基于PCI Express总线的CamLink接口的高速图像采集系统

图像采集和处理技术在机器视觉和图像分析等诸多领域应用十分广泛。随着高速的 PCI Express（PCIE）总线的出现，基于 PCIE 接口的高速数据采集卡将在数据传输和处理量很大的场合发挥越来越重要的作用。

CamLink 相机是指带有 Camera Link 接口的相机。Camera Link 是由数家工业摄影机及影像卡大厂共同制定出来满足各种视频传输要求的标准接口。这个标准不仅可以满足各种高速视频传输的要求，规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，而且使视频设备提供商在设备开发和维护上的时间和成本大大减少。Camera Link 提供了超高的图像传送速度，并且由于它的高性能、低成本以及其连接的便利性，迅速得到大多摄像头及图像采集卡生产商的支持。

在一些高端领域，尤其是机器视觉领域，对计算机的数据传输和处理能力提出了严重的考验，当前图像采集卡的发展逐步向高速稳定传输和高速处理方向发展。PCI Express 采用了目前业内流行的点对点串行连接方式，比起 PCI 以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到 PCI 所不能提供的高带宽。PCI-Express 规格从 1 条通道连接到 32 条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同需求。例如，PCIExpress X1 规格支持双向数据传输，每向数据传输带宽 250 MB／s，而 33 位 33 MHz 的 PCI 总线传输带宽仅为 133 MB／s。PCI Express X16 模式每向数据传输带宽可高达 4 GB／s，双向数据传输带宽有 8 GB／s 之多。所以对于高帧频的 CamLink 接口相机来说，传统的总线（例如 PCI 总线接口）已经不能满足实时图像传输的要求。

本系统使用 PLX 公司的 PEX8311 作为 PCI Express X1 接口芯片，系统中采用 FPGA 芯片实现对整个系统的控制，利用 FPGA 内部提供的 FIFO IP 核和外接的两片独立的 SD RAM 实现了高速图像数据的缓存处理。

1 、系统构成及原理

基于 PEX8311 的 CamLink 图像采集系统的硬件结构分为 4 个模块：CamLink 接口模块、FPGA 控制模块、SDRAM 存储模块、PCI-Express 接口模块。图 1 为系统的原理框图：

基于PCI Express总线的CamLink接口的高速图像采集系统

系统的工作原理：系统上电后，上位机软件通过驱动程序控制 FPGA 对 CamLink 相机进行内部参数配置。配置完成后，CamLink 相机输出帧频信号、行频信号、像索时钟信号和视频信号。由于 CamLink 接口输出的是差分信号，所以通过 DS90CR288A 芯片将差分转换成单端信号，输入给 FPGA。在 FPGA 内部，通过 FIFO 对数据进行缓冲，在同步和时钟信号的控制下，FIFO 输出的数据存放到 SDRAM 中。由于在同一时刻只能对 SDRAM 进行读或写操作，所以为了防止数据丢失，FPGA 外接两片 SDRAM，在奇帧的时候，向 SDRAM1 写一帧图像，而从 SDRAM2 读已保存的偶帧图像，完成图像传输的乒乓操作。使用 PEX8311 芯片完成 PCIE 接口，PEX8311 由 FPGA 的逻辑程序对其控制。在上位机编写基于 PCIE 总线的驱动程序，将图像从 SDRAM 使用 DMA 方式读到计算机的内存中，上位机软件实现图像的显示和处理。

2、 PCI-Express 接口模块

PCI-Express 的接口实现方法很多，在本设计中使用 PLX 公司的 PEX8311 芯片通过桥接方式实现。PEX8311 作为一种桥接芯片，在 PCI Expr-ess 总线和 Local 总线之间传递信息，它可以作为 2 个总线的主控设备去控制总线，也可以作为两个总线的目标设备去响应总线。芯片通过内部的控制逻辑模块、内部总线状态机和局部总线状态机模块来共同控制芯片的数据传输。PEX8311 的控制逻辑模块包含各种寄存器组，这些寄存器组用来控制数据的传输，记录传输的状态。

