預(yù)處理前將LVDS相機(jī)輸出信號轉(zhuǎn)換成LVTTL格式電平。

3.2 數(shù)據(jù)接收預(yù)處理

FPGA完成圖像預(yù)處理功能。FPGA是以并行運(yùn)算為主導(dǎo)的芯片，處理速度更快。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括：數(shù)據(jù)緩沖、位并轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)緩沖[3]：相機(jī)利用4個通道輸出圖像數(shù)據(jù)，每個端口的數(shù)據(jù)傳輸以本端口時鐘為參考，傳輸過程中由于各種差異如傳輸電纜的長度不同，使得各個端口的時鐘信號產(chǎn)生相對的相位漂移，從而使四個端口數(shù)據(jù)輸出不完全同步，這不利于圖像數(shù)據(jù)的同步采集。為消除數(shù)據(jù)異步，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了由4個FIFO組成的數(shù)據(jù)緩沖器組。每個端口的有效數(shù)據(jù)寬度為16bit，傳送一行4096個數(shù)據(jù)需用512個時鐘周期，因此FIFO深度設(shè)為512個字。相機(jī)送來的4個LVAL信號為各對應(yīng)通道寫使能信號， 4個STROBE信號作為對應(yīng)通道寫時鐘。FIFO輸出端采用系統(tǒng)時鐘（15MHz）作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)同步時鐘，并設(shè)計(jì)一個讀請求信號，當(dāng)FIFO半滿時讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過緩存的數(shù)據(jù)以與系統(tǒng)時鐘同步的64bit寬度格式輸出。

位并轉(zhuǎn)換：PCI9054芯片LOCAL端的有效數(shù)據(jù)位數(shù)有兩種選擇：8bit和32bit（可更改9054寄存器設(shè)置，為了保證數(shù)據(jù)采集速度，本系統(tǒng)設(shè)置為32bit）。但是相機(jī)的輸出數(shù)據(jù)通過緩沖之后仍然為64bit，為了滿足PCI9054數(shù)據(jù)采集位數(shù)要求，必須將64bit數(shù)據(jù)進(jìn)行位并轉(zhuǎn)換，變成32bit傳輸。本系

統(tǒng)設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部將數(shù)據(jù)的高32bit和低32bit分別送入二選一BUSMUX的輸入端，系統(tǒng)時鐘的電平選

擇數(shù)據(jù)輸出。64bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成32bit數(shù)據(jù)傳輸，但數(shù)據(jù)率變成原來的兩倍（30M/s）。

3.3 數(shù)據(jù)采集存儲

對于整個系統(tǒng)來說，存儲系統(tǒng)的持續(xù)存儲速度是個至關(guān)重要的參數(shù)。數(shù)據(jù)的采集存儲采用微機(jī)為主體，在其PCI總線上掛載一塊SCSI的接口卡和9054接口卡，9054接口卡用于數(shù)據(jù)采集，SCSI接口卡上掛載兩個SCSI硬盤，組成RAID-0的硬盤陣列，這樣可以大大提高硬盤的持續(xù)存儲速度。利用PCI9054進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)的傳輸路徑為：PCI總線－內(nèi)存－硬盤陣列。現(xiàn)有兩種傳輸方案可供選擇：第一種為單線采集存儲，顯然，這種方案會降低數(shù)據(jù)的的采集速度。本系統(tǒng)選用第二種方案：流水線存儲，如圖2所示。理論上，流水線方式的數(shù)據(jù)采集速度應(yīng)該是單線采集的兩倍。

圖2 流水線存儲時序示意圖

4 部分軟硬件程序設(shè)計(jì)

3.4 PCI9054 Local Bus 硬件驅(qū)動

PCI9054局部總線是外設(shè)（FPGA）和9054之間通信的橋梁。9054圖像數(shù)據(jù)的采集需要使9054局部總線信號滿足一定的時序要求，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，即需要FPGA端硬件驅(qū)動。驅(qū)動是用Verilog HDL代碼編寫的一個狀態(tài)機(jī)，代碼如下[2][4]：

always @ (posedge CLK)

begin

casex (CurrentState)

