基于PCIE的高速光纤图像实时采集系统设计

利用PCI Express（PCIE）总线及DMA数据传输技术，设计光纤图像实时采集系统。利用FPGA中的PCIE硬核实现了PCIE总线的DMA传输，同时介绍了整个采集系统的数据流和光纤接口模块的设计。测试结果表明，系统DMA数据传输速度可达到138 MB/s，完全满足高速光纤图像实时采集的需要。 《基于PCIE的高速光纤图像实时采集系统设计》 随着科技的发展，高分辨率、高频帧的CCD相机在航测和其他领域得到了广泛应用，这随之带来了高速图像数据实时记录的挑战。为解决这一问题，本文提出了一种基于PCI Express（PCIE）总线和DMA（直接存储器访问）数据传输技术的高速光纤图像实时采集系统。该系统通过利用FPGA（现场可编程门阵列）中的PCIE硬核，实现了高效的数据传输和光纤接口模块设计。 PCIE总线是一种高性能的串行总线标准，其数据传输速度快，能够满足高速图像数据的需求。在传输过程中，PCIE数据包经历了事务层、数据链路层和物理层的处理。事务层主要负责接收、缓冲和分发事务包TLP，通过I/O、存储器、配置和消息事务传递信息。数据链路层则负责确保数据的正确传输，包括错误检测与改正等功能。物理层是最底层，提供物理支持，包括逻辑子块和电气子块，用于数据的编解码和转换。 本采集系统采用了Xilinx公司的XC5VFX70T FPGA芯片，它内置了PCIE硬核和高速串行收发器，能实现高速数据的接收、缓存及传输。系统结构包括光纤接口模块、DDR2内存、PCIE接口模块等关键部分。其中，光纤接口模块接收来自CCD相机的高速光纤信号，通过GTX核进行并行数据处理和K字符信号提取，然后按照自定义协议解析数据包，获取图像的相关信息。 缓存模块采用了DDR2内存，设计有NPI接口分别用于读写操作，以避免内存访问冲突，提高传输效率。位宽转换模块将16 bit的原始数据转换为64 bit，以适应NPI接口的要求。PCIE接口模块则是系统的核心，它包含了PCIE硬核、TX模块、RX模块、缓存、DMA控制模块和用户逻辑等部分，实现主机与采集卡之间的高效通信。 TX模块负责将数据填充到事务包TLP中，实现PCIE写操作，而RX模块则解析接收的TLP并将数据写入DMA寄存器。缓存模块通过FIFO（先进先出）机制平衡不同速率的数据流，提高传输效率。DMA控制模块则管理发送寄存器和中断寄存器，接收主机的内存写请求，并处理中断事件。 通过测试，该系统实现了138 MB/s的DMA数据传输速度，远超过2352×1728分辨率、8 bit灰度级别、31 F/s帧频的CCD相机产生的120.2 MB/s数据量，证明了系统的性能完全满足高速光纤图像实时采集的需求。 基于PCIE的高速光纤图像实时采集系统设计结合了先进的PCIE总线技术和FPGA的灵活性，成功解决了高速图像数据实时处理的问题，为高分辨率、高频帧的CCD相机应用提供了高效的数据采集解决方案。