基于PEX8311 PCIE总线的高速图像采集系统设计

摘要：针对传统PCI总线带宽低，不能传输高速视频信号的缺陷，设计了使用芯片PEX8311为PCIExpress桥接芯片，采集传输CamLink接口相机图像的硬件系统。对PEX8311芯片的特点及其工作模式，以及用状态机在FPGA中实现对PEX8311控制做了介绍。通过编写WDM驱动程序和上位机程序对系统的数据传输性能进行了测试。测试表明该系统满足高速图像传输的要求，并且性能稳定。
关键词：PCIExpress；FPGA；CameraLink；WDM；PEX8311

图像采集和处理技术在机器视觉和图像分析等诸多领域应用十分广泛。随着高速的PCI Express(PCIE)总线的出现，基于PCIE接口的高速数据采集卡将在数据传输和处理量很大的场合发挥越来越重要的作用。
CamLink相机是指带有Camera Link接口的相机。Camera Link是由数家工业摄影机及影像卡大厂共同制定出来满足各种视频传输要求的标准接口。这个标准不仅可以满足各种高速视频传输的要求，规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，而且使视频设备提供商在设备开发和维护上的时间和成本大大减少。Camera Link提供了超高的图像传送速度，并且由于它的高性能、低成本以及其连接的便利性，迅速得到大多摄像头及图像采集卡生产商的支持。
在一些高端领域，尤其是机器视觉领域，对计算机的数据传输和处理能力提出了严重的考验，当前图像采集卡的发展逐步向高速稳定传输和高速处理方向发展。PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接方式，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。PCI-Express规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同需求。例如，PCIExpress X1规格支持双向数据传输，每向数据传输带宽250 MB／s，而33位33 MHz的PCI总线传输带宽仅为133 MB／s。PCI Express X16模式每向数据传输带宽可高达4 GB／s，双向数据传输带宽有8 GB／s之多。所以对于高帧频的CamLink接口相机来说，传统的总线(例如PCI总线接口)已经不能满足实时图像传输的要求。
本系统使用PLX公司的PEX8311作为PCI Express X1接口芯片，系统中采用FPGA芯片实现对整个系统的控制，利用FPGA内部提供的FIFO IP核和外接的两片独立的SDRAM实现了高速图像数据的缓存处理。

1 系统构成及原理
基于PEX8311的CamLink图像采集系统的硬件结构分为4个模块：CamLink接口模块、FPGA控制模块、SDRAM存储模块、PCI-Express接口模块。图1为系统的原理框图：

系统的工作原理：系统上电后，上位机软件通过驱动程序控制FPGA对CamLink相机进行内部参数配置。配置完成后，CamLink相机输出帧频信号、行频信号、像索时钟信号和视频信号。由于CamLink接口输出的是差分信号，所以通过DS90CR288A芯片将差分转换成单端信号，输入给FPGA。在FPGA内部，通过FIFO对数据进行缓冲，在同步和时钟信号的控制下，FIFO输出的数据存放到SDRAM中。由于在同一时刻只能对SDRAM进行读或写操作，所以为了防止数据丢失，FPGA外接两片SDRAM，在奇帧的时候，向SDRAM1写一帧图像，而从SDRAM2读已保存的偶帧图像，完成图像传输的乒乓操作。使用PEX8311芯片完成PCIE接口，PEX8311由FPGA的逻辑程序对其控制。在上位机编写基于PCIE总线的驱动程序，将图像从SDRAM使用DMA方式读到计算机的内存中，上位机软件实现图像的显示和处理。

2 PCI-Express接口模块
PCI-Express的接口实现方法很多，在本设计中使用PLX公司的PEX8311芯片通过桥接方式实现。PEX8311作为一种桥接芯片，在PCI Expr-ess总线和Local总线之间传递信息，它可以作为2个总线的主控设备去控制总线，也可以作为两个总线的目标设备去响应总线。芯片通过内部的控制逻辑模块、内部总线状态机和局部总线状态机模块来共同控制芯片的数据传输。PEX8311的控制逻辑模块包含各种寄存器组，这些寄存器组用来控制数据的传输，记录传输的状态。
PEX8311提供两个串行E2PROM接口，在系统上电后读取配置信息。SPI串行E2PROM是PCI—Express的配置E2PROM。它主要用来控制PCI—Express的性能。