基于FPGA的高速圖像數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

李超，呂曉龍

哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

基于FPGA的高速圖像數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

李超，呂曉龍

哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

為滿足高速全景圖像的實(shí)時無損存儲的需求，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)P-GA）的SATA陣列和TF卡陣列嵌入式存儲系統(tǒng)。用2片F(xiàn)PGA作為控制器，分別負(fù)責(zé)全景圖像的采集處理任務(wù)與存儲傳輸任務(wù)，設(shè)計(jì)了8層PCB板級硬件系統(tǒng)并對高速數(shù)字信號線進(jìn)行了細(xì)致的阻抗匹配，并設(shè)計(jì)了支持SD3.0協(xié)議的RTL級控制器。實(shí)際測試TF卡陣列存儲平均速度為227.36 MB／s，峰值速度達(dá)293 MB／s，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速存儲功能。

全景視覺；現(xiàn)場可編程門陣列；TF陣列；SD3.0；高速存儲；阻抗匹配

隨著圖像傳感器制造技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)的分辨率和速度都有大幅提升，因此對圖像的處理能力和存儲能力都提出了越來越高的要求。與PC系統(tǒng)相比，嵌入式的圖像采集、處理和存儲系統(tǒng)具有高速的處理和存儲數(shù)據(jù)的能力，實(shí)時性強(qiáng)并具有大數(shù)據(jù)量、小型化的特點(diǎn)。

全景視覺視野范圍可以達(dá)到180°～360°，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、視覺導(dǎo)航、太空探測、機(jī)器人等領(lǐng)域。由于全景圖像數(shù)據(jù)量大且速度快，很難實(shí)現(xiàn)圖像采集之后的實(shí)時無損存儲，本文針對高速全景圖像采集系統(tǒng)，構(gòu)建基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field－Pro-grammable Gate Array，F(xiàn)PGA）的專用嵌入式高性能圖像實(shí)時存儲系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)的高速、大容量、實(shí)時性的要求。

西安電子科技大學(xué)的NAND Flash存儲陣列容量為800 GB，存儲速度達(dá)到300 MB／s［1］。中科院空間中心以NAND Flash作為存儲介質(zhì)，以四級流水線的方式，最高存儲速率達(dá)500 Mbit／s，存儲容量達(dá)128 Gbit，并可以擴(kuò)展［2］。信億科技的ANS－9012固態(tài)硬盤，采用SDHC卡陣列作為存儲介質(zhì)，平均讀取速度為121.4 MB／s。臺灣友晶公司的DE4開發(fā)平臺，以Altera Stratix IV GX系列的FPGA為主控芯片并配有4路SATA硬盤接口。國內(nèi)自由電子科技代工設(shè)計(jì)的“高速高清DVR板”采用Xlinx的Virtex5系列的FPGA，設(shè)計(jì)了2路高速CameraLink接口，支持DDR2緩存和12路SATA硬盤［3］。

這些開發(fā)平臺覆蓋了圖像采集、傳輸和存儲功能，但造價非常高昂，適用于通用驗(yàn)證平臺，不適合針對性很強(qiáng)的應(yīng)用。對于高速全景圖像而言，采集、處理、存儲的數(shù)據(jù)量大，實(shí)現(xiàn)實(shí)時無損非易失性存儲的難度很大。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都遵循面積和速度的平衡互換原則，本文將數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，把高速的串行數(shù)據(jù)流分流為多路并行處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。本系統(tǒng)采用2片F(xiàn)PGA分別進(jìn)行圖像的采集處理與存儲傳輸。如圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)PGA1選用EP3C80F780，與4片SSRAM和2路CameraLink接口構(gòu)成高速圖像采集處理子系統(tǒng)；FPGA2選用帶有高速串行解串器的EP4CGX110DF31［4－5］，設(shè)計(jì)了4 路SATA接口和8路高速TF卡接口，分別實(shí)現(xiàn)硬盤陣列和TF卡陣列，實(shí)現(xiàn)圖像的存儲功能，USB3.0接口與VGA接口分別實(shí)現(xiàn)傳輸與顯示功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 板級系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 高速接口的布線及阻抗匹配

本文設(shè)計(jì)了8層PCB板級硬件系統(tǒng)，多層PCB不僅擴(kuò)大了布線空間，而且合理的分層設(shè)計(jì)能夠提高電源的純凈度和信號的質(zhì)量，不僅能減少外界環(huán)境的干擾，也能減少PCB對外界的電磁輻射［6］。

