圖像采集和處理技術在機器視覺和圖像分析等諸多領域應用十分廣泛。隨著高速的PCI Express（PCIE）總線的出現，基于PCIE接口的高速數據采集卡將在數據傳輸和處理量很大的場合發揮越來越重要的作用。

CamLink相機是指帶有Camera Link接口的相機。Camera Link是由數家工業攝影機及影像卡大廠共同制定出來滿足各種視頻傳輸要求的標準接口。這個標準不僅可以滿足各種高速視頻傳輸的要求，規范了數字攝像機和圖像采集卡之間的接口，而且使視頻設備提供商在設備開發和維護上的時間和成本大大減少。Camera Link提供了超高的圖像傳送速度，并且由于它的高性能、低成本以及其連接的便利性，迅速得到大多攝像頭及圖像采集卡生產商的支持。

在一些高端領域，尤其是機器視覺領域，對計算機的數據傳輸和處理能力提出了嚴重的考驗，當前圖像采集卡的發展逐步向高速穩定傳輸和高速處理方向發展。PCI Express采用了目前業內流行的點對點串行連接方式，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。PCI-Express規格從1條通道連接到32條通道連接，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統設備對數據傳輸帶寬不同需求。例如，PCIExpress X1規格支持雙向數據傳輸，每向數據傳輸帶寬250 MB／s，而33位33 MHz的PCI總線傳輸帶寬僅為133 MB／s。PCI Express X16模式每向數據傳輸帶寬可高達4 GB／s，雙向數據傳輸帶寬有8 GB／s之多。所以對于高幀頻的CamLink接口相機來說，傳統的總線（例如PCI總線接口）已經不能滿足實時圖像傳輸的要求。

本系統使用PLX公司的PEX8311作為PCI Express X1接口芯片，系統中采用FPGA芯片實現對整個系統的控制，利用FPGA內部提供的FIFO IP核和外接的兩片獨立的SDRAM實現了高速圖像數據的緩存處理。

1 、系統構成及原理

基于PEX8311的CamLink圖像采集系統的硬件結構分為4個模塊：CamLink接口模塊、FPGA控制模塊、SDRAM存儲模塊、PCI-Express接口模塊。圖1為系統的原理框圖：

系統的工作原理：系統上電后，上位機軟件通過驅動程序控制FPGA對CamLink相機進行內部參數配置。配置完成后，CamLink相機輸出幀頻信號、行頻信號、像索時鐘信號和視頻信號。由于CamLink接口輸出的是差分信號，所以通過DS90CR288A芯片將差分轉換成單端信號，輸入給FPGA。在FPGA內部，通過FIFO對數據進行緩沖，在同步和時鐘信號的控制下，FIFO輸出的數據存放到SDRAM中。由于在同一時刻只能對SDRAM進行讀或寫操作，所以為了防止數據丟失，FPGA外接兩片SDRAM，在奇幀的時候，向SDRAM1寫一幀圖像，而從SDRAM2讀已保存的偶幀圖像，完成圖像傳輸的乒乓操作。使用PEX8311芯片完成PCIE接口，PEX8311由FPGA的邏輯程序對其控制。在上位機編寫基于PCIE總線的驅動程序，將圖像從SDRAM使用DMA方式讀到計算機的內存中，上位機軟件實現圖像的顯示和處理。

2、 PCI-Express接口模塊

PCI-Express的接口實現方法很多，在本設計中使用PLX公司的PEX8311芯片通過橋接方式實現。PEX8311作為一種橋接芯片，在PCI Expr-ess總線和Local總線之間傳遞信息，它可以作為2個總線的主控設備去控制總線，也可以作為兩個總線的目標設備去響應總線。芯片通過內部的控制邏輯模塊、內部總線狀態機和局部總線狀態機模塊來共同控制芯片的數據傳輸。PEX8311的控制邏輯模塊包含各種寄存器組，這些寄存器組用來控制數據的傳輸，記錄傳輸的狀態。

PEX8311提供兩個串行E2PROM接口，在系統上電后讀取配置信息。SPI串行E2PROM是PCI—Express的配置E2PROM。它主要用來控制PCI—Express的性能。

