基于PCI Express實時視頻采集系統的設計

賈建峰

（中航工業總公司洛陽電光設備研究所，河南洛陽471009）

視頻采集系統在工業領域應用廣泛，隨著多媒體技術的快速發展，對視頻采集、處理和傳輸性能的要求也不斷提高，如高采集速度、低功耗、抗干擾性、實時性及擴展性等。這里提出了以Virtex-5為核心，由ADV7188為視頻解碼器，PCI Express為傳輸總線組成的集視頻采集、壓縮、傳輸于一體的多功能視頻處理系統。該系統能夠實現實時海量傳輸多路數字視頻。Virtex-6支持的PCI Express的×1通道的傳輸率已達3.2 Gb/s。

由于該系統設計體積小、功耗低且滿足工況要求，可應用于公共場合、工廠和井下作業等需多點遠距離監控環境較惡劣場所。

1 PCI Express總線簡介

PCI Express是一種主流的串行標準，它是2002年問世的第三代I/O互聯技術，為從PCI到PCIX提供了一條升級路徑。PCI Express是PC產業的標準互聯技術，具有可升級能力，可擴展的功能集，很強的市場適應能力和低成本等特性。其高速串行標準能以每條通道2.5 Gb/s的線速進行雙向通信，分層數據包的架構有助于模塊化設計。通過更簡單的升級就能實現帶寬增強（高達80 GB）——1、2、4、8、16和32條通道。PCI Express的先進功能，比如可靠性、電源管理和熱插拔，借助虛擬通道、業務等級和服務質量（QoS）等特性支持下一代三維/多媒體業務。

2 系統硬件設計

該系統設計采用視頻解碼器+FPGA，其功能是接收PAL等制式模擬視頻信號，轉換為滿足ITU-R BU.656格式的數字信號，將多路視頻打包，經PCI Express總線傳輸到計算機。

這里采用ADV7188來采集PAL制式的視頻信號，Virlex-5的I2C總線控制器通過I2C總線來對其進行配置和控制。選用Virtex-5系列中的XC5VFX30T，此器件具有強大的處理能力和豐富的外部設備接口,能滿足各種不同應用環境的控制與圖像輸出需要。Virtex-5器件具有視頻處理IP核，可以按照使用要求配置，同時具有PCI Express、PPC440等IP核，PPC440在667 MHz的時鐘主頻下，數字處理能力可達到1 600 DMI/s，內部具有256 KB的SRAM。Virtex-5具有2條I2C接口，多達8條（32 bit）具有主控器的外設總線接口，支持外部、內部和內存間的DMA方式，2條10/100/100 Mb/s半或全雙工以太網接口，圖1為該系統設計硬件原理框圖。

圖1 系統硬件原理框圖Fig.1 Functional block diagram of system hardware

3 主要組成部分的原理實現

3.1 視頻采集處理電路

3.1.1 視 頻解碼器選型

在選擇視頻解碼器時，主要考慮功能、性能、尺寸、性價比及低功耗等方面，故選擇了ADV7188型視頻解碼器件。該器件具有以下特性：

可以自動檢測到NTSC-M/J/4.43,PAL-M/N/B/G/H/I/D和SECAM制式信號的輸入；單一時鐘28.636 36 MHz；4路模擬視頻12位AD采集；5線自適應梳狀濾波；

降低數字噪聲；集成有自適應白電平峰值的自動增益控制器；具有鎖定較弱的、噪聲和不穩定視頻源的設計；12路模擬輸入通道；輸入視頻信號幅度，為0.5～1.5 V；在沒有輸入視頻信號情況下可以自行產生行場同步信號；亮度帶寬邊緣增強是可編程的；色調、對比度、亮度、飽和度可編程；YCbCr以20/16/10/8位4:2:2形式輸出；支持工業標準的I2C接口；電源為+3.3 V，1.8 V；下電模式；采用80引腳,無鉛的LQFP封裝；工作溫度為-40～+85℃。

3.1.2 視 頻采集電路工作原理

視頻采集電路是以為ADV7188為核心，采集多路的PAL、NTSC或SECAM制式模擬視頻信號，具有增強較弱的模擬視頻信號，可進行降噪處理和提高數字視頻信號質量的功能。AD7188的詳細電路可參見ADV7188的器件手冊[1]。由于ADV7188對電源要求較高，該系統設計對電源進行隔離、去耦、低頻濾波等處理。為了廣泛應用，這里采用頻率為28.636 36 MHz的石英晶體諧振器，頻差為±20 ppm。圖2為視頻平裝的晶振電路。

圖2 視頻采集的晶振電路Fig 2Crystal circuit of video gathering system

根據PCB布線，Cstray通常為2～3 pF，ADV7188器件管腳到電源地的電容值Cpg為4 pF，石英晶體諧振器的負載電容Cload為15 pF。由C1=C2=2（Cload-Cstray）-Cpg可計算出C1和C2的電容值為24 pF，按照E12系列的優選值，選取電容值為22 pF。