SATA和USB3.0差分信號對與TF卡數(shù)據(jù)線都是高速數(shù)字信號，對阻抗匹配和信號走線都有很高的要求，否則會產(chǎn)生振鈴、反射等不良現(xiàn)象。SATA差分信號對必須滿足單端阻抗60Ω（±15%），差分阻抗100Ω （±15%）的要求，USB3.0信號線的阻抗要求為單端阻抗60Ω（±15%），差分阻抗90Ω（±15%）。

借助PCB阻抗設(shè)計(jì)軟件Polar SI9000計(jì)算信號線的參數(shù)，當(dāng)線寬為5 mil，線間距為7 mil，層高為6 mil，信號線厚度為1.4 mil（1 oz）時，單端阻抗為66.4Ω，差分阻抗為107.9Ω，滿足系統(tǒng)要求，其他高速差分信號線的匹配阻抗值如表1所示。

表1 高速差分信號線的匹配阻抗值

2.1.2 PCB板級硬件電路信號完整性分析

利用HyperLynx軟件對關(guān)鍵的高速差分信號與TF卡數(shù)據(jù)信號線進(jìn)行板級信號完整性分析，驗(yàn)證布線合理性，及時修改不滿足要求的信號線，如圖2所示為TF卡數(shù)據(jù)線在不同匹配電阻時的信號圖，圖2（a）的匹配電阻為30Ω，信號有較大的超調(diào)和抖動，把匹配電阻調(diào)為60Ω后，如圖2（b）所示，信號質(zhì)量有了明顯提升。如圖3所示為存儲系統(tǒng)的硬件板級系統(tǒng)。

圖2 TF卡數(shù)據(jù)信號線在不同匹配電阻時的信號

圖3 高速圖像數(shù)據(jù)存儲裝置的硬件板級系統(tǒng)

2.2 SD3.0協(xié)議的RTL級設(shè)計(jì)

支持SD3.0總線協(xié)議［7］的TF卡速度等級為UHS－I，最高讀寫速度達(dá)104 MB／s，TF卡有3種工作模式：非激活模式、卡識別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式。圖4為SD控制器的結(jié)構(gòu)，控制器由命令傳輸模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成，命令和數(shù)據(jù)管理分開控制，便于數(shù)據(jù)控制和調(diào)試。數(shù)據(jù)模塊受命令模塊控制，2個模塊之間進(jìn)行通訊協(xié)作，數(shù)據(jù)模塊根據(jù)命令模塊發(fā)出的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，這樣結(jié)構(gòu)緊湊，控制方便，而且可以減少FPGA的資源消耗。

圖4 SD控制器結(jié)構(gòu)

卡識別模式下的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為：空閑狀態(tài)—準(zhǔn)備狀態(tài)—認(rèn)證狀態(tài)［8－10］。數(shù)據(jù)傳輸模式的工作狀態(tài)為：就緒狀態(tài)—傳輸狀態(tài)—發(fā)送／接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。卡先進(jìn)入就緒狀態(tài)，主機(jī)獲取CSD寄存器信息后，發(fā)送CMD7使要操作的卡進(jìn)入傳輸狀態(tài)，然后主機(jī)發(fā)送ACMD6設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)線的寬度，主機(jī)發(fā)送CMD18，從TF卡讀數(shù)據(jù)，發(fā)送CMD25，對TF卡寫數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)時，采用多塊預(yù)擦除和多塊讀寫操作，在多塊寫操作時，先發(fā)送CMD23設(shè)定要進(jìn)行寫操作的數(shù)據(jù)塊數(shù)，然后發(fā)送ACMD23進(jìn)行多塊預(yù)擦除，最后發(fā)送CMD25進(jìn)行多數(shù)據(jù)塊寫操作。用Verilog HDL語言描述SD主機(jī)控制器，并通過有限狀態(tài)機(jī)（FSM）實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)［11］，如圖5所示為SD主機(jī)的有限狀態(tài)機(jī)。

圖5 SD主機(jī)的有限狀態(tài)機(jī)

3 系統(tǒng)測試分析

本系統(tǒng)使用SanDisk公司的Extreme Pro移動存儲卡進(jìn)行測試，單卡容量為16 GB，速度等級為UHS－I。采用SignalTap II工具對FPGA信號進(jìn)行采樣分析，圖6為采集到的TF卡正確初始化過程。

圖6 SignalTap II采集到的TF卡初始化過程

對系統(tǒng)分別進(jìn)行固定存儲時間和固定存儲數(shù)據(jù)量的存儲測試。固定存儲時間存儲，是向TF卡寫入120 s時長的數(shù)據(jù)，每次讀寫2 048塊數(shù)據(jù)，在不同的工作頻率下，測試TF卡的實(shí)際存儲速度，測量參數(shù)如表2所示，存儲速度與工作頻率之間的關(guān)系如圖7所示。固定存儲數(shù)據(jù)量存儲，是向TF卡寫入1 GB的數(shù)據(jù)，工作頻率為25 MHz時，單次寫入不同的數(shù)據(jù)塊數(shù)，測試TF卡的存儲速度，測量參數(shù)如表3所示，存儲速度與讀寫塊數(shù)之間的關(guān)系如圖8。

