文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)07-0051-03
近年來，隨著電子信息、多媒體技術的快速發展，在圖像處理和視頻傳輸等領域中傳輸的數據量越來越大，這對數據傳輸的速度和質量提出了很高的要求[1]。然而，一些傳統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，已經無法滿足高速數據傳輸的應用要求，因此迫切需要一種速率快、可靠性高、功耗低的數據傳輸方式。低壓差分信號技術LVDS（Low Voltage Differential Signaling）使用極低的擺幅通過雙絞電纜傳輸數據，是一種最高傳輸速率可達1.923 Gb/s的通用接口技術，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，大大提高了數據傳輸的距離、速率和可靠性[2]。此外在計算機測量領域，PCI總線憑借其出色性能以及良好的兼容性，在工業控制、數據采集、信息通信、航空航天等領域得到廣泛的應用[3]，為圖像數據高速傳輸提供了有力的保障。
結合LVDS接口與PCI總線能夠滿足高速傳輸的特性，本文主要從系統總體設計、硬件設計和邏輯設計等方面介紹一種基于LVDS和PCI接口的高速圖像傳輸系統。
1 系統總體設計
本文設計的高速圖像傳輸系統主要實現對數字圖像信息的編碼、傳輸以及顯示功能，突出傳輸系統的高效與可靠。系統采用模塊化設計思路，各個模塊之間既相互獨立又相互配合，主要由電源轉換模塊、圖像編碼模塊、LVDS收發模塊、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，根據圖像格式進行相應的二進制編碼； FPGA邏輯控制模塊實現系統對硬件高集成度的要求。系統總體框圖如圖1所示。
該系統的圖像信息輸入主要包括單幅圖片以及視頻流數據，圖像編碼模塊首先根據內部協議規范的幀格式對圖像信息進行二進制編碼，之后將數據幀依次發送到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，將接收到的數據交替讀/寫進行緩沖，然后通過LVDS發送模塊發送出去；在接收端，LVDS接收模塊對接收的數據進行串/并轉換，FPGA邏輯控制模塊將數據寫入Flash存儲芯片進行備份，同時將數據通過PCI接口傳輸給上位機進行處理及顯示。在此過程中，系統指令的下發均由上位機完成。
2 硬件設計
2.1 LVDS收發單元
LVDS收發單元由LVDS發送模塊和LVDS接收模塊兩部分組成。設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作為數字圖像數據高速傳輸的LVDS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、數據傳輸、休眠、高阻5種工作狀態[4]。該芯片組在正常工作之前必須經過時鐘同步操作。當系統上電后，芯片組首先將輸出管腳置為高阻態并啟動鎖相環，再由串化器發送SYNC(“000000111111”)同步信息，若解串器LOCK管腳置“0”，則說明時鐘已同步，可以進行數據傳輸。在數據傳輸過程中，串化器將接收到的10 bit電平數據進行并/串轉換，然后將內嵌有時鐘信息的串行數據發送到差分端口經由屏蔽雙絞線輸出；在接收端，解串器在REFCLK時鐘下將接收到的串行數進行串/并轉換并存入鎖存器中，根據重建的同步時鐘信號RCLK將10 bit并行數據輸出，從而完成整個傳輸過程。設計中采用內嵌時鐘恢復技術進行數據處理，有效地解決了由于時鐘與數據同步不嚴格而引起的制約其性能的一系列問題。
由于高頻信號在PCB導線和電纜上的損耗會使邊沿變化速率降低，引入碼間串擾，但這會導致傳輸信號衰減。所以為了保證數據的傳輸質量，設計中配合使用LVDS芯片和電纜延展器芯片。采用CLC001驅動器和CLC014均衡器實現高速傳輸的信號調理作用，降低了信號損耗，補償了信號衰減，從而保證數據傳輸的穩定性和可靠性。
2.2 PCI接口單元
