一種數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間圖像和視頻的高速傳輸，設(shè)計(jì)了一種以FPGA作為平臺(tái)的采集卡，該采集卡功能完全由硬件實(shí)現(xiàn)。本文介紹了整個(gè)方案的設(shè)計(jì)原理和邏輯設(shè)計(jì)方法，支持傳輸速率可達(dá)100Mbps-400Mbps。

關(guān)鍵詞：FPGA；1394b；數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712（2012）20-0023-01

一、引言

IEEE1394是1994年由美國(guó)Apple公司提出的高速串行總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。在1995年經(jīng)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）認(rèn)證成為了正式標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1394也就是我們俗稱(chēng)的火線(xiàn)（Fire Wire）發(fā)展至今已經(jīng)有了兩個(gè)版本，分別是IEEE 1394a和IEEE 1394b。該標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)：

1.高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，IEEE 1394b最大可以支持到3200Mbps；

2.可同時(shí)連接不同傳輸速度的設(shè)備，具有很強(qiáng)的靈活性；

3.支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸模式；

4.支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸。

利用IEEE 1394技術(shù)，可以十分方便地把電腦和攝像機(jī)、高速硬盤(pán)、音響等多種多媒體設(shè)備相連接。隨著IEEE 1394技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用的范圍也日漸廣泛，車(chē)載、航空上都利用其高性能、低延遲的特性進(jìn)行圖像、視頻等信息的傳輸和處理。本文就是介紹了一種1394接口數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

二、應(yīng)用背景

某系統(tǒng)中，四個(gè)分機(jī)之間通過(guò)1394總線(xiàn)連接，分機(jī)III和分機(jī)Ⅳ需要實(shí)時(shí)采集分機(jī)I和分機(jī)II發(fā)來(lái)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在分機(jī)III和分機(jī)Ⅳ內(nèi)部，采集卡與載板之間通過(guò)LVDS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，分機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸最小速率為64Mbps，系統(tǒng)要求采集卡除了完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)外，還能夠?qū)崟r(shí)提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，結(jié)合所有的需求提出了以下設(shè)計(jì)方法。

三、原理設(shè)計(jì)

采集卡主要完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)兩部分功能：

1.數(shù)據(jù)采集功能：接收其他分機(jī)通過(guò)1394總線(xiàn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，將1394數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，把有效的數(shù)據(jù)載荷上報(bào)載板，并且能夠?qū)崿F(xiàn)固定幀的應(yīng)答功能；

2.監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)：載板需要實(shí)時(shí)了解各分機(jī)間網(wǎng)站狀態(tài)，因此采集卡必須能夠?qū)⑹占降木W(wǎng)絡(luò)信息上報(bào)載板。

系統(tǒng)要求采集卡必須自行完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。采集卡完全通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)所有功能。這樣的做法不僅可以提高了產(chǎn)品可靠性，減少軟件設(shè)計(jì)所帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)，降低了設(shè)計(jì)成本，最大化的保證產(chǎn)品工作效率。采集卡選用了Xilinx公司出品的XQV300-4BG352N來(lái)實(shí)現(xiàn)所有邏輯功能，1394鏈路層芯片和物理層芯片分別選用TI公司的TSB12LV32TPZEP和TSB41BA3BTPFPEP。

TSB12LV32TPZEP除了提供處理器接口外，同時(shí)還提供了Data Mover接口（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM接口）。DM接口有很多優(yōu)點(diǎn)：

1.發(fā)送與接收大塊數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)400Mbps；

2.允許外部接大容量FIFO；

3.能夠處理異步、等時(shí)、異步流包；

4.共有八種工作模式可以選擇，由控制寄存器中的三位信號(hào)組合而成，配置十分簡(jiǎn)便；

5.當(dāng)不使用時(shí)，DM接口表現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

DM接口支持三種類(lèi)型的包：異步包、等時(shí)包、異步流包（1394a-2000支持的格式），并且能夠與外部存儲(chǔ)器連接來(lái)支持大量數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)此接口配置成接收時(shí)，所有的數(shù)據(jù)都在DMCLK的上升沿進(jìn)行同步接收。利用DM接口的這個(gè)特性，我們選擇FPGA作為平臺(tái)，通過(guò)可編程邏輯完成對(duì)DM接口的控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。

四、邏輯設(shè)計(jì)