設計中利用ADV7188的下電模式，當此片沒有模擬視頻輸入或不需工作時，將其下電，其功耗將由工作時的0.6 W降到1 mW左右，能極大地減少系統待機功耗。

3.1.3 視 頻采集電路的配置

在FPGA內設計I2C總線控制器[2]，配置為和視頻解碼器I2C接口時鐘一致的接口總線。通過FPGA上電配置,達到對FPGA內的FIFO初始化，初始化數據為視頻采集電路的配置數據，配置數據見表1。

3.2 FPGA

表1 視頻采集電路配置數據Tab.1 Configure data of video gathering circuit

3.2.1 F PGA器件選型

FPGA型號的選擇主要基于以下方面考慮：具有PCI Express總線；通道不低于×8；具有嵌入式微處理器；合適的I/O管腳數和資源，支持所需的電平標準；具有較低的功耗；合適的性價比。

因此，選擇Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VFX3-0T,封裝為FF665 PCI Express總線；具有PowerPC440嵌入微處理器。配置芯片選用容量為1 GB的CF卡。

3.2.2 F PGA的性能和資源

1）時鐘資源32條全局時鐘總線，對整個器件上的所有資源進行時鐘控制，且可以驅動邏輯信號；

2）時鐘管理技術時鐘去歪斜、頻率合成、相移和動態重配置等功能；

3）鎖相環作為廣譜頻率的頻率合成器，并且與CMT的DCM配合作為外部或內部時鐘的抖動濾波器；

4）BLOCK RAM2 448 Kb，可配置為RAM、雙口RAM和FIFO等，且其內容能夠初始化；

5）可配置邏輯塊實現組合邏輯和時序邏輯的主要資源；

6）SelectIO資源可支持種類繁多的標準接口。包括輸出強度和斜率的可編程控制以及實現數控阻抗的片上終端；

7）SelectIO邏輯資源包括組合輸入/輸出、三態輸出控制、寄存輸入/輸出、寄存三態輸出控制、DDR輸入/輸出和DDR輸出三態控制；

8）高級SelectIO邏輯資源輸入串并轉換和輸出并串轉換；

9）DSP邏輯片64個550 MHz DSP48E slice，每個DP48E包括1個28×18的乘法器、1個加法器和1個累加器。利用Xilinx ISE的FPGA Edit也可觀察FPGA的內部結構。

3.3 數據緩存

由于PCI Express的總線波特率為2.5 Gbps，遠大于1路采集后的數字視頻信號。當視頻數據經并行總線傳入FPGA內，通過配置為異步輸入輸出的FIFO進行數據緩存，提高總線使用效率。如果PCI Express總線為×1通道，PAL制式視頻轉換為常用的8位4:2:0的YUV格式數字視頻，按照PCI Express總線傳輸有效數據1.62 Gb/s計算,理論上可以傳輸36路。

3.4 PCI Express接口實現

利用具有PCI Express的FPGA來設計，選用Xilinx公司的Virtex-5 LXT系列的FPGA，利用其內的PCI Express IP核進行設計，完成功能如下：用戶接口的本地鏈路成幀接口；64位數據總線寬度與3位提醒總線；包化接口，帶用于標記包的幀起始（SOF）和幀結束（EOF）；傳輸和接收方向用戶接口的包中斷特性；幀錯誤檢測支持；多通道配置支持：×1、×2、×4和×8；這里通道配置為×1；每通道1.62 Gb/s或更高的吞吐量；利用集成端點模塊中的自動協商功能，可以在某些通道不能工作時使設計使用較低的帶寬；物理層中使用的8B/10B解碼和解碼。此方案雖開發難度大、周期長，但具有外電路圍簡單，硬件成本低，設計靈活、集成度高且易升級等特點。其接口電路如圖3所示。

圖3 PCI Express接口電路Fig.3 Schematic diagram of PCI Express interface circuit

3.5 時鐘

本設計需要4個時鐘信號，其中視頻解碼信號的時鐘要求最高，時鐘精度必須在±50 ppm以內，其次為PCI Express總線工作的時鐘頻率。在FPGA內對時鐘信號進行了DCM和PLL處理，完成了對時鐘信號的去歪斜、相移和頻率合成等功能。

3.6 Flash和DDR SDRAM

為使設計具有靈活性、擴展性和升級性，預留了Flash和SDRAM來存儲程序和運行程序，滿足智能性和易于以太網遠程控制等要求。

3.7 以太網接口電路

通過FPGA+PHY+變壓器組成以太網接口電路，可以用此接口加載程序，也可用此接口和互聯網連接。利用XILINX公司的FPGA開發軟件ISE，通過FPGA內IP核按照Tri Mode Ethernet MAC進行。