本設計采用PCI接口單元實現底層電路與上位機之間的數據傳輸。上位機通過PCI接口單元實現指令下發和數據上傳，并完成數據處理和顯示功能。PCI(Peripheral Component Interconnect)總線規范是一種高性能32/64 bit地址數據復用的高速外圍設備接口標準[5]。該總線具有眾多優點，當采用33 MHz時鐘，32 bit數據總線最大傳輸速率可達132 MB/s，當擴展到64 bit數據總線后，其數據吞吐量可達264 MB/s的峰值。如果換用66 MHz時鐘，數據傳輸速率理論峰值高達528 MB/s[6]。考慮到PCI協議復雜性較高，如果直接使用FPGA對其進行設計難度較大，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，分別實現與PCI總線、本地總線和配置芯片的物理連接。本設計采用32 bit數據寬度，數據與地址不復用，故配置PCI9054工作在C模式下。測試指令的下發采用直接從模式，應用程序首先利用API將指令數據復制到主機內核空間，然后CPU通過驅動程序獲得PCI總線的控制權，實現對本地總線和配置寄存器的訪問；而數據上傳過程由于數據量大、速率快，所以采用DMA方式，DMA方式無需CPU的參與即可實現本地總線與PCI總線的數據交換，能夠完成高速傳輸的任務。數據上傳操作同樣由應用程序發起，首先申請用戶空間用于存儲上傳的數據，并通過API將其地址映射到內核空間地址，然后配置PCI內部的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備，將本地總線中的數據傳輸至內核空間，此時應用程序通過訪問用戶空間處理上傳的數據。指令下發和數據上傳過程分別如圖4、圖5所示。
3 系統邏輯設計
3.1 FPGA邏輯程序
設計中，FPGA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。系統發送端的FPGA邏輯控制模塊主要完成高速數據的接收緩存以及LVDS接口的時序控制。為了提高傳輸速度，避免數據流不連續，系統采用“乒乓操作”，交替對兩片SRAM進行讀/寫。當FPGA接收到數據時，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，并將讀出的數據轉發到LVDS發送模塊。系統在對一片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/寫有效地節省了等待時間，從而提高了數據的傳輸速度，實現數據的無縫緩沖與處理。“乒乓操作”控制時序流程如圖6所示。
3.2 固件配置
PCI9054內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]。本設計采用從方式和DMA兩種數據傳輸方式，配置LAS0BA(0)=1、LAS0RR(0)=0、LBRD0(1:0)=11，將地址空間0作為指令下發的本地空間并設置數據寬度為32 bit；對DMA寄存器的配置包括：DMAMODE0(1:0)=11表示數據寬度為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 測試結果
為了驗證本系統圖像數據處理與高速傳輸的可靠性，對其整體進行了功能測試。圖像信息源采用大小為720×480的黑灰規律變化的圖像，將二進制數據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生錯誤。
圖7是接收到的一幀數據還原出的圖像，圖像清晰明了，沒有明顯的異常現象。圖8是測試系統功能時計算機記錄的一段數據，虛框內的“42 4D”為幀頭，“36 D2 0F 00”為一幀圖像的數據大小，“D0 02 00 00”和“E0 01 00 00”分別表示圖像的寬度與高度，隨后是圖像數據區域(“00”代表黑色，“C8”代表灰色)。經過軟件對比分析，接收到的數據準確無誤碼，所以該系統可以實現設計功能并具有較高的穩定性。
本文充分利用了LVDS技術的傳輸特點與應用優勢，結合“乒乓”讀寫操作和PCI總線傳輸技術設計了一種基于LVDS和PCI接口的高速圖像傳輸系統，并通過實驗驗證了該系統的可靠性和準確性。該系統可以應用到工業數據采集、測試等領域，具有較高的可靠性。
參考文獻
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[2] 彭鄉琳.LVDS在長距離信號傳輸中的應用[J].兵工自動化，2006，25(7)：60-61.
[3] 鄧鳳軍，張龍，王益忠.基于PCI總線的HDLC通信卡的設計與實現[J].電子技術應用，2012，38(8)：30-36.
[4] Texas Instruments.SN65LV1023A/SN65LV1224A 10-MHz to 66-MHz，10:1 LVDS serializer/deserializer[Z].2003.
[5] 安冬冬，劉文怡，郅銀周.基于PCI9054從模式的數據采集卡設計與應用[J].計算機測量與控制，2010，18(10)：2439-2440.
[6] 葉勇，沈三民，郭錚，等.基于PCI總線的高速串口通信卡的設計[J].電視技術，2013，37(3)：82-85.
[7] PLX Technology.PCI 9054 data book version 2.1[Z].2000.