基于PCl-Express高速圖像采集卡對擴展源大氣傾斜量的實時補償*

楊靖文，陳善球，熊耀恒，饒長輝

(1.中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011;2.中國科學院光電技術研究所自適應光學研究室，四川 成都 610209;3.中國科學院自適應光學重點實驗室，四川 成都 610209;4.中國科學院研究生院，北京 100049)

在月球激光測距［1］的相關跟蹤自適應光學系統中，為能有效消除大氣湍流帶來的擾動，要求自適應系統的響應時間必須小于大氣湍流的特征時間尺度，即在2～5 ms內完成波前探測和補償［2］對于各個環節的延時都要盡量降到最低。其中，實時圖象采集部分，需要使用高速高靈敏的CMOS相機，同時，對圖象采集卡也提出了很高的要求。

現在的圖像采集卡大多數是借助PCI總線的線性突發傳輸的特點，采用面向計算機存儲器的圖像采集方式，即模擬圖像通過A/D轉換器后，先存于PCI總線產品自身的緩沖器中(一般只需幾K的容量)［3］，當緩沖器滿后直接把圖像數據傳輸給計算機的物理存儲器。因此電路設計較為簡化、成本低。工作頻率為33 MHz，總線帶寬為32位的計算機，最大傳輸率為132 MB/s。但是在實時性要求較高，圖像傳輸數據量巨大的大氣傾斜量校正中仍然有較大延遲。

PCI-Express總線的提出將數據傳輸的速率提升到一個新的臺階。作為第3代高性能IO總線，在傳輸速率方面，PCI-Express總線利用串行的連接特點能輕松將數據傳輸速度提到一個很高的頻率，達到遠超出PCI總線的傳輸速率，引腳數大大減少;并且點到點的互連，每個設備都由獨立的鏈路連接，獨享帶寬［4］。這些變革在提高了數據傳輸速率的同時，大大減少了電路設計的成本。采用這種總線的高速圖象采集卡，能夠緩解數據吞吐速率不匹配的矛盾，還能夠簡化電路的設計。根據PCIExpress 1.0規范，PCI-Express采用8位元，2.5 GB/s的工作頻率，每個通道支持雙向數據傳輸，每向數據傳輸帶寬250 MB/s，現采用PCI-Express X4規格，單向數據傳輸帶寬為1GB/s。

本文提出一種采用定制PCI-Express的高速圖像采集卡，并且在實時操作系統RTAI(Real-Time Application Interface)設計了實時驅動程序，在通用CPU上，實現硬實時圖像采集。

1 系統設計

RTAI實時操作系統［5］是對 Linux 內核的硬實時擴展，它可以提供工業級的RTOS(Real-Time Operating System)功能，而且其所有的功能都可無縫地通過GNU/Linux環境訪問。采用Linux+RTAI雙內核操作系統，在其中設計PCI-E圖像采集卡的實時驅動程序，得以最大限度地降低圖像傳輸的延時。

1.1 系統硬件設計

整個相關跟蹤系統，結構如圖1，PCI-E高速圖像采集卡和D/A輸出卡通過PCI-E總線、PCI總線和工控機(Industrial PC，IPC)連接構成了波前處理機的硬件平臺。其中圖像采集卡負責從外部CMOS相機高速實時地采集圖像數據，通過PCI-E總線，由RTAI實時驅動程序中的中斷響應Block DMA Mode處理之后，傳遞到處理機的共享內存，D/A輸出卡負責將實時任務得到的控制電壓輸出給外部數模轉換器件(DAC)和高壓放大器。工控機采用雙核CPU并行計算，運行實時任務。

圖1 相關跟蹤系統結構Fig.1 Block diagram of the correlation tracking system

1.2 系統軟件設計

在此之上建立相應的軟件層，主要分為兩個軟件層，如圖2，RTAI內核層和Linux用戶層，它們之間通過RT-FIFO進行高速數據傳輸。其中，內核層中，RTAI實時操作系統在Linux內核與硬件中斷之間增加一組實時硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abst raction Layer)，接管了所有的硬件資源。并且RTAI的任務調度系統會為實時任務分配較高的優先級，而Linux操作系統的優先級最低，它所占有的時間片轉輪，隨時可以被實時任務搶占。Linux用戶層，主要是監控和管理的功能，由圖形用戶接口GUI(Graphical User Interface)和顯示線程組成。

