圖像采集和處理技術在機器視覺和圖像分析等諸多領域應用十分廣泛。隨著高速的 PCI Express（PCIE）總線的出現，基于 PCIE 接口的高速數據采集卡將在數據傳輸和處理量很大的場合發揮越來越重要的作用。

CamLink 相機是指帶有 Camera Link 接口的相機。Camera Link 是由數家工業攝影機及影像卡大廠共同制定出來滿足各種視頻傳輸要求的標準接口。這個標準不僅可以滿足各種高速視頻傳輸的要求，規范了數字攝像機和圖像采集卡之間的接口，而且使視頻設備提供商在設備開發和維護上的時間和成本大大減少。Camera Link 提供了超高的圖像傳送速度，并且由于它的高性能、低成本以及其連接的便利性，迅速得到大多攝像頭及圖像采集卡生產商的支持。

在一些高端領域，尤其是機器視覺領域，對計算機的數據傳輸和處理能力提出了嚴重的考驗，當前圖像采集卡的發展逐步向高速穩定傳輸和高速處理方向發展。PCI Express 采用了目前業內流行的點對點串行連接方式，比起 PCI 以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到 PCI 所不能提供的高帶寬。PCI-Express 規格從 1 條通道連接到 32 條通道連接，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統設備對數據傳輸帶寬不同需求。例如，PCIExpress X1 規格支持雙向數據傳輸，每向數據傳輸帶寬 250 MB／s，而 33 位 33 MHz 的 PCI 總線傳輸帶寬僅為 133 MB／s。PCI Express X16 模式每向數據傳輸帶寬可高達 4 GB／s，雙向數據傳輸帶寬有 8 GB／s 之多。所以對于高幀頻的 CamLink 接口相機來說，傳統的總線（例如 PCI 總線接口）已經不能滿足實時圖像傳輸的要求。

本系統使用 PLX 公司的 PEX8311 作為 PCI Express X1 接口芯片，系統中采用 FPGA 芯片實現對整個系統的控制，利用 FPGA 內部提供的 FIFO IP 核和外接的兩片獨立的 SDRAM 實現了高速圖像數據的緩存處理。

1 、系統構成及原理

基于 PEX8311 的 CamLink 圖像采集系統的硬件結構分為 4 個模塊：CamLink 接口模塊、FPGA 控制模塊、SDRAM 存儲模塊、PCI-Express 接口模塊。圖 1 為系統的原理框圖：

系統的工作原理：系統上電后，上位機軟件通過驅動程序控制 FPGA 對 CamLink 相機進行內部參數配置。配置完成后，CamLink 相機輸出幀頻信號、行頻信號、像索時鐘信號和視頻信號。由于 CamLink 接口輸出的是差分信號，所以通過 DS90CR288A 芯片將差分轉換成單端信號，輸入給 FPGA。在 FPGA 內部，通過 FIFO 對數據進行緩沖，在同步和時鐘信號的控制下，FIFO 輸出的數據存放到 SDRAM 中。由于在同一時刻只能對 SDRAM 進行讀或寫操作，所以為了防止數據丟失，FPGA 外接兩片 SDRAM，在奇幀的時候，向 SDRAM1 寫一幀圖像，而從 SDRAM2 讀已保存的偶幀圖像，完成圖像傳輸的乒乓操作。使用 PEX8311 芯片完成 PCIE 接口，PEX8311 由 FPGA 的邏輯程序對其控制。在上位機編寫基于 PCIE 總線的驅動程序，將圖像從 SDRAM 使用 DMA 方式讀到計算機的內存中，上位機軟件實現圖像的顯示和處理。

2、 PCI-Express 接口模塊

PCI-Express 的接口實現方法很多，在本設計中使用 PLX 公司的 PEX8311 芯片通過橋接方式實現。PEX8311 作為一種橋接芯片，在 PCI Expr-ess 總線和 Local 總線之間傳遞信息，它可以作為 2 個總線的主控設備去控制總線，也可以作為兩個總線的目標設備去響應總線。芯片通過內部的控制邏輯模塊、內部總線狀態機和局部總線狀態機模塊來共同控制芯片的數據傳輸。PEX8311 的控制邏輯模塊包含各種寄存器組，這些寄存器組用來控制數據的傳輸，記錄傳輸的狀態。

PEX8311 提供兩個串行 E2PROM 接口，在系統上電后讀取配置信息。SPI 串行 E2PROM 是 PCI—Express 的配置 E2PROM。它主要用來控制 PCI—Express 的性能。

