??? 摘 要: 針對(duì)1000幀/秒高速攝影傳輸系統(tǒng)" title="傳輸系統(tǒng)">傳輸系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出速率600MBps的長距離傳輸難題,提出了采用CIMT編碼方式的光纖數(shù)字化傳輸設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)主要包括數(shù)字信號(hào)的多路復(fù)用" title="復(fù)用">復(fù)用、解復(fù)用以及PCI數(shù)據(jù)傳輸卡三部分。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的原理及硬軟件實(shí)現(xiàn)方法,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩路高速視頻數(shù)字化信號(hào)的15公里遠(yuǎn)距離傳輸和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
??? 關(guān)鍵詞: 光纖傳輸" title="光纖傳輸">光纖傳輸? 復(fù)用? 解復(fù)用? PCI
?
??? 高幀頻的視頻信號(hào)不同于普通視頻信號(hào),如果采用模擬信號(hào)方式傳輸,它的模擬帶寬達(dá)到了幾十兆甚至一兩百兆,這樣很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。而光纖傳輸容量大、質(zhì)量高和不易受干擾等特點(diǎn),在高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外針對(duì)普通視頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)已相當(dāng)多[1,5],而對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的高幀頻視頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)少有報(bào)道,特別是兩路或多路高幀頻視頻的單根光纖傳輸實(shí)現(xiàn)則未見報(bào)道。
??? 在本文中需要實(shí)現(xiàn)兩路256×256像素每秒1000幀高速視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)于高幀頻攝像機(jī),由于它幀頻很高,通常采用多路并行的信號(hào)輸出方式降低數(shù)據(jù)率,最后通過復(fù)用合成為視頻信號(hào)[2]。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,文中提出采用數(shù)字光纖的復(fù)用、解復(fù)用和計(jì)算機(jī)PCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路高幀頻視頻設(shè)備產(chǎn)生的15MBps×40路數(shù)字信號(hào)的傳輸與視頻信號(hào)的合成及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)
??? 高速視頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)主要包括復(fù)用、光發(fā)射、光接收、解復(fù)用、控制電路和PCI傳輸接口等部分。圖1為系統(tǒng)光發(fā)射部分工作原理圖。
?
??? 從高速視頻采集獲得的40路15MBps的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過XC9572內(nèi)的2:1復(fù)用,形成20路30MBps的二級(jí)復(fù)用數(shù)據(jù)提供給HDMP-1022,由其完成信道編碼,轉(zhuǎn)換成600MBps的PECL串行數(shù)據(jù),驅(qū)動(dòng)光發(fā)射模塊,完成數(shù)據(jù)的光纖發(fā)射。圖2為光接收部分原理圖。
?
??? 解復(fù)用芯片HDMP-1024從光纖接收模塊接收到的600MBpsPECL數(shù)據(jù)中提取出20路的并行數(shù)據(jù)和30MHz的時(shí)鐘信號(hào),再由XC9572完成二級(jí)解復(fù)用,同時(shí)也為FIFO及PLX9052組成的PCI傳輸卡提供時(shí)序信號(hào),計(jì)算機(jī)通過PCI總線獲得實(shí)時(shí)高速視頻采集數(shù)據(jù),并予以顯示和處理。
2 硬件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括光纖傳輸單元、PCI傳輸單元和控制單元三部分。
2.1 數(shù)字光纖傳輸單元設(shè)計(jì)
??? 數(shù)字光纖傳輸單元主要完成串并行數(shù)據(jù)的復(fù)用與解復(fù)用功能。設(shè)計(jì)中采取數(shù)據(jù)通信中的CIMT(Conditional-Invert Master Transition)信道編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。圖3顯示CIMT碼的格式。
?
