一種數據采集卡的設計與實現

摘要：為了實現系統間圖像和視頻的高速傳輸，設計了一種以FPGA作為平臺的采集卡，該采集卡功能完全由硬件實現。本文介紹了整個方案的設計原理和邏輯設計方法，支持傳輸速率可達100Mbps-400Mbps。

關鍵詞：FPGA；1394b；數據采集

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712（2012）20-0023-01

一、引言

IEEE1394是1994年由美國Apple公司提出的高速串行總線標準。在1995年經電氣和電子工程師協會（IEEE）認證成為了正式標準。IEEE 1394也就是我們俗稱的火線（Fire Wire）發展至今已經有了兩個版本，分別是IEEE 1394a和IEEE 1394b。該標準具有以下特點：

1.高速的數據傳輸速率，IEEE 1394b最大可以支持到3200Mbps；

2.可同時連接不同傳輸速度的設備，具有很強的靈活性；

3.支持點對點的傳輸模式；

4.支持同步和異步數據傳輸。

利用IEEE 1394技術，可以十分方便地把電腦和攝像機、高速硬盤、音響等多種多媒體設備相連接。隨著IEEE 1394技術不斷成熟，應用的范圍也日漸廣泛，車載、航空上都利用其高性能、低延遲的特性進行圖像、視頻等信息的傳輸和處理。本文就是介紹了一種1394接口數據采集卡的設計與實現。

二、應用背景

某系統中，四個分機之間通過1394總線連接，分機III和分機Ⅳ需要實時采集分機I和分機II發來的相關數據，在分機III和分機Ⅳ內部，采集卡與載板之間通過LVDS進行數據交互，分機之間的數據傳輸最小速率為64Mbps，系統要求采集卡除了完成數據采集任務外，還能夠實時提供網絡狀態信息，結合所有的需求提出了以下設計方法。

三、原理設計

采集卡主要完成數據采集和監控網絡狀態兩部分功能：

1.數據采集功能：接收其他分機通過1394總線發來的數據，將1394數據包進行解析，把有效的數據載荷上報載板，并且能夠實現固定幀的應答功能；

2.監控網絡狀態：載板需要實時了解各分機間網站狀態，因此采集卡必須能夠將收集到的網絡信息上報載板。

系統要求采集卡必須自行完成網絡節點配置、數據接收、數據解析和數據上報等功能。采集卡完全通過硬件實現所有功能。這樣的做法不僅可以提高了產品可靠性，減少軟件設計所帶來的開銷，降低了設計成本，最大化的保證產品工作效率。采集卡選用了Xilinx公司出品的XQV300-4BG352N來實現所有邏輯功能，1394鏈路層芯片和物理層芯片分別選用TI公司的TSB12LV32TPZEP和TSB41BA3BTPFPEP。

TSB12LV32TPZEP除了提供處理器接口外，同時還提供了Data Mover接口（以下簡稱DM接口）。DM接口有很多優點：

1.發送與接收大塊數據帶寬可達400Mbps；

2.允許外部接大容量FIFO；

3.能夠處理異步、等時、異步流包；

4.共有八種工作模式可以選擇，由控制寄存器中的三位信號組合而成，配置十分簡便；

5.當不使用時，DM接口表現為高阻狀態。

DM接口支持三種類型的包：異步包、等時包、異步流包（1394a-2000支持的格式），并且能夠與外部存儲器連接來支持大量數據的傳輸。當此接口配置成接收時，所有的數據都在DMCLK的上升沿進行同步接收。利用DM接口的這個特性，我們選擇FPGA作為平臺，通過可編程邏輯完成對DM接口的控制，從而實現數據的采集工作。

四、邏輯設計

（一）初始化單元。初始化單元包括兩部分內容，該單元是采集卡正常工作的基礎，分別完成上電BIT和網絡配置初始化工作。

上電BIT會進行兩部分的操作。首先是對鏈路層芯片進行訪問，判讀鏈路層芯片的ID號是否正確，然后會對鏈路層芯片的某個固定可讀寫寄存器進行讀寫訪問，以讀寫結果是否一致來表明鏈路層接口是否工作正常。在完成鏈路層芯片的測試后，會對物理層芯片進行相同的訪問操作，以保證在上電時基本硬件能夠正常訪問，上電BIT的結果會通過狀態控制單元發送給載板。

上電BIT正常通過后，采集卡將會開始對本板硬件資源進行1394b網絡配置初始化。在初始化完成后，采集卡將會獲取1394b總線工作狀態，這通過讀取物理層芯片某個寄存器的相應位來判斷。當確定鏈路建立后，通過檢查和配置Node ID寄存器，強制設置采集卡為子節點。當完成上述工作后，采集卡會將獲取到的總線狀態通過狀態控制單元發送給載板。在本設計中，由于載板不對采集卡進行配置操作，因此所有的網絡配置數據都儲存在采集卡上。這樣的設計簡化了載板與采集卡之間的控制關系，比較適用于網絡配置信息相對確定的系統中。

（二）數據接收單元。在上文已經提到1394鏈路層芯片提供了DM接口，該接口位寬16bit，允許外部接大容量的FIFO，而載板數據接口是8bit，為了實現數據的無縫連接，在FPGA內部為每一路1394接口設計了一個數據處理單元。該數據處理單元內部包含一個FIFO，FIFO的接收端為16bit，而輸出端為8bit，采用Xilinx公司提供的軟IP核實現。當接收到1394b總線上發來的數據后，會以中斷的方式通知數據接收單元從DM接口開始讀取數據。在對接收到的數據完成校驗無誤后，將該數據幀的1394幀頭和幀尾剔除，保留有效數據載荷寫入FIFO。采集卡與載板之間接口十分簡單，每路接口由8根數據線和1根寫使能信號組成，當寫使能信號為低時表明數據或狀態信息有效。

（三）狀態控制單元。采集卡與載板之間有4根狀態位信號，分別是STATE_OE#、STATE0、STATE1和STATE2，STATE_OE#表示狀態有效位，其余三根信號表示各種狀態。采集卡共提供六種狀態標識，通過這樣的方式可以使主機實時獲得采集卡的工作狀態，并對采集到的數據正確性有所判斷。

（四）數據發送單元。數據發送單元主要實現1394b總線上固定幀應答功能。分機之間通過1394b總線傳輸數據時，需要了解掌握采集卡的工作狀態。當采集卡接收到固定幀時，會向發送方返回一個應答包，以表示數據已接收。

五、結束語

本文提出的一種數據采集卡的設計與實現方法。該產品實現了1394接口100Mbps-400Mbps速率下的高速數據采集，通過FPGA+LLC這樣的設計方案，使產品具有較高的可靠性和可維護性，整個設計完全由硬件實現，。在系統綜合時，出色的完成了圖像和視頻的采集工作，滿足了系統的需求。

參考文獻：

[1]張大樸.IEEE 1394協議及接口設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[2]TSB12LV32 Data Manual[Z].Texas Instruments，2001.