基于PCI ExPress总线传输的视频采集系统方案

的配置

在FPGA内设计I2C总线控制器，配置为和视频解码器I2C接口时钟一致的接口总线。通过FPGA上电配置，达到对FPGA内的FIFO初始化，初始化数据为视频采集电路的配置数据，配置数据见表1。

表1 配置数据

3．2 FPGA

3．2．1 FPGA器件选型

FPGA型号的选择主要基于以下方面考虑：具有PCIExpress总线；通道不低于x8；具有嵌入式微处理器；合适的I／O管脚数和资源，支持所需的电平标准；具有较低的功耗；合适的性价比。

因此，选择Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VFX3-0T，封装为FF665 PCI Express总线；具有PowerPC440嵌入微处理器。配置芯片选用容量为1 GB的CF卡。

3．2．2 FPGA的性能和资源

1)时钟资源32条全局时钟总线，对整个器件上的所有资源进行时钟控制，且可以驱动逻辑信号；

2)时钟管理技术 时钟去歪斜、频率合成、相移和动态重配置等功能；

3)锁相环作为广谱频率的频率合成器，并且与CMT的DCM配合作为外部或内部时钟的抖动滤波器；

4)BLOCK RAM 2 448 Kb，可配置为RAM、双口RAM和FIFO等，且其内容能够初始化；

5)可配置逻辑块 实现组合逻辑和时序逻辑的主要资源；

6)SelectIO资源 可支持种类繁多的标准接口。包括输出强度和斜率的可编程控制以及实现数控阻抗的片上终端；

7)SelectIO逻辑资源 包括组合输入／输出、三态输出控制、寄存输入／输出、寄存三态输出控制、DDR输入／输出和DDR输出三态控制；

8)高级SelectIO逻辑资源 输入串并转换和输出并串转换；

9)DSP逻辑片 64个550 MHz DSP48E slice，每个DP48E包括1个28x18的乘法器、1个加法器和1个累加器。利用XILINX ISE的FPGA Edit也可观察FPGA的内部结构。

3．3 数据缓存

由于PCI Express的总线波特率为2．5 Gbps，远大于1路采集后的数字视频信号。当视频数据经并行总线传入FPGA内，通过配置为异步输入输出的FIFO进行数据缓存，提高总线使用效率。如果PCI Express总线为×1通道，PAL制式视频转换为常用的8位4：2：0的YUV格式数字视频，按照PCIExpress总线传输有效数据1．62 Gb／s计算，理论上可以传输36路。

3．4 FCI Express接口实现

利用具有PCI Express的FPGA来设计，选用Xilinx公司的Virtex-5 LXT系列的FPGA，利用其内的PCI Express IP核进行设计，完成功能如下：用户接口的本地链路成帧接口；64位数据总线宽度与3位提醒总线；包化接口，带用于标记包的帧起始(SOF)和帧结束(EOF)；传输和接收方向用户接口的包中断特性；帧错误检测支持；多通道配置支持：×1、×2、×4和×8；这里通道配置为×1；每通道1．62 Gb／s或更高的吞吐量；利用集成端点模块中的自动协商功能，可以在某些通道不能工作时使设计使用较低的带宽；物理层中使用的8B／10B解码和解码。此方案虽开发难度大、周期长，但具有外电路围简单，硬件成本低，设计灵活、集成度高且易升级等特点。其接口电路如图3所示。

图3 PCI Express接口电路

3．5 时钟

本设计需要4个时钟信号，其中视频解码信号的时钟要求最高，时钟精度必须在±50 ppm以内，其次为PCI Express总线工作的时钟频率。在FPGA内对时钟信号进行了DCM和PLL处理，完成了对时钟信号的去歪斜、相移和频率合成等功能。

3．6 Flash和DDRSDRAM

为使设计具有灵活性、扩展性和升级性，预留了Flash和SDRAM来存储程序和运行程序，满足智能性和易于以太网远程控制等要求。

3．7 以太网接口电路

通过FPGA+PHY+变压器组成以太网接口电路，可以用此接口加载程序，也可用此接口和互联网连接。利用XILINX公司的FPGA开发软件ISE，通过FPGA内IP核按照TriMode Ethemet MAC进行。

3．8 DMA传输

本设计采用DMA方式进行数据内部传输。数字视频信号经并行总线传入FPGA内，通过FIFO进行数据缓存，经DMA方式，通过PCI Express传给计算机。

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存储卡保存数据，通过System ACE控制器把数据配置到FPGA中。System ACE CF使用容量为1 GB的CompaetFlash卡，System ACE CF是预制的配置方案，不需编写任何程序，只需简单的调试即可。此方案把旧的、用于调试的版本和新版本都装入到同一块CF卡中，缩短了研发周期，便于维修排故，同时把应用软件、产品附带的说明书等保存到此CF卡中，系统升级可更换CF卡、在系统编程和通过Intemet进行远程升级。

3．10 电源的设计

板上需要电源有+3．3、+2．5、+1．8和+1．2 V共5种。其中+3．3 V电源为外部输入，约20 W；+1．8 V提供给F