PEX8311提供完備的PCI—Express從設備支持，PCI-Express接口部分的信號線可以直接與PCI—Express連接器（俗稱金手指）連接。其中，REFCLK±是一組差分時鐘，它由系統主板提供。2個參考時鐘都要求保持在正常工作頻率100MHz的±300ppm之內。PRSNT1／PRSNT2信號線用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設計中將PRSNT1和PRSNT2相連，這樣當接口板插入到PCI—Express連接器時就能進行存在檢測。PCI-Express接口部分原理圖，如圖2所示。

3 、系統軟件設計

3．1 FPGA邏輯程序

使用Verilog編寫FPGA邏輯控制程序，共有5個底層模塊和1個頂層模塊。每個模塊負責不同的功能。頂層模塊為PCIE_CAMLINK模塊，它通過調用其他模塊的功能來實現整個系統的功能；CAMLINK模塊用來控制Camera Link接口的讀寫；DoubleSdcon模塊用來控制SDRAM芯片的使能和讀寫，實現圖像的乒乓操作；FIFO模塊用來緩沖數據和匹配各芯片的工作速度；C_16450模塊進行串行到并行的轉換，完成對CamLink相機的控制；PEX8311-LOCAL模塊用來控制PCI—Express接口部分的讀寫，也就是對PEX8311芯片進行控制，對PEX8311的控制是實現PCI—Exp-ress總線的關鍵。

設計中是通過編寫狀態機（FSM，Finite State Machine）來對PEX8311的讀寫進行控制的。圖3為PEX8311的單周期讀寫的Verilog HDL語言時序控制狀態機設計。狀態0為空閑狀態，如本地總線請求信號LHOLD被置為1，則轉到狀態1，否則停留在狀態0。狀態1為總線保持狀態，在此狀態下應將本地總線響應信號LHOLDA置為1。如ADS信號為0且LW／R為1轉到狀態2；如ADS信號為0且LW／R和BLAST都為1轉到狀態3，為單周期讀狀態。狀態2為單周期寫狀態，在此狀態下要置READY信號0，以表示寫數據有效，在BLAST為0時轉到狀態3。狀態3為讀寫完成操作狀態，當LHOLD被置為0時，表明PEX8311不再請求本地總線，轉到狀態0，當BLAST為0且LHOLD為1時，表明PEX8311還要進行讀寫數據，則轉到狀態1繼續。

3．2 驅動程序

PCI—E總線與PCI總線在軟件層是完全兼容的，因此PCI—E總線驅動程序的開發過程與PCI設備驅動程序的開發過程是一樣的。本設計使用VC++6．0和開發工具包Driver Studio（DS）進行驅動程序的開發。DS可以集成到Visual C++環境中，針對特定的應用生成相應的驅動程序框架，在編程中采用面向對象的編程方法，極大地提高了編程效率。

驅動程序主要完成的功能：1）設備的初始化，找到所要控制的硬件，在驅動程序對象中設置驅動程序分發例程的程序入口點，建立所有驅動程序對象或其他系統資源；2）創建設備對象，利用AddDevice函數創建了一個設備對象，并將其連接到以PD0為底的設備堆棧中；3）中斷的響應與處理，完成對外部硬件中斷的響應并將中斷信息傳遞給應用程序；4）DMA操作，完成DMA的讀寫操作并在DMA傳輸結束后產生DMA中斷，通過響應的DMA中斷，將傳輸的數據發送到外部總線或應用程序。

4 、實驗結果

通過編寫上位機程序對系統的傳輸性能進行測試，測試的基本原理是上位機生成一批數據然后從計算機的PCI-Express接口寫到PEX8311再寫到FIFO，最后寫到SDBAM中，然后上位機再從SDRAM中讀回剛才寫入的數據，比較讀和寫入的數據是否一致就能判斷系統的讀寫是否正確，并且測試數據的傳輸速率。經過一段時間的測試，系統最大傳輸速度達到180 MB／s，滿足了本系統高速數據的傳輸要求。

5 、結論

本文設計了基于PCI Express總線的CamLink接口的高速圖像采集系統，在完成系統的硬件設計后，編寫了FPGA的邏輯控制程序，并開發了驅動程序和上位機應用程序。系統采用PCI Express總線實現硬件電路與計算機之間的高速數據傳輸。接口芯片采用PLX公司推出的第一款PCI Express橋接芯片PEX8311。實驗結果表明，設計的硬件系統滿足高速圖像傳輸的要求，并且性能穩定。

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