??? CIMT碼有三種幀形式:數(shù)據(jù)幀、控制幀和填充幀。數(shù)據(jù)幀和控制幀的格式如圖3(a)所示,可以發(fā)送任意需要傳送的數(shù)據(jù)和控制信息,每一幀都以C-Field(Coding Field)開始,其后接著D-Field(Data Field)。其中D-Field組成的數(shù)據(jù)位可以是十六位或二十位,本系統(tǒng)采用二十位數(shù)據(jù);控制位(C-Field)由四位數(shù)據(jù)碼組成,接收端" title="接收端">接收端可以此提取并鎖定數(shù)據(jù)的類型與狀態(tài)。填充幀是在發(fā)射端沒有數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)以及發(fā)射端和接收端建立連接時(shí)產(chǎn)生。在三種幀的主瞬變點(diǎn)處是接收端恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)的參考點(diǎn)。本系統(tǒng)中選用Aglient公司的HDMP-1022和HDMP-1024作為CIMT碼的復(fù)用與解復(fù)用主要芯片,HFCT-5208作為光發(fā)射和光接收器來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖傳輸設(shè)計(jì)。
??? 在光發(fā)射端設(shè)計(jì)中采用HDMP-1022的Double-Frame模式實(shí)現(xiàn)40路數(shù)據(jù)的傳輸,通過二級(jí)復(fù)用擴(kuò)展其并行數(shù)據(jù)的容量為40路。數(shù)據(jù)在同一時(shí)鐘控制下同時(shí)被復(fù)用成一路的高速信號(hào),同時(shí)生成另一路按位取反的信號(hào),最后通過其CIMT編碼器輸出推動(dòng)光發(fā)射器。圖4為以Double-Frame方式復(fù)用發(fā)射的時(shí)序圖。其中CLOCK(15MHz)是單路數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘,FLAG表示奇偶場(chǎng),CAV和DAV表示數(shù)據(jù)幀和控制幀的控制位,C0～C39表示輸入的40路信號(hào),D0～D19是CIMT碼的D-Field數(shù)據(jù),STRBOUT(30MHz)為芯片鎖相后的倍頻時(shí)鐘。
?
??? 在光接收端部分光接收器將獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚匐娦盘?hào)并發(fā)送給HDMP-1024,由它解復(fù)用后提取參考時(shí)鐘信號(hào)STRBOUT(30MHz)、數(shù)據(jù)信號(hào)C0～C39,以及其他的狀態(tài)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘RCLK(15MHz)。圖5為Double-Frame光接收端時(shí)序圖。
?
2.2 PCI傳輸單元設(shè)計(jì)
??? 為實(shí)現(xiàn)高速視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄,設(shè)計(jì)中利用了PCI總線技術(shù)?熏PCI控制芯片采用PLX9052,它與FIFO相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率120MBps數(shù)字量輸入。
??? PLX9052符合PCI2.1規(guī)范,支持低成本從屬適配器。內(nèi)部包括一個(gè)64字節(jié)的寫FIFO和一個(gè)32字節(jié)的讀FIFO,通過讀寫FIFOs,可實(shí)現(xiàn)高性能的突發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸;其局部總線與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立,局部總線的時(shí)鐘頻率范圍為0～40MHz,PCI的時(shí)鐘頻率范圍為0～33MHz;可以通過串行EEPROM提供PCI總線和局部總線的部分重要配置信息。PLX9052支持突發(fā)式內(nèi)存映射傳輸和單周期的內(nèi)存或I/O" title="I/O">I/O映射傳輸,利用32字節(jié)的直接從設(shè)備讀FIFO和64字節(jié)的直接從設(shè)備寫FIFO,映射在PCI內(nèi)存和I/O空間中的地址由PCI基址寄存器設(shè)置。而且,局部映射寄存器允許將PCI地址空間轉(zhuǎn)換為局部地址空間。圖6是PLX9052與FIFO相互連接的電路圖,FIFO采用IDT公司的IDT72205。
?