1'b0: begin

if (!LLADS_)

begin LLREADY = 1; CurrentState = 1; end

else begin LLREADY = 0; end

end

1'b1: begin

if (LLBLAST_) //突發(fā)循環(huán)重復(fù)

begin LLREADY = 1; CurrentState = 1; end

else //最后一個循環(huán)

begin LLREADY = 0; CurrentState = 0; end

end

default:

CurrentState = 0;

Endcase end

assign LLREADY_ = (LLREADY) ? 1'b0 : 1'b1;

4.2 PCI9054驅(qū)動層和應(yīng)用層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所用PCI采集卡非windows標(biāo)準(zhǔn)硬件，驅(qū)動程序需要自行開發(fā)，這里使用WDM編程。為了提高速度采用雙線程操作。由于寫磁盤比較慢，如果等寫完磁盤再讀local bus顯然效率太低，所以啟動雙線程雙buffer讀寫數(shù)據(jù)[5]。

部分程序代碼：

BOOL GetData()

{ ……

//創(chuàng)建等待驅(qū)動中斷線程以及寫文件線程

hEvent_Disk=GreateEvent(NULL,TRUE,TRUE,NULL); hEvent_Mem = CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);

_beginthread(WaitForDataThread,0,NULL); _beginthread(WriteDiskThread,0,NULL);

//啟動DMA傳輸

SetDma(); BlockDmaLocalToPci(dmabuffer, BLOCK_ONE_DMA);

}

void WaitForDataThread(void * pParam)

{}

void WriteDiskThread(void * pParam)

{}

4.3 數(shù)據(jù)傳輸指令生成

PC應(yīng)用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸指令，觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。指令的產(chǎn)生是通過9054在PC端的底層驅(qū)動，設(shè)置9054 LOCAL端USERO管腳電平，使FPGA進(jìn)入工作狀態(tài)，并產(chǎn)生相機(jī)行觸發(fā)信號（EXSYNC），觸發(fā)相機(jī)拍照傳輸數(shù)據(jù)。USERO信號為高電平時，F(xiàn)PGA和9054都處于等待狀態(tài)；USERO下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，使FPGA和9054進(jìn)入工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)傳輸完畢，USERO拉高。時序如圖3。

5 系統(tǒng)測試及工程考慮

本系統(tǒng)測試微機(jī)環(huán)境為：CPU，Pentium(R) 4. 2.40GHz；內(nèi)存，333MHz,512MB/s；北橋芯片，845PE；操作系統(tǒng)，Windows Server 2003；SCSI硬盤空間，120G。

系統(tǒng)測試結(jié)果：圖像單線穩(wěn)定存儲速率為37.2 MB/s ，流水線穩(wěn)定存儲速率為71.2MB/s；持續(xù)記錄時間為25分鐘。

工程考慮：系統(tǒng)速度主要限制于兩個瓶頸，一是硬盤本身，二是PCI總線。本系統(tǒng)雖然采用了高速硬盤，但還有一個操作效率的問題。數(shù)據(jù)從FPGA到PCI9054的傳輸介質(zhì)采用一般硬盤線，此類硬盤線的上限頻率為33M，限制數(shù)據(jù)采集速度；同時由于系統(tǒng)需要通過PCI總線轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，而計(jì)算機(jī)的PCI總線多為32位、33MHz的總線，這個總線的理論數(shù)據(jù)為132MB/s，當(dāng)總線上僅僅有一個設(shè)備時，實(shí)測實(shí)際總線持續(xù)傳輸速率在100MB/s以下，當(dāng)總線上再掛載磁盤適配器時，總線的數(shù)據(jù)傳輸速率會更低。系統(tǒng)穩(wěn)定性主要取決于FPGA內(nèi)部邏輯的容錯性和微機(jī)的穩(wěn)定性。在高速存儲的環(huán)境下，微機(jī)系統(tǒng)容易死機(jī)，因此微機(jī)選擇具有高穩(wěn)定性的Windows Server 2003操作系統(tǒng)作為圖像采集的存儲環(huán)境。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是利用FPGA和PCI9054完成了對高速、高分辨率圖像的采集存儲。