PEX8311 提供完備的 PCI—Express 從設備支持，PCI-Express 接口部分的信號線可以直接與 PCI—Express 連接器（俗稱金手指）連接。其中，REFCLK±是一組差分時鐘，它由系統主板提供。2 個參考時鐘都要求保持在正常工作頻率 100MHz 的±300ppm 之內。PRSNT1／PRSNT2 信號線用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設計中將 PRSNT1 和 PRSNT2 相連，這樣當接口板插入到 PCI—Express 連接器時就能進行存在檢測。PCI-Express 接口部分原理圖，如圖 2 所示。

3 、系統軟件設計

3．1 FPGA 邏輯程序

使用 Verilog 編寫 FPGA 邏輯控制程序，共有 5 個底層模塊和 1 個頂層模塊。每個模塊負責不同的功能。頂層模塊為 PCIE_CAMLINK 模塊，它通過調用其他模塊的功能來實現整個系統的功能；CAMLINK 模塊用來控制 Camera Link 接口的讀寫；DoubleSdcon 模塊用來控制 SDRAM 芯片的使能和讀寫，實現圖像的乒乓操作；FIFO 模塊用來緩沖數據和匹配各芯片的工作速度；C_16450 模塊進行串行到并行的轉換，完成對 CamLink 相機的控制；PEX8311-LOCAL 模塊用來控制 PCI—Express 接口部分的讀寫，也就是對 PEX8311 芯片進行控制，對 PEX8311 的控制是實現 PCI—Exp-ress 總線的關鍵。

設計中是通過編寫狀態機（FSM，Finite State Machine）來對 PEX8311 的讀寫進行控制的。圖 3 為 PEX8311 的單周期讀寫的 Verilog HDL 語言時序控制狀態機設計。狀態 0 為空閑狀態，如本地總線請求信號 LHOLD 被置為 1，則轉到狀態 1，否則停留在狀態 0。狀態 1 為總線保持狀態，在此狀態下應將本地總線響應信號 LHOLDA 置為 1。如 ADS 信號為 0 且 LW／R 為 1 轉到狀態 2；如 ADS 信號為 0 且 LW／R 和 BLAST 都為 1 轉到狀態 3，為單周期讀狀態。狀態 2 為單周期寫狀態，在此狀態下要置 READY 信號 0，以表示寫數據有效，在 BLAST 為 0 時轉到狀態 3。狀態 3 為讀寫完成操作狀態，當 LHOLD 被置為 0 時，表明 PEX8311 不再請求本地總線，轉到狀態 0，當 BLAST 為 0 且 LHOLD 為 1 時，表明 PEX8311 還要進行讀寫數據，則轉到狀態 1 繼續。

3．2 驅動程序

PCI—E 總線與 PCI 總線在軟件層是完全兼容的，因此 PCI—E 總線驅動程序的開發過程與 PCI 設備驅動程序的開發過程是一樣的。本設計使用 VC++6．0 和開發工具包 Driver Studio（DS）進行驅動程序的開發。DS 可以集成到 Visual C++環境中，針對特定的應用生成相應的驅動程序框架，在編程中采用面向對象的編程方法，極大地提高了編程效率。

驅動程序主要完成的功能：1）設備的初始化，找到所要控制的硬件，在驅動程序對象中設置驅動程序分發例程的程序入口點，建立所有驅動程序對象或其他系統資源；2）創建設備對象，利用 AddDevice 函數創建了一個設備對象，并將其連接到以 PD0 為底的設備堆棧中；3）中斷的響應與處理，完成對外部硬件中斷的響應并將中斷信息傳遞給應用程序；4）DMA 操作，完成 DMA 的讀寫操作并在 DMA 傳輸結束后產生 DMA 中斷，通過響應的 DMA 中斷，將傳輸的數據發送到外部總線或應用程序。

4 、實驗結果

通過編寫上位機程序對系統的傳輸性能進行測試，測試的基本原理是上位機生成一批數據然后從計算機的 PCI-Express 接口寫到 PEX8311 再寫到 FIFO，最后寫到 SDBAM 中，然后上位機再從 SDRAM 中讀回剛才寫入的數據，比較讀和寫入的數據是否一致就能判斷系統的讀寫是否正確，并且測試數據的傳輸速率。經過一段時間的測試，系統最大傳輸速度達到 180 MB／s，滿足了本系統高速數據的傳輸要求。

5 、結論

本文設計了基于 PCI Express 總線的 CamLink 接口的高速圖像采集系統，在完成系統的硬件設計后，編寫了 FPGA 的邏輯控制程序，并開發了驅動程序和上位機應用程序。系統采用 PCI Express 總線實現硬件電路與計算機之間的高速數據傳輸。接口芯片采用 PLX 公司推出的第一款 PCI Express 橋接芯片 PEX8311。實驗結果表明，設計的硬件系統滿足高速圖像傳輸的要求，并且性能穩定。