圖2 相關跟蹤系統軟件結構Fig.2 Software architecture of the correlation tracking system

2 圖像采集卡硬件電路設計

本設計中采用的PCI-Express高速圖像采集卡的板卡是交由成都華興愛達科技產品經營部，按照本文設計硬件電路定制出來，并且設計了測試管腳和調試管腳，由本文按照大氣波前傾斜量實時補償的特點，特別設計開發VHDL軟件程序，最大限度地提高系統帶寬，降低延時。

本設計中選取ALTERA公司的型號為EP2C35的FPGA芯片作為數字信號處理的核心芯片［6］。直接連接外圍的各種接口器件，硬件結構如圖3。基于高速的要求，選擇CAMERALINK接口和SDRAM存儲芯片，做到無像素點遺漏、不間斷的數據存儲。選擇PCI-ExpressX4的總線結構，理論速度能達到1 GB/s。

圖3 高速PCI-E圖像采集卡硬件電路結構Fig.3 Illustration of the circuit structure of the high-speed PCI-Express image acquisition card

Camera Link接口解碼芯片將CMOS相機發出的差分信號轉換后，經FPGA，送往雙口SDRAM存儲。SDRAM存滿一幀圖像后，將數據傳遞給主機。為了保證CMOS數據的高速實時采集，采用中斷驅動的Block DMA Mode，PCI-E同時控制總線兩側的數據傳遞，而數據傳輸的執行則由PCI-E的設備驅動程序通過設置內部寄存器來控制。

2.1 主要芯片的選取

PCI-E高速圖像采集卡核心模塊FPGA選擇的是ALTERA公司cycloneⅡ系列中的EP2C35芯片。由于FPGA內部結構的特點，采集圖像信號處理十分有利。適合實時圖像信號處理中通常都需要大量數據傳輸。

采用CAMERA LINK接口，選用的是K4S643232H芯片，Camera Link是采用了一種新型的數字差分傳輸方法，圖像信號傳輸采用的是數字差分信號，簡化了模數轉化、視頻信號編碼解碼等工作流程，有較高的傳輸速度和圖像像素精度，圖像傳輸前后端連接簡單、靈活。

隨機存儲器方面，使用FPGA芯片中的SRAM(靜態隨機存儲器)，由于本系統是同步系統，在數據傳輸完一幀后，發中斷給計算機，計算機開始接收數據傳輸，因為計算機先傳輸，而且速度大于相機端數據傳輸速度，所以，傳輸速度足夠，并且處理的圖像大小為64×64，存儲器大小足夠。

2.2 FPGA邏輯設計

PCI-E高速圖像采集卡的主要結構是FPGA，它的主要功能是實現PCI端的協議，實現主機PCI-E接口到存儲器PCI接口的轉換，邏輯結構如圖4。FPGA主要分為4大模塊，其中包括負責數據采集功能的Videoint模塊、負責PCI配置功能的Pcislave模塊、負責實現DMA傳輸功能的Busmaster模塊、負責存儲圖像功能的IPM_RAM模塊。

圖4 高速PCI-E圖像采集卡邏輯結構Fig.4 Logic structure of the high-speed PCI-Express image acquisition card

FPGA中，存儲器端的接口為并行接口，需要經過PCI—PCI-E橋接芯片將存儲器端(Local端)轉換成為串行信號接口，此處選擇的是P17C9X130橋接芯片(PCI EXPRESS TO PCI-XBRIDGE)，它支持雙向橋接，而本系統中實現的是“前進模式”，芯片橋可以完成X4PCI-E上行端口至64位PCI下行端口的配置，用于接收FPGA中SRAM并行接口的數據，因此，PCI—PCI-E橋接芯片支持FPGA工作在64位，66 MHz的PCI協議。也就是FPGA中的存儲模塊IPM_RAM從數據采集模塊Videoint模塊中，按照PCI協議，遵守PCI 3.0規范將64位地址數據多路復用的并行信號，轉換為PCI-E的串行信號，才能夠由PCI-Express接口將圖像數據傳輸給計算機，這樣就實現了主機通過PCI-E接口控制存儲器端接口，實現高速傳輸。

