基于CPCI_WB总线的多波段红外图像实时传输技术

基于CPCI_WB总线的多波段红外图像实时传输技术 光电技术应用 基于 CPCI2WB 总线的多波段红外图像实时传输技术 徐江丰 , 张 涌 , 汤心溢 , 王世勇 ( 中国科学院上海技术物理研究所 , 上海 200083) 摘 要 : 探讨了一种多波段红外图像实时传输系统的原理 、结构和实现等关键技术 。针对红 ( ) 外成像探测系统的应用要求 ,基于 C PC I 和 WB wi sh bo ne片上总线技术 ,提出了一种新的红外图 像实时传输 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,并在 Vi r t e x ? F P GA 上得到了实现 。该方法解决了系统调试和应用中多波段 红外图像高速传输 、实时显示与处理的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。实验表明 ,该系统工作可靠 ,应用方便 ,满足了总体指 标要求 。 ( ) 关键词 : CPCI ; WB wi sh bo ne; 多波段 ; 红外图像 ; 实时传输 () 中图分类号 : TN219 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 200605 - 0649 - 04Multichannel IR Image Real2time Transmission Technology Ba sed on CPCI2WB Bus XU J ia ng2f e ng , Z HA N G Yo ng , TA N G Xi n2yi , WA N G Shi2yo ng ( Shangha i Institute of Technical Physics , Chinese Academy of Sciences , Shangha i 200083 , CHN) Abstract : The p ri ncip le , a rc hit ect ure a nd i mp le me nt atio n t ech nolo gie s of a multic ha nnel i nf ra red i ma ge real2ti me t ra n smi ssio n syst e m ha ve bee n di sc u sse d. Ai mi ng at t he app licatio n require me nt of i nf ra red i ma gi ng det ecti ng syst e m , a new met ho d fo r i nf ra re d i ma ge real2ti me ( ) t ra n smi ssio n ha s bee n p ropo sed ba se d o n CPCI a nd wi sh bo ne b u s WB, w hich i s realized o n t he Vi r t e x ? F P GA . So me p ro ble ms a bo ut sy st e m de buggi ng a nd app licatio n , i ncl udi ng t he hi gh2 sp eed t ra n smi ssio n of multicha nnel i nf ra re d i ma ge , real2ti me di sp lay a nd p roce ssi ng , a re sol ved. The e xp eri me nt al re sult s sho w t hat t he syst e m ca n wo r k ea sil y a nd relia bl y , a nd at t ai n to t he de ma nd of high p e rfo r ma nce syst e m. Key words : C PC I ; wi sh bo ne ; multicha nnel ; i nf ra red i ma ge ; real2ti me t ra n smi ssio n 为研究者所瞩目的热点问题 。而在多波段红外系统 1 引言 ,无论是数据的融合处理还是红外图像的 的研制中 随着红外探测技术的飞速发展 ,红外探测系统 记录存盘 ,同样面临着红外图像高速传输问题 。因 此红外图像的高速采集 、实时传输和显示显得尤为 的研究和应用越来越广泛 。红外探测系统通过摄取 重要 。红外图像数据采集传输是红外信息获取与处 ,将其转换为电信号输出 ,形成红外 目标的红外辐射 理系统的重要部分 ,也是系统最关键的硬件平台之 一 ,它的性能直接决定了系统的性能 。本文研究了 图像 ,实现目标的探测 。在红外探测系统的研制过 高速高可靠 C PC I 总线和 Wi sh bo ne 片上总线技术 , 程中 ,由于红外图像处在人眼不可见的波段 ,而系统 提出并实现了一种新的完善的红外图像高速传输方 设计者往往需要直观观察目标的温度场分布 ,或当 案 ,应用于实际红外探测系统中 ,取得良好的效果 。 调试出现问题时仔细分析故障帧的图像数据 ,从而 迫切需要红外图像实时可靠传输到主机中以供分析 研究 。另一方面 ,多波段的数据融合能大大提高系 2 C PC I 与 Wi s h bo ne 总线技术 统的探测能力 ,降低虚警率 ,使得多波段红外探测成 ( ) CPC I Co mp act PC I是当今第一个采用无源总 收稿日期 :2006 - 01 - 17 . 线底板结构的 PC I 系统 ,是基于 PC I 电气 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 开发 , 波和短波波段的红外探测器 。进一步增强通用性 [ 1 ] 的高性能工业计算机总线 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。在逻辑和软件功 接口可与不同的线列和面阵探测器连接 。系统结构 如图 1 所示 。 能方面 , C PC I 与 PC I 完 全 兼 容 。总 体 来 说 , CPCI 总线是 PC I 总线的电气规范和标准针孔连接器以 及欧洲卡规范三者的结晶 。CPCI 总线具有兼容标 准的 PCI 、遵从坚固流畅的欧式卡封装标准 、支持热 插拔 、高速数据传输 、高可靠性等特点 ,在工控 、军工 和电信等领域获得广泛的应用 。 Wi sh bo ne 总线是 SO C 系统集成中最有影响力 [ 2 ] 的三种片上总线标准之一。Wi sh bo ne 总线已经 图 1 多波段红外图像实时传输系统结构 被全球最大的开放 IP 组织 Op e nco re s 列为主要支 持的 SO C 内 部 互连 总线 协 议 。遵 循 Wi sh bo ne 总 图 1 中 ,解串器对串行数据进行解码 ,转换成片 线协 议 的 IP 核 可 以 很 快 有 效 地 集 成 到 SO C 中 。 内逻辑使用的并行数据 、帧同步信号以及时钟信号 。 Wi sh bo ne 总线最大的特点是结构简单 、灵活 ,实现 当 F P GA 传输图像数据到主机时 , WB 总线传输模 需要很 少 的 逻 辑 门 ; 同 时 完 全 免 费 、完 全 公 开 。 块作为 Wi sh bo ne 总 线 的 主 设 备 传 输 数 据 给 PC I2Wi sh bo ne 规 范 支 持 完 整 的 数 据 传 输 协 议 。在 WB 桥 ,而 PC I2WB 桥又 作为 C PC I 总线 的 主设 备 Wi sh bo ne 总线 规范 中 , 使 用 Ma st e r/ Sla ve 结 构 实 传输图像 数据 到 主机 内 存 中 。当 主 机 访 问 F P GA 现非常灵活的系统设计 。Ma st er 和 Slave 采用四种 时 , PC I2WB 桥作为 C PC I 总线的从设备接收主机的 互连方式 :点对点 、数据流 、共享总线和交叉互连 。 命令 ,同样 , WB 总线传输模块作为 Wi sh bo ne 总线 C PC I 总线能适应苛刻的环境要求 ,其抗振抗干 的从设备接收 PC I2WB 桥转发的主机命令 。这种主 扰等高可靠性架构为实现高性能的红外探测系统提 从接口的双向数据传输结构使得主机和 F P GA 板 供 了 可 能 , 而 且 CPC I 总 线 最 高 带 宽 可 达 528 之间的通信非常灵活 ,主机可以方便地控制 F P GA MB yt e/ s ,能满 足 我 们 红 外 图 像 实 时 传 输 的 要 求 。 的图像传输和停止 ,实现高的传输效率 。WB 总线 同时为了适应系统的小型化 、集成化要求以及提高 传输模块每传完一帧相应通道的图像数据后就发中 灵活性 ,选择高性能 F P GA 作为总线传输 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 实现 断给主机 ,主机接受到中断后 ,即可读取内存中的数 的平台 。本 文 应 用 PC I2Wi sh bo ne 总 线 的 桥 核 , 把 据进行显示或者后续处理 。主机内存规划成乒乓缓 对 PC I 总线操作转换为对 Wi sh bo ne 总线的操作 , 存的形式 ,这有利于主机处理和 F P GA 高速传输同 发挥 Wi sh bo ne 总线简单灵活的设计优点 , 既有利 时进行 。于 IP 核的系统集成 , 也对研究 F P GA 平台上高速 3 . 2 PCI2WB 桥总线互连以适应图像实时传输有重要的意义 。 PCI2WB 桥提供了 Wi sh bo ne 片上总线和 PCI [ 3 ] 3 多波段红外图像实时传输系统 逻辑总线的接口。PC I2WB 桥由两个相对独立的 : PC I 目标单元和 Wi sh bo ne 从单元 。 单元模块组成 3 . 1 系统结构 每个单元都设计有自己的一套 完整 的功 能 来支 持 系统硬件体系采用模块化与开放式的主从式结 Wi sh bo ne 和 PCI 总线之间的数据交换 。Wi sh bo ne ) ( 构 。HO S T 主机采 用 坚 固 高 集 成 度 的 工 业 计 算 从单元作为 PC I2WB 桥中 Wi sh bo ne 侧的从 设备 , 同时作为 PC I 侧的主设备启动交易 ; PC I 目标单元 ) ( 机 , SL A V E 从 机 为 设 计 的 高 性 能 单 F P GA 板 , 作为 PCI2WB 桥 中 PC I 侧 的 目 标 设 备 , 同 时 作 为 F P GA 采 用 xili nx 公 司 资 源 丰 富 、运 行 速 度 快 的 Wi sh bo ne 侧的主设备启动交易 。PC I 目标单元实 ( ) Vir t e x2 ?XC2V1000 芯 片 。主 从 机 通 过 高 速 现了 PC I 总线的从设备接口和 Wi sh bo ne 总线的主 C PC I 总线交换数据 。F P GA 板与红外探测器的接 设备接口 ;而 Wi sh bo ne 从单元实现了 Wi sh bo ne 总 口使用 L VD S 差分串行传输 , 提高了 抗 干扰 能力 , 线的从接口和 PC I 总线的主设备接口 。 ) ) (( 信号线也减少为 SCL K 时钟和 SDA 数据,同时 图 2 所示为 PC I2WB 桥的内部结构 。 设计成相对独立的 A 、B 、C 三个通道以对应长波 、中 XC2V1000 芯 片 内 嵌 720 k bit 的 Block RA M , 可以有效地组织成多个异步 F IFO 以实现数据流的 平滑 。F P GA 与主机进行双向数据交换 ,其软件模 块如图 4 所示 。 图 2 PCI2WB 桥内部结构 PC I2WB 桥主 要特 点为 : 32 位 PCI 总线 接口 , () 完全兼容 PC I2 . 2 协议 支持 66 M Hz 规范;独立的 主桥和从桥功能模块 ; 支持 Wi sh bo ne SO C 互连协 () 议 B 版本 包括 B1 和 B3;可配置片上 F IFO 。PCI2 WB 桥为 PC I 和 Wi sh bo ne 总线之间的数据交换提 供了极大的设计灵活性 。 3 . 3 设计实现 图 4 F P GA 软件框图 为了提高数据传输效率 , F P GA 与红外探测器 的串行接口采用时钟双沿传输方式 。SCL K 时钟频 WB 从接口实现主机对 F P GA 的控制 , WB 主 率为 64 M Hz 。每个通道的数据率为 128 M bp s 。在 接口实现 F P GA 对主机内存的数据传输 。乒乓地 ( 解串器中 , SCL K 首先通过 F P GA 中的 DCM 数字 址 、模式选择 、乒乓标志和中断控制等多组寄存器方 ) 时钟管理模块 2 倍频 ,再相移 180后?采样 SDA 上 便主机控制图像传输过程 。仿真数据控制模块可以数据 。由帧同步检测逻辑来提取帧同步信号 ,同时 在不接真实红外探测器时产生预知的高速数据流以 产生并行数据和并行时钟 。解串器的模块图如图 3 验证系统工作正常和测试数据传输率 。输入控制模 () ( ) a所示 ,其转换后时