（一）初始化單元。初始化單元包括兩部分內(nèi)容，該單元是采集卡正常工作的基礎(chǔ)，分別完成上電BIT和網(wǎng)絡(luò)配置初始化工作。

上電BIT會(huì)進(jìn)行兩部分的操作。首先是對(duì)鏈路層芯片進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，判讀鏈路層芯片的ID號(hào)是否正確，然后會(huì)對(duì)鏈路層芯片的某個(gè)固定可讀寫(xiě)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，以讀寫(xiě)結(jié)果是否一致來(lái)表明鏈路層接口是否工作正常。在完成鏈路層芯片的測(cè)試后，會(huì)對(duì)物理層芯片進(jìn)行相同的訪(fǎng)問(wèn)操作，以保證在上電時(shí)基本硬件能夠正常訪(fǎng)問(wèn)，上電BIT的結(jié)果會(huì)通過(guò)狀態(tài)控制單元發(fā)送給載板。

上電BIT正常通過(guò)后，采集卡將會(huì)開(kāi)始對(duì)本板硬件資源進(jìn)行1394b網(wǎng)絡(luò)配置初始化。在初始化完成后，采集卡將會(huì)獲取1394b總線(xiàn)工作狀態(tài)，這通過(guò)讀取物理層芯片某個(gè)寄存器的相應(yīng)位來(lái)判斷。當(dāng)確定鏈路建立后，通過(guò)檢查和配置Node ID寄存器，強(qiáng)制設(shè)置采集卡為子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)完成上述工作后，采集卡會(huì)將獲取到的總線(xiàn)狀態(tài)通過(guò)狀態(tài)控制單元發(fā)送給載板。在本設(shè)計(jì)中，由于載板不對(duì)采集卡進(jìn)行配置操作，因此所有的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在采集卡上。這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了載板與采集卡之間的控制關(guān)系，比較適用于網(wǎng)絡(luò)配置信息相對(duì)確定的系統(tǒng)中。

（二）數(shù)據(jù)接收單元。在上文已經(jīng)提到1394鏈路層芯片提供了DM接口，該接口位寬16bit，允許外部接大容量的FIFO，而載板數(shù)據(jù)接口是8bit，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接，在FPGA內(nèi)部為每一路1394接口設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元。該數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)部包含一個(gè)FIFO，F(xiàn)IFO的接收端為16bit，而輸出端為8bit，采用Xilinx公司提供的軟IP核實(shí)現(xiàn)。當(dāng)接收到1394b總線(xiàn)上發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，會(huì)以中斷的方式通知數(shù)據(jù)接收單元從DM接口開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)。在對(duì)接收到的數(shù)據(jù)完成校驗(yàn)無(wú)誤后，將該數(shù)據(jù)幀的1394幀頭和幀尾剔除，保留有效數(shù)據(jù)載荷寫(xiě)入FIFO。采集卡與載板之間接口十分簡(jiǎn)單，每路接口由8根數(shù)據(jù)線(xiàn)和1根寫(xiě)使能信號(hào)組成，當(dāng)寫(xiě)使能信號(hào)為低時(shí)表明數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息有效。

（三）狀態(tài)控制單元。采集卡與載板之間有4根狀態(tài)位信號(hào)，分別是STATE_OE#、STATE0、STATE1和STATE2，STATE_OE#表示狀態(tài)有效位，其余三根信號(hào)表示各種狀態(tài)。采集卡共提供六種狀態(tài)標(biāo)識(shí)，通過(guò)這樣的方式可以使主機(jī)實(shí)時(shí)獲得采集卡的工作狀態(tài)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)正確性有所判斷。

（四）數(shù)據(jù)發(fā)送單元。數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要實(shí)現(xiàn)1394b總線(xiàn)上固定幀應(yīng)答功能。分機(jī)之間通過(guò)1394b總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要了解掌握采集卡的工作狀態(tài)。當(dāng)采集卡接收到固定幀時(shí)，會(huì)向發(fā)送方返回一個(gè)應(yīng)答包，以表示數(shù)據(jù)已接收。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了1394接口100Mbps-400Mbps速率下的高速數(shù)據(jù)采集，通過(guò)FPGA+LLC這樣的設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品具有較高的可靠性和可維護(hù)性，整個(gè)設(shè)計(jì)完全由硬件實(shí)現(xiàn)，。在系統(tǒng)綜合時(shí)，出色的完成了圖像和視頻的采集工作，滿(mǎn)足了系統(tǒng)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大樸.IEEE 1394協(xié)議及接口設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

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