其中，PCI下行端口的頻率約為66 MHz，因此，PCI下行端口的理論速度為528 MB/s。雖然PCI-E上行端口的理論速度為1 GB/s，但受到橋接轉換成PCI端口的限制，PCI-E圖像采集卡理論傳輸速度為528 MB/s。

3 RTAI實時驅動程序設計

Linux內核將所有外部設備看成是一類特殊文件，稱之為“設備文件”，這種“設備文件”也就是設備驅動程序，它是Linux內核與外部設備之間的接口，使得內核可以向應用程序提供一個統一的接口，不用考慮底層的技術。也就是設備驅動程序向應用程序屏蔽了硬件在實現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備。

PCI設備的實時驅動需要實現設備初始化、實時中斷處理和設備卸載3部分，程序流程如圖5。實時計算線程作為實時內核態程序可以直接調用PCI實時驅動，同時，它和主應用程序通過實時FIFO進行通信，從而間接地實現了實時驅動程序和主應用程序的通信，這樣也間接地實現了Linux用戶態的主應用程序對PCI-E外設的控制。

圖5 高速PCI-E圖像采集卡實時驅動程序結構圖Fig.5 Structure diagram of the RTAI real-time driver of the high-speed PCI-Express image acquisition card

在運行實時驅動程序時，采用模塊加載方式，掛接程序模塊，模塊加載成功后，module_init()函數會初始化PCI-E，并調用pcie_register_driver()注冊PCI-E驅動程序，

注冊時需要提前給出兩個結構體，第1個描述了被支持的PCI-E設備的ID號及其掩碼。

另1個介紹了驅動程序的名稱name，檢測設備的函數probe()，以及用于識別設備的id_table結構。

在probe()探測函數中，首先調用函數pci_enable_device(pdev)，激活PCI-E圖像采集卡，完成驅動程序的注冊，再調用RTAI的API函數rt_request_global_irq(pdev－＞irq，pcie_interrupt)，申請實時中斷，同時注冊中斷服務例程(Interrupt Service Routine，ISR)，保證了PCI-E圖像采集卡中的Local中斷和DMA中斷信號能被系統快速響應，因為實時中斷的優先級最高，被接收后，計算機將立刻響應。圖像采集卡一幀圖像存儲完畢后，發出DMA中斷，由中斷處理程序_interrupt()進行響應，進入DMA數據傳輸，并存儲在計算機共享內存中。當一幀數據傳輸完畢，計算機發出local linux中斷，喚醒實時計算程序中的函數startcal()，進行傾斜量的計算。

由于探測對象是低對比度擴展源目標，月球激光測距中大氣傾斜量實時補償的理論算法采用絕對差分算法，由此造成的大計算量，又結合高實時性的要求。選擇使用雙核CPU的工控機，在實時計算程序中，同步過程主要為CPU 0發送rt_receive()函數，由CPU 1的函數rt_send()接收信號后，雙線程并行運算。

4 實驗結果

實驗中采用主頻為2.66 GHz，雙核cpu的工控機。選用相機為Intervac公司的背照明式近紅外相機，該相機在采集圖像大小為64×64時，幀頻最大可達到3000 Hz。

在對比實驗中，相機選取1000 Hz幀頻，首先選用PCI圖像采集卡的Local端總線為32 bit，工作頻率為33 MHz/s，根據計算的需要，只傳輸64×64大小圖像，在實時I/O驅動程序中，加入rt_get_cpu_time_ns()函數，通過使用cpu時鐘，來測量各操作完成所需要的時間。得到圖像數據DMA傳輸所需時間為260 μs。相對比，換使用PCI-E 4通道高速圖像采集卡，它的工作頻率為2.5 GHz/s，其他實驗條件不變，得到圖像數據DMA傳輸所需時間為26 μs。說明采用該PCI-E高速圖像采集卡，相關跟蹤系統數據傳輸所產生的延時，縮短了一個數量級，較好地節省了時間，提高系統效率。