表2 固定存儲時間存儲測試參數(shù)（每次讀寫2 048塊數(shù)據(jù)）

圖7 存儲速度與工作頻率之間的關(guān)系

表3 固定存儲數(shù)據(jù)量存儲測試參數(shù)（工作頻率為25 MHz）

圖8 存儲速度與讀寫數(shù)據(jù)塊數(shù)之間的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得，每次讀寫數(shù)據(jù)塊數(shù)固定時，隨著工作頻率增加，實(shí)際傳輸速度逐漸增大，最大平均速度為28.42 MB／s，但傳輸效率卻逐漸降低，最大傳輸效率為91.43%。工作頻率固定時，每次讀寫數(shù)據(jù)在512塊以上時，傳輸效率穩(wěn)定在84%左右，在512塊以下時，隨著數(shù)據(jù)塊的減少，傳輸效率逐漸降低。工作頻率為80 MHz，單次寫入數(shù)據(jù)塊數(shù)為2 048時，平均存儲速度最大為28.42 MB／s，此時小塊數(shù)據(jù)的周期為1 066，峰值速度為36.64 MB／s，傳輸效率為91.6%。在實(shí)驗(yàn)中，只用8路TF卡陣列的2路接口進(jìn)行TF卡陣列并行存儲的驗(yàn)證。在SD3.0協(xié)議中，SDR50、SDR104等高速模式需要1.8 V的信號電壓，而此系統(tǒng)只能提供3.3 V的信號電壓。在3.3 V的信號電壓下，協(xié)議中高速模式的最高工作頻率為50 MHz，理論最高存儲速度為25 MB／s。而本系統(tǒng)的工作時鐘最高為80 MHz，超出額定工作頻率60%，實(shí)際測試本系統(tǒng)的工作時鐘最高為80 MHz，單卡平均速度為28.42 MB／s，峰值速度為36.64 MB／s，雙TF卡陣列的平均速度為56.84 MB／s，峰值速度為73.28 MB／s。若把8片TF卡全部加入到系統(tǒng)中，則平均速度為227.36 MB／s，峰值速度為293 MB／s，滿足高速存儲的要求。

4 結(jié)論

針對高速全景圖像的實(shí)時無損存儲，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的SATA陣列和TF卡陣列嵌入式存儲系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)際測試結(jié)果表明：

1）此雙FPGA系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集處理與存儲傳輸任務(wù)的分離，效率更高。

2）設(shè)計(jì)的8層PCB板級硬件系統(tǒng)，能夠滿足SATA、USB3.0等高速數(shù)字信號的傳輸要求。

3）設(shè)計(jì)的RTL級TF卡控制器支持SD3.0協(xié)議，在3.3 V信號電壓時，單卡存儲的平均速度為28.42 MB／s，峰值速度達(dá)36.64 MB／s。

4）設(shè)計(jì)的TF卡陣列，實(shí)際測試平均速度為227.36 MB／s，峰值速度為293 MB／s。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式TF卡陣列的高速圖像實(shí)時無損存儲功能，可廣泛應(yīng)用于全景視覺、機(jī)器人視覺導(dǎo)航、監(jiān)控等領(lǐng)域，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。

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High-speed image data storage system based on FPGA

LIChao，LYU Xiaolong

College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In order to satisfy the need for the real-time and loss-less storage of a high-speed panoramic image，an embedded image data storage system based on FPGA with SATA array as well as TF card array is designed.The controller consists of two pieces of FPGAs，which and they are in charge of collecting／processing and storing／trans-fermissions of the panoramic image respectively.Further，a hardware system with a PCB board of eight layers is devised，and an impedancematch is performed for the high-speed digital signal lines.Then，an RTL-level control-ler that supportes SD3.0 protocol is projected.Finally，the actual test shows that the average speed of TF cards ar-ray is 227.36 MB／s and the peak speed is up to 293 MB／s，thus a high-speed storage capacity of the data is a-chieved by the developed system.

panoramic vision；field-programmable gate array（FPGA）；TF array；SD3.0；high-speed storage；im-pedancematching

TN911

A

1009-671X（2015）02-44-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201503016

2015-03-19.

日期：2015-04-08.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61175089，61203255）.

.李超（1991-），男，碩士研究生；

呂曉龍（1977－），男，講師.

呂曉龍，E-mail：35122911＠qq.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150408.1448.001.html