基于PCI ExPress总线传输的视频采集系统方案

摘要：提出了基于PCI Express总线传输的视频采集系统设计方案。采用ADV7188进行视频解码，能够采集多种格式模拟视频信号，而且提高视频信号的质量；采用Virtex-5系列的FPGA使系统设计灵活、集成度高且易升级。该系统采用PCI Express与PC进行通信，能够实现多路视频采集和海量数据传输，比高速USB总线的480 Mb/s的数据传输量提高了5倍。

视频采集系统在工业领域应用广泛，随着多媒体技术的快速发展，对视频采集、处理和传输性能的要求也不断提高，如高采集速度、低功耗、抗干扰性、实时性及扩展性等。这里提出了以Virtex-5为核心，由ADV7188为视频解码器，PCIExpress为传输总线组成的集视频采集、压缩、传输于一体的多功能视频处理系统。该系统能够实现实时海量传输多路数字视频。Virtex-6支持的PCI Express的×1通道的传输率已达3．2Gb／s。

由于该系统设计体积小、功耗低且满足工况要求，可应用于公共场合、工厂和井下作业等需多点远距离监控环境较恶劣场所。

1 PCI Express总线简介

PCI Express是一种主流的串行标准，它是2002年问世的第三代I／O互联技术，为从PCI到PCIX提供了一条升级路径。PCI Express是PC产业的标准互联技术，具有可升级能力，可扩展的功能集，很强的市场适应能力和低成本等特性。其高速串行标准能以每条通道2．5 Gb／s的线速进行双向通信，分层数据包的架构有助于模块化设计。通过更简单的升级就能实现带宽增强(高达80 GB)——1、2、4、8、16和32条通道。PCI Express的先进功能，比如可靠性、电源管理和热插拔，借助虚拟通道、业务等级和服务质量(QoS)等特性支持下一代三维／多媒体业务。

2 系统硬件设计

该系统设计采用视频解码器+FPGA，其功能是接收PAL等制式模拟视频信号，转换为满足ITU-R BU．656格式的数字信号，将多路视频打包，经PCI Express总线传输到计算机。

这里采用ADV7188来采集PAL制式的视频信号，Videx-5的I2C总线控制器通过I2C总线来对其进行配置和控制。选用Virtex-5系列中的XC5-VFX30T，此器件具有强大的处理能力和丰富的外部设备接口，能满足各种不同应用环境的控制与图像输出需要。Virtex-5器件具有视频处理IP核，可以按照使用要求配置，同时具有PCI Express、PPC440等IP核，PPC440在667MHz的时钟主频下，数字处理能力可达到1600DMI／s，内部具有256 KB的SRAM。Virtex-5具有2条I2C接口，多达8条(32 bit)具有主控器的外设总线接口，支持外部、内部和内存间的DMA方式，2条10／100／100 Mb／s半或全双工以太网接口，图1为该系统设计硬件原理框图。

图1 系统设计硬件原理框图

3 主要组成部分的原理实现

3．1 视频采集处理电路

3．1．1 视频解码器选型

在选择视频解码器时，主要考虑功能、性能、尺寸、性价比及低功耗等方面，故选择了ADV7188型视频解码器件。该器件具有以下特性：

可以自动检测到NTSC-M／J／4．43,PAL-M／N／B／G／H／I／D和SECAM制式信号的输入；单一时钟28．636 36 MHz；4路模拟视频12位AD采集；5线自适应梳状滤波；降低数字噪声；集成有自适应白电平峰值的自动增益控制器；具有锁定较弱的、噪声和不稳定视频源的设计；12路模拟输入通道；输入视频信号幅度，为0．5～1．5 V；在没有输入视频信号情况下可以自行产生行场同步信号；亮度带宽边缘增强是可编程的；色调、对比度、亮度、饱和度可编程；YCbCr以20／16／10／8位4：2：2形式输出；支持工业标准的I2C接口；电源为+3．3 V，1．8 V；下电模式；采用80引脚，无铅的LQFP封装；工作温度为-40～+85℃。

3．1．2 视频采集电路工作原理

视频采集电路是以为ADV7188为核心，采集多路的PAL、NTSC或SECAM制式模拟视频信号，具有增强较弱的模拟视频信号，可进行降噪处理和提高数字视频信号质量的功能。AD7188的详细电路可参见ADV7188的器件手册。由于ADV7188对电源要求较高，该系统设计对电源进行隔离、去耦、低频滤波等处理。为了广泛应用，这里采用频率为28．636 36 MHz的石英晶体谐振器，频差为±20 ppm。图2为视频平装的晶振电路。

图2 视频平装的晶振电路

根据PCB布线，Cstray通常为2～3pF，ADV7188器件管脚到电源地的电容值Cpg为4 pF，石英晶体谐振器的负载电容Cload为15 pF。由C1= C2=2(Cload-Cstray)-Cpg可计算出C1和C2的电容值为24 pF，按照E12系列的优选值，选取电容值为22pF。

设计中利用ADV7188的下电模式，当此片没有模拟视频输入或不需工作时，将其下电，其功耗将由工作时的0．6 W降到1 mW左右，能极大地减少系统待机功耗。

3．1．3 视频采集电路