圖6a 10 ms長曝光開環圖像Fig.6a Image of 10 ms open-loop exposure affected by atmospheric tilt

圖6b 10 ms長曝光閉環圖像Fig.6b Image of 10 ms closed-loop exposure with effects of atmospheric tilt corrected

同時，實驗中通過加載干擾信號的方式，對模擬目標光源進行擴展、干擾，由本文中設計的PCI-E高速圖像采集卡，實時采集到圖像數據，傳輸給計算機，并進行實時計算，得到傾斜量誤差，輸出校正電壓給高壓放大信號，最終的完成實時閉環。實驗結果，圖6a中，相機采集幀頻為1000 Hz，加載了4 Hz正弦干擾信號，采集10 ms的長曝光像，由于動態干擾，導致圖像模糊不清。閉環后的實時校正圖像圖6b中，圖像明顯清晰很多，分辨率得到大幅提高。

經測量，基于該PCI-E高速圖像采集卡的相關跟蹤系統各項系統延時如下:圖像數據的最大傳輸時間28 μs，實時計算最大延遲時間320 μs，PCI D/A輸出卡只需傳輸相對偏移量校正電壓，所以延時基本忽略不計，共計348 μs。因此，整套系統的響應時間大幅度小于大氣湍流波前誤差變化的時間尺度(2～5 ms)。

5 總結

根據上述實驗結論，PCI-E高速圖像采集卡實現了通過Camera link接口對相機的圖像采集，并實時地傳輸到計算機中。進一步縮短了大氣湍流傾斜量探測的相關跟蹤系統的延遲。同時，多次反復實驗中，該PCI-E高速圖像采集卡，高速、實時、準確地采集圖像數據，傳輸圖像數據，RTAI實時操作系統下的實時驅動程序為其提供了與計算機之間良好的通信，以及數據傳輸通道，它的硬實時特性是大幅度減少圖像數據采集延時的關鍵。

本系統中傳輸的圖像大小為64×64，每個像素值是10位，由上述實驗測得DMA傳輸時間為26 μs，可得PCI-E圖像采集卡實際傳輸速度為188 MB/s。而 PCI-E 4通道的理論傳輸速度為528 MB/s。經分析，造成速度減小的原因有兩點:其一，DMA傳輸過程信息時，需PCI-E圖像采集卡發出一系列相互識別的握手信號，從設備(主機內存端)需要準備好并響應，完成硬件握手，再進入到數據傳輸階段，這樣造成了傳輸的延遲;其二，傳輸過程先進行地址部分的數據傳輸，再進行圖像數據部分的傳輸，也導致實際數據傳輸速度不能達到理想速度。

將來，為使月球激光測距精確性得到進一步提高，采集和傳輸更大幅面圖像時，可以選用通道數量更多的PCI-Express接口，例如:PCI-E×8接口，PCI-E×16接口。并選用PCI-Express 2.0規范或者隨著PCI-Express 3.0規范的出現而不斷升級擴展。其中PCI-Express 2.0規范在1.0版本基礎上更進了一步，將接口速率提升到了5 GHz，傳輸性能也翻了一番。新一代芯片組產品均可支持PCI Express 2.0總線技術，X1模式的擴展口帶寬總和可達到1 GB/s，X16圖形接口更可以達到16 GB/s的驚人帶寬值。可以進一步縮短圖像數據采集和傳輸的系統延時。

［1］熊耀恒.月球激光測距的新技術方法研究［D］.昆明:中國科學院云南天文臺，2001.

［2］郭銳，熊耀恒.自適應光學技術應用于激光測月中大氣波前傾斜量的探測與計算［J］.天文學報，2004，45(4):413－421.Guo Rui，Xiong Yaoheng.The Detection and Computation of Atmospheric Tip-Tilt in Lunar Laser Ranging when Adaptive Optics Technology is used［J］.Acta Astronomica Sinica，2004，45(4):413 － 421.

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