PEX8311 提供两个串行 E2PROM 接口，在系统上电后读取配置信息。SPI 串行 E2PROM 是 PCI—Express 的配置 E2PROM。它主要用来控制 PCI—Express 的性能。

PEX8311 提供完备的 PCI—Express 从设备支持，PCI-Express 接口部分的信号线可以直接与 PCI—Express 连接器（俗称金手指）连接。其中，REFCLK±是一组差分时钟，它由系统主板提供。2 个参考时钟都要求保持在正常工作频率 100MHz 的±300ppm 之内。PRSNT1／PRSNT2 信号线用于检查附加卡是否插入连接器。此次设计中将 PRSNT1 和 PRSNT2 相连，这样当接口板插入到 PCI—Express 连接器时就能进行存在检测。PCI-Express 接口部分原理图，如图 2 所示。

基于PCI Express总线的CamLink接口的高速图像采集系统

3 、系统软件设计

3．1 FPGA 逻辑程序

使用 Verilog 编写 FPGA 逻辑控制程序，共有 5 个底层模块和 1 个顶层模块。每个模块负责不同的功能。顶层模块为 PCIE_CAMLINK 模块，它通过调用其他模块的功能来实现整个系统的功能；CAMLINK 模块用来控制 Camera Link 接口的读写；DoubleSdcon 模块用来控制 SDRAM 芯片的使能和读写，实现图像的乒乓操作；FIFO 模块用来缓冲数据和匹配各芯片的工作速度；C_16450 模块进行串行到并行的转换，完成对 CamLink 相机的控制；PEX8311-LOCAL 模块用来控制 PCI—Express 接口部分的读写，也就是对 PEX8311 芯片进行控制，对 PEX8311 的控制是实现 PCI—Exp-ress 总线的关键。

设计中是通过编写状态机（FSM，Finite State Machine）来对 PEX8311 的读写进行控制的。图 3 为 PEX8311 的单周期读写的 Verilog HDL 语言时序控制状态机设计。状态 0 为空闲状态，如本地总线请求信号 LHOLD 被置为 1，则转到状态 1，否则停留在状态 0。状态 1 为总线保持状态，在此状态下应将本地总线响应信号 LHOLDA 置为 1。如 ADS 信号为 0 且 LW／R 为 1 转到状态 2；如 ADS 信号为 0 且 LW／R 和 BLAST 都为 1 转到状态 3，为单周期读状态。状态 2 为单周期写状态，在此状态下要置 READY 信号 0，以表示写数据有效，在 BLAST 为 0 时转到状态 3。状态 3 为读写完成操作状态，当 LHOLD 被置为 0 时，表明 PEX8311 不再请求本地总线，转到状态 0，当 BLAST 为 0 且 LHOLD 为 1 时，表明 PEX8311 还要进行读写数据，则转到状态 1 继续。

基于PCI Express总线的CamLink接口的高速图像采集系统

3．2 驱动程序

PCI—E 总线与 PCI 总线在软件层是完全兼容的，因此 PCI—E 总线驱动程序的开发过程与 PCI 设备驱动程序的开发过程是一样的。本设计使用 VC++6．0 和开发工具包 Driver Studio（DS）进行驱动程序的开发。DS 可以集成到 Visual C++环境中，针对特定的应用生成相应的驱动程序框架，在编程中采用面向对象的编程方法，极大地提高了编程效率。

驱动程序主要完成的功能：1）设备的初始化，找到所要控制的硬件，在驱动程序对象中设置驱动程序分发例程的程序入口点，建立所有驱动程序对象或其他系统资源；2）创建设备对象，利用 AddDevice 函数创建了一个设备对象，并将其连接到以 PD0 为底的设备堆栈中；3）中断的响应与处理，完成对外部硬件中断的响应并将中断信息传递给应用程序；4）DMA 操作，完成 DMA 的读写操作并在 DMA 传输结束后产生 DMA 中断，通过响应的 DMA 中断，将传输的数据发送到外部总线或应用程序。

