基于PCI ExPress總線傳輸的視頻采集系統方案

　　3．2 FPGA

　　3．2．1 FPGA器件選型

　　FPGA型號的選擇主要基于以下方面考慮：具有PCIExpress總線；通道不低于x8；具有嵌入式微處理器；合適的I／O管腳數和資源，支持所需的電平標準；具有較低的功耗；合適的性價比。

　　因此，選擇Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VFX3-0T，封裝為FF665 PCI Express總線；具有PowerPC440嵌入微處理器。配置芯片選用容量為1 GB的CF卡。

　　3．2．2 FPGA的性能和資源

　　1)時鐘資源32條全局時鐘總線，對整個器件上的所有資源進行時鐘控制，且可以驅動邏輯信號；

　　2)時鐘管理技術 時鐘去歪斜、頻率合成、相移和動態重配置等功能；

　　3)鎖相環作為廣譜頻率的頻率合成器，并且與CMT的DCM配合作為外部或內部時鐘的抖動濾波器；

　　4)BLOCK RAM 2 448 Kb，可配置為RAM、雙口RAM和FIFO等，且其內容能夠初始化；

　　5)可配置邏輯塊 實現組合邏輯和時序邏輯的主要資源；

　　6)SelectIO資源 可支持種類繁多的標準接口。包括輸出強度和斜率的可編程控制以及實現數控阻抗的片上終端；

　　7)SelectIO邏輯資源 包括組合輸入／輸出、三態輸出控制、寄存輸入／輸出、寄存三態輸出控制、DDR輸入／輸出和DDR輸出三態控制；

　　8)高級SelectIO邏輯資源 輸入串并轉換和輸出并串轉換；

　　9)DSP邏輯片 64個550 MHz DSP48E slice，每個DP48E包括1個28x18的乘法器、1個加法器和1個累加器。利用XILINX ISE的FPGA Edit也可觀察FPGA的內部結構。

　　3．3 數據緩存

　　由于PCI Express的總線波特率為2．5 Gbps，遠大于1路采集后的數字視頻信號。當視頻數據經并行總線傳入FPGA內，通過配置為異步輸入輸出的FIFO進行數據緩存，提高總線使用效率。如果PCI Express總線為×1通道，PAL制式視頻轉換為常用的8位4：2：0的YUV格式數字視頻，按照PCIExpress總線傳輸有效數據1．62 Gb／s計算，理論上可以傳輸36路。

　　3．4 FCI Express接口實現

　　利用具有PCI Express的FPGA來設計，選用Xilinx公司的Virtex-5 LXT系列的FPGA，利用其內的PCI Express IP核進行設計，完成功能如下：用戶接口的本地鏈路成幀接口；64位數據總線寬度與3位提醒總線；包化接口，帶用于標記包的幀起始(SOF)和幀結束(EOF)；傳輸和接收方向用戶接口的包中斷特性；幀錯誤檢測支持；多通道配置支持：×1、×2、×4和×8；這里通道配置為×1；每通道1．62 Gb／s或更高的吞吐量；利用集成端點模塊中的自動協商功能，可以在某些通道不能工作時使設計使用較低的帶寬；物理層中使用的8B／10B解碼和解碼。此方案雖開發難度大、周期長，但具有外電路圍簡單，硬件成本低，設計靈活、集成度高且易升級等特點。其接口電路如圖3所示。

圖3 PCI Express接口電路

　　3．5 時鐘

　　本設計需要4個時鐘信號，其中視頻解碼信號的時鐘要求最高，時鐘精度必須在±50 ppm以內，其次為PCI Express總線工作的時鐘頻率。在FPGA內對時鐘信號進行了DCM和PLL處理，完成了對時鐘信號的去歪斜、相移和頻率合成等功能。

　　3．6 Flash和DDRSDRAM

　　為使設計具有靈活性、擴展性和升級性，預留了Flash和SDRAM來存儲程序和運行程序，滿足智能性和易于以太網遠程控制等要求。

　　3．7 以太網接口電路

　　通過FPGA+PHY+變壓器組成以太網接口電路，可以用此接口加載程序，也可用此接口和互聯網連接。利用XILINX公司的FPGA開發軟件ISE，通過FPGA內IP核按照TriMode Ethemet MAC進行。

　　3．8 DMA傳輸

　　本設計采用DMA方式進行數據內部傳輸。數字視頻信號經并行總線傳入FPGA內，通過FIFO進行數據緩存，經DMA方式，通過PCI Express傳給計算機。