基于FPGA的CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

1引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的進步與發(fā)展，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾市院蜁r實性提出了很高的要求，IEEE1394協(xié)議的出現(xiàn)，很好地解決了該問題。IEEE1394又名FIReWire，是一種高速串行總線，已經(jīng)發(fā)展了IEEE1394b提供最高達3.2 Gb/s的速率，并將傳輸距離擴展到100 m。由此可以斷定1394必然成為未來的“標準”串行總線。

IEEE1394支持2類事務：等時傳輸和異步傳輸。

異步傳輸(asynchrONous transactions)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，但是不保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r實性，主要用來傳輸控制信息和一些對數(shù)據(jù)的正確性要求很高的數(shù)據(jù)。一個異步傳輸由4部分組成：請求數(shù)據(jù)包、請求確認數(shù)據(jù)包、響應數(shù)據(jù)包和響應確認數(shù)據(jù)包。確認數(shù)據(jù)包是和請求數(shù)據(jù)包、響應數(shù)據(jù)包同步的，當請求數(shù)據(jù)包和響應數(shù)據(jù)包發(fā)送之后立即就是確認數(shù)據(jù)包。

異步傳輸不占據(jù)固定的帶寬，但能保證節(jié)點獲得時間上的公平訪問，每一個執(zhí)行異步傳輸?shù)墓?jié)點都能在單一的間隔內(nèi)準確地訪問總線。

等時傳輸(isochronous transactions)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r實性要求很高，而對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性要求相對較低。等時傳輸通過一個與等時傳輸關聯(lián)的信道號碼確定設備，其以固定的時間間隔(125μs)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以必須分配固定的總線帶寬，有著高于異步傳輸?shù)膬?yōu)先級，等時傳輸可用的最大帶寬是整個帶寬的80%。

根據(jù)協(xié)議的結(jié)構(gòu)可以將1394協(xié)議分成事務層、鏈路層、物理層、總線管理層。鏈路層和物理層目前已經(jīng)由硬件芯片實現(xiàn)。本設計主要針對芯片的應用，因此對協(xié)議本身不做太多介紹和研究。

2采集系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)硬件的特點，設計了基于T1芯片組和FPGA的CCD相機采集系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

FPGA選用Altera公司的Cyclone系列器件EP1C6T144C8，可以為CCD相機提供工作所需的驅(qū)動時序，同時接收經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的CCD輸出圖像數(shù)據(jù)。

這里主要介紹1394接口的數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)PGA內(nèi)部的CCD驅(qū)動邏輯暫時不介紹。本設計用于大量的數(shù)據(jù)的傳輸，因此使用TSB12LV32的DM端口來輸入和輸出數(shù)據(jù)。FPGA與TSB12LV32的DM端口的邏輯電路如圖2所示。

FPGA內(nèi)部采用異步FIFO解決CCD輸出數(shù)據(jù)頻率和TSB12LV32采集頻率不匹配的問題，寫時鐘由CCD輸出位同步信號提供，寫請求信號由FIFO的滿狀態(tài)共同控制;讀時鐘由TSB12LV32的DMCLK提供，讀請求信號由DMRW。當TSB12LV32開始傳輸數(shù)據(jù)時，在FIFO的滿狀態(tài)和TSB12LV32的DMDONE引腳控制下，由CCD輸出位同步信號將數(shù)據(jù)寫入FIFO;在DMWR的控制下，由DMCLK將FIFO中的數(shù)據(jù)由DM0～DM7引腳讀入TSB12LV32，連接如圖2所示。

2.1 MCU軟件設計

軟件的設計分為2部分：一個是在PC機上開發(fā)設備板的驅(qū)動程序;另一個是使用設備板上面使用MCU控制和配置PDI1394L40的軟件流程。單片的主要負責初始化各個CRF，設置TSB12LV32的工作模式，配置ROM發(fā)送ROM，分析包頭，構(gòu)造包頭和數(shù)據(jù)包。配置ROM是設計的重點也是難點，將設備插入PC的1394端口，通過配置ROM，使得PC機識得設備。配置ROM的流程如圖3所示。

2.2異步操作

異步發(fā)送“自動插入header的異步包發(fā)送”為例，介紹如何進行異步發(fā)送操作，其流程圖如圖4所示。

2.3等時操作

等時接收的工作流程圖圖5所示。

3驅(qū)動開發(fā)

采用Numega公司的DriverWorks工具開發(fā)驅(qū)動，該軟件對DDK中的函數(shù)進行很好的封裝。使用DriverWizard可以直接生成驅(qū)動程序源代碼的框架，只需對其做修改即可。

由于Windows已經(jīng)提供了總線驅(qū)動程序和端口驅(qū)動程序，因此只需要開發(fā)功能驅(qū)動程序即可。DriverWorks將DDK下的1394請求包(IRB)封裝成KIrb類，并將總線驅(qū)動程序的功能封裝在K1394LowerDevice類中，對于等時傳輸和異步傳輸也有相應的類對其相應的DDK進行封裝。

1394WDM驅(qū)動程序使用IRB(請求包)和總線進行通信，IRB被發(fā)送到總線驅(qū)動，總線驅(qū)動將IRB在總線上執(zhí)行。DriverWorks使用KIrb類迅速創(chuàng)建一個IRB，同時使用K1394LowerDevice：：SubmitIrb函數(shù)將IRB發(fā)送到總線驅(qū)動。

4結(jié)語

經(jīng)測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)IEEE1394a的傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了異步和同步傳輸。IEEE已經(jīng)推出1394b標準，1394b的最高速度可以達到3.2 Gb/s，有效傳輸距離延長到100 m，而且有些公司已經(jīng)開始推出1394b控制芯片。該系統(tǒng)不但實現(xiàn)了設備端與PC主機之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，同時還為1394b傳輸系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供了有效的鋪墊。