4 、实验结果

通过编写上位机程序对系统的传输性能进行测试，测试的基本原理是上位机生成一批数据然后从计算机的 PCI-Express 接口写到 PEX8311 再写到 FIFO，最后写到 SDBAM 中，然后上位机再从 SDRAM 中读回刚才写入的数据，比较读和写入的数据是否一致就能判断系统的读写是否正确，并且测试数据的传输速率。经过一段时间的测试，系统最大传输速度达到 180 MB／s，满足了本系统高速数据的传输要求。

5 、结论

本文设计了基于 PCI Express 总线的 CamLink 接口的高速图像采集系统，在完成系统的硬件设计后，编写了 FPGA 的逻辑控制程序，并开发了驱动程序和上位机应用程序。系统采用 PCI Express 总线实现硬件电路与计算机之间的高速数据传输。接口芯片采用 PLX 公司推出的第一款 PCI Express 桥接芯片 PEX8311。实验结果表明，设计的硬件系统满足高速图像传输的要求，并且性能稳定。

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FPGA在PCI Express总线接口中的应用

PCIE(PCI express)是用来互联诸如计算机和通信平台应用中外围设备的第三代高性能I／0总线。PCIE体系结构继承了第二代总线体系结构最有用的特点，采用与PCI相同的使用模型和读／写通信模

2011-10-17 16:14:20

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从PCI、PCI-X到PCI-Express之间的连接

本内容介绍了PCI总线/PCI-X接口及PCI-PCI-Express的知识，讲解了从PCI、PCI-X到PCI-Express之间的连接

2012-06-05 16:16:58

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凌华发布100 MHz的新款PCI Express接口高速数字I/O模块

凌华科技发表100 MHz的新款PCI Express®接口高速数字I/O模块，PCIe-7360支持高达400 MB/s数据带宽，适用于高速IC检测与数字波形采集及输出应用。

2013-09-13 15:10:16

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PCI-Express技术

PCI-Express 是继ISA 和PCI 总线之后的第三代I/O 总线，即3GIO

2015-11-13 16:08:45

PCI Express™协议规范修订版1.

PCI Express协议是由PCI-SIG组织制订的高速串行总线协议，被称为第三代总线。是并行共享总线串行点对点总线进化的产品。

2016-01-08 16:23:28

PCI-Express接口术语详解

计算机接口中关于PCI-Express的详解

2016-09-01 14:55:49

一种基于FPGA和PCI总线的天文图像实时采集与处理系统的设计

一种基于FPGA和PCI总线的天文图像实时采集与处理系统的设计，感兴趣的小伙伴们可以看一看。

2016-09-14 17:17:07

基于PCI总线接口卡的ARINC429总线数据仿真与采集系统

基于PCI总线接口卡的ARINC429总线数据仿真与采集系统

2017-01-14 11:24:39

基于Xilinx公司硬IP核的方法实现PCI Express总线接口及数据的传输设计

。本文介绍PCI Express 总线接口的设计方法，，并实现一个基于IP核的PCI Express 总线接口。

2018-07-18 10:35:00

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基于FPGA的高速图像采集系统的详细分析与结论

现代化生产和科学研究对图像采集系统的要求日益提高。传统的图像采集卡速度慢、处理功能简单，不能很好地满足特殊要求，因此，我们构建了高速图像采集系统。它主要包括图像采集模块、图像低级处理模块以及总线接口模块等。这些模块是在 FPGA 中利用 VHDL 编程实现的。高速图像采集系统主要用于视觉检测。

2017-11-24 19:00:02

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如何运行UltraScale PCI Express解决方案的四个主要数据接口