3.8 DMA傳輸

本設計采用DMA 方式進行數據內部傳輸。數字視頻信號經并行總線傳入FPGA內，通過FIFO進行數據緩存，經DMA方式，通過PCI Express傳給計算機。

3.9 FPGA配置方案

Virtex-5的配置方案采用System ACE（System Advandced Configuration Eviroment）中的System ACE CF（CompactFlash）。System ACE使用CF存儲卡保存數據，通過System ACE控制器把數據配置到FPGA中。System ACE CF使用容量為1 GB的CompactFlash卡，System ACECF是預制的配置方案，不需編寫任何程序，只需簡單的調試即可。此方案把舊的、用于調試的版本和新版本都裝入到同一塊CF卡中，縮短了研發周期，便于維修排故，同時把應用軟件、產品附帶的說明書等保存到此CF卡中，系統升級可更換CF卡、在系統編程和通過Internet進行遠程升級。

3.10 電源的設計

板上需要電源有+3.3、+2.5、+1.8和+1.2 V共5種。其中+3.3 V電源為外部輸入，約20 W；+1.8 V提供給FPGA和ADV7188的二次電源，其他為提供給FPGA的二次電源。+3.3 V電源為電源層，提供給FPGA的+2.5 V、+1.8 V和+1.2 V為電源層分割。提供給ADV7188的+1.8 V電源電流按照0.5 A設計，實際典型值為100 mA。去耦電容和對應的元器件同層放置，減少過孔的影響。

3.11 PCB設計

PCB布線遵循信號完整性的設計要求。PCB共10層，首先設計電源層和地層，其中電源層2層，地平面4層，對稱分布。除以太網變壓器外其他所有工作電源的地為一個地，保證地平面的完整性。

由于PCI Express總線為2.5 Gb/s，對Virtex-5引腳分配時，使PCI Express的引腳在其內的布線盡可能的短。在PCB的布局時使Virtex-5靠近PCI Express總線接口的電連接器，差分線對的實際長度不大于30 mm。PCB布線時要嚴格控制差分線對的長度差，為了避免信號往返的延遲不超過其上升時間，導致過沖和振鈴發生，PCB布線根據PCI Express信號的特性，定義差分對長度差不超過1 mm，實際布線結果不超過0.2 mm。PCB上的差分阻抗為（100±10）Ω，符合PCI Express規范單端阻抗為（50±10）Ω的要求。

3.12 操作系統

本設計中的FPGA具有PPC440核，采用實時多任務操作系統（Vxworks）,根據實際使用要求，從Vxworks系統內核（wind）的任務管理、通信機制、系統配置、系統接口幾個方面進行設計，保證系統的安全性和可靠性。本設計已具備成熟的Vxworks操作系統。

3.13 FPGA的調試

FPGA的開發包括過程管理與設計輸入、仿真、綜合、約束、實現、布局布線與配置調試，其中FPGA的調試占用設計周期的80%左右。ISE附帶的高級組件，包括在線調試（ChipScope Pro）、平面布局規劃器（PlanAhead）、時序分析器（Timing Analyzer）、布局規劃器（FloorAhead）、底層編輯器（FPGA Editor）、和功耗分析器（Xpower），以及第三方軟件ModelSim，有效地使用相應工具，加速了設計進程，避免重新設計，有效提高設計生產力，并顯著提高設計性能，降低功耗后將降低系統的整體成本。

4 采集、傳輸和驗證

視頻信號發生器產生的一種模擬視頻信號如圖4所示。通過模擬視頻信號的采集、總線傳輸過程，計算機顯示器顯示的數字視頻如圖5所示，和監視器顯示的模擬視頻圖像相同，肉眼無法區分其差別，滿足使用要求。采集模擬視頻的多種標準檢測畫面，顯示正常無畸變，證實本設計的視頻采集和數據傳輸達到了期望的結果。

5 結束語

圖4 模擬視頻畫面Fig.4 Picture of analog video

圖5 數字視頻畫面Fig.5 Picture of digital video

隨著多媒體在工業和商業等方面的廣泛使用，對視頻信號的采集、數據傳輸速度、集成度和可靠性等方面提出了更高的要求。本文設計的基于PCI Express的視頻采集系統，適用于采集較弱或受干擾的視頻信號，集成度高，適合海量視頻數據傳輸，解決了傳輸的瓶頸問題。

[1]Analog Devices,Inc.ADV7188 data sheet[EB/OL].（2007-01-05）[2010-03-30].http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADV7188.pdf.

[2]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD設計指南[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]Johnson H,Graham M.高速數字設計[M].沈立，朱來文，陳宏偉，等，譯.北京電子工業出版社.2004.

[4]Xilinx Integrated Products.Virtex-5 FPGA user guide[EB/OL].（2007-05-17）[2010-09-11].http://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug190.pdf.

[5]Xilinx Integrated Products.Virtex-5 LogiCORE endpoint block for PCI Express designs[EB/OL].（2008-03-24）[2010-04-03].http://www.xilinx.com/support/documentation/ip_docu-mentation/ug350.pdf.

[6]李玉山.數字視覺視頻技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.