2.3 控制單元設(shè)計(jì)
??? 整個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序控制單元均由CPLD完成,在光發(fā)射端主要提供40路信號(hào)的2:1復(fù)用、數(shù)據(jù)的鎖存及系統(tǒng)工作的時(shí)序信號(hào);在光接收端主要為解復(fù)用、FIFO和PLX9052提供相應(yīng)的時(shí)序邏輯。本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的XC9572作為控制單元的核心芯片,結(jié)合它的在線編程功能,完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序調(diào)試與設(shè)計(jì)。
??? 結(jié)合Verilog語言與原理圖(sch)方法,較好地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)時(shí)序的設(shè)計(jì)。以下是40路數(shù)字信號(hào)8:1復(fù)用Verilog語言設(shè)計(jì)代碼。
??? Module parrelserial (Data, clock, EN, OutData) ;
??? input [0:8] Data ;input clock ;input EN ;
??? output OutData ;reg [0:8]Data;
??? reg [0:3]count;reg OutData;
??? always @(posedge clock)
????? ??begin
????? ??if(EN)
???????? ??count=0;
????? ??else
???? ????? begin
?????????? OutData=Data[count];
?????????? count=count+1;
??????? ???if(count>8)count=0;
??????? ???end
????? ??end
??? endmodule
3 軟件設(shè)計(jì)
??? 整個(gè)系統(tǒng)軟件主要包括PCI傳輸單元的驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。
??? Windows下的PCI驅(qū)動(dòng)程序不僅僅包括物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,也包括為文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備編寫的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在設(shè)計(jì)中主要針對(duì)Windows2000下PCI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。由于Windows 2000禁止用戶模式的程序訪問I/O端口(Windows 95/98則允許用戶程序直接訪問I/O端口),直接控制物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序均為內(nèi)核模式。而本設(shè)計(jì)的PCI驅(qū)動(dòng)程序要求對(duì)各種硬件資源訪問,所以應(yīng)該選擇工作在零級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序模式。
??? 開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用的主要開發(fā)工具是JUNGO公司提供的軟件包Windriver。這個(gè)軟件包提供開發(fā)PLX9052有關(guān)設(shè)備的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和程序范例。利用其內(nèi)部定義的可以調(diào)用的系統(tǒng)底層服務(wù),如DMA服務(wù)、中斷服務(wù)、內(nèi)存管理服務(wù)、可安裝文件系統(tǒng)服務(wù)等,結(jié)合VC++完成整個(gè)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面:
??? (1)PCI設(shè)備初始化
??? PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序首先實(shí)現(xiàn)識(shí)別PLX9052器件、尋址PLX9052器件的資源和對(duì)PLX9052器件中斷的服務(wù)。主要調(diào)用Windirver軟件包內(nèi)以下函數(shù):
??? WD_Open(hWD);
??? PCI_Get_WD_handle(&hWD);
??? PLX_LocateAndOpenBoard(0x10b5, 0x9052, UseInt);
??? (2)PCI端口地址操作
??? PCI總線是32位的總線標(biāo)準(zhǔn),在進(jìn)行I/O操作時(shí)通常要進(jìn)行雙字(DWORD?雪操作,而在Windows 2000下,系統(tǒng)不允許處于優(yōu)先級(jí)3的用戶程序和用戶模式驅(qū)動(dòng)程序直接使用I/O指令。任何對(duì)I/O的操作都需要借助內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)來完成。筆者主要調(diào)用Windirver軟件包內(nèi)兩個(gè)函數(shù)來完成。
??? IO_ReadByteString(DWORD dwIOAddr, PBYTE pBuf, DWORD dwBytes);
??? IO_WriteByteString(DWORD dwIOAddr, PBYTE pBuf, DWORD dwBytes);
??? (3)內(nèi)存的讀寫
??? PLX9052與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信主要采取DMA方式,在Windriver中提供了相應(yīng)內(nèi)存讀取兩個(gè)函數(shù),通過對(duì)它的調(diào)用可實(shí)現(xiàn)PLX9052與計(jì)算機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。
??? IO_Read32BitRegister(DWORD dwAddr);
??? IO_Write32BitRegister(DWORD dwAddr, DWORD dwData);
??? 整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序研制都基于微軟公司的VC++開發(fā)設(shè)計(jì),可用于Windows 2000 操作系統(tǒng)下。
??? 整個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)利用復(fù)用、解復(fù)用,結(jié)合PCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速視頻數(shù)字化信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸及控制、實(shí)時(shí)顯示等功能,傳輸距離15km,可記錄數(shù)據(jù)量為128K字節(jié)。目前已將設(shè)計(jì)用到相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目中,并將進(jìn)一步改進(jìn)擴(kuò)大數(shù)據(jù)的容量及穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
1 Asada, Hideyuki Yamada, Takashi Rabou. Optical fiber digital transmission of multiplexed video and audio signals suitable for multimedia applications[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics. 1998; 44(2): 273～279
2 P.A.Levine,D.J. Sauer,F.V.Shallcross et al. High Frame?Rate Multi-Port CCD Imager and Camera[J].SPIE,1992;1952:257～267
3 Aglient Technology Inc. Low Cost Gigabit Rate Transmit/Receive Chip Set With TTL I/Os[M]. 2002
4 PLX Technology Inc. PCI 9054 Data Book V2.0[M].1999
5 劉 穎,王春悅. 數(shù)字通信原理與技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2002
6 張寶富,劉忠英.現(xiàn)代光纖通信與網(wǎng)絡(luò)教程[M].北京:人民郵電出版社,2002