了解UltraScale PCI Express解决方案的四个主要数据接口如何运行。具有四个独立的数据接口简化了用户设计并提高了整体PCI Express性能。

2018-11-29 06:43:00

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基于PCI总线的雷达视频高速数据采集接口设计

据传输速率为132～264MB／s，是目前使用较为广泛的一种总线。在高速信号的实时处理中，利用PCI总线将采集数据直接传送到微机系统内存，可有效解决数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供方便。利用PCI

2019-01-28 18:06:01

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使用PCI总线设计高速数据采集系统的资料说明

本文详细介绍了一种基于PCI 总线的高速数据采集系统的原理、组成和功能以及在Windows2000 环境下进行数据采集和存储的方法。该系统用于某型号卫星下行的高速数据采集。系统设计与技术的通用性可应用于其它类似的高速数据采集与处理系统中。

2019-11-27 16:19:00

基于PEX8311芯片和FPGA器件实现高速图像数据系统的设计

图像采集和处理技术在机器视觉和图像分析等诸多领域应用十分广泛。随着高速的PCI Express（PCIE）总线的出现，基于PCIE接口的高速数据采集卡将在数据传输和处理量很大的场合发挥越来越重要的作用。

2020-03-13 17:26:11

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如何使用FPGA和PCI总线实现天文图像实时采集与处理系统的设计

提出了一种基于FPGA和PCI总线的天文图像实时采集与处理系统设计；其包括硬件结构、FPGA数据获取和传输逻辑。该系统能够在FPGA中实现对最高峰值是660 MB／s，均值为200 MB／s，帧速率

2021-02-04 16:46:00

浅谈LVDS和PCI接口的高速图像传输系统设计

针对数字图像处理与传输领域数据量大而传统接口无法满足其高速率传输要求的现状，提出了一种基于LVDS和PCI接口的

2021-05-05 17:13:00

3898

基于PIC总线的高速数据采集系统

本文详细介绍了一种基于 PCI 总线的高速数据采集系统的原理、组成和功能以及在 Windows 2000 环境下进行数据采集和存储的方法。该系统用于某型号卫星下行的高速数据采集。系统设计与技术的通用性可应用于其它类似的高速数据采集与处理系统中。

2021-04-14 14:29:30

PCI Express接口标准的特点及在FPGA中的应用

PCI Express是从PCI发展而来的一种系统互联接口标准。PCI和PCI-X都是基于32位以及64位的并行总线，而PCI Express则使用高速串行总线。PCI Express后向兼容于PCI，能够灵活地提供大峰值带宽。表1对比了三种PCI标准的特性。

2021-06-18 10:53:00

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力科推出PCI Express 5.0开放网络接口卡3.0信号采集卡

协议测试解决方案全球领导者力科宣布推出 PCI Express 5.0 开放计算项目（OCP）网络接口卡（NIC） 3.0 信号采集卡，该信号采集卡可与力科Summit 系列 PCI Express 5.0 协议分析仪结合使用。

2022-05-16 15:21:46

2015

COM高速可实现特定于应用的数据采集系统

GHz PCI Express 2.0 总线与当今快速、低功耗的处理器相结合，为包括高速数据采集和图像处理在内的各种应用提供所需的带宽。

2022-10-27 17:33:27

669

一文读懂PCI-Express硬件接口

PCIe接口全称PCI Express，由PCI-SIG组织发布的用于替代PCI总路线的新一代高速串行总线与接口。

2023-06-25 16:27:04

6185

【科普】一文读懂PCI-Express硬件接口

PCIe接口全称PCI Express，由PCI-SIG组织发布的用于替代PCI总路线的新一代高速串行总线与接口。

2023-07-22 16:52:50

5903

基于PCI总线的雷达视频高速数据采集接口设计？

Component Interconnect）是Intel公司推出的一种高性能32／64位局部总线，最大数据传输速率为132～264MB／s，是目前使用较为广泛的一种总线。在高速信号的实时处理中，利用PCI总线将采集数据直接传送到微机系统内存，可有效解决数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供方便。利用PCI总线进

2023-10-07 14:55:02

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基于PCI Express总线的CamLink接口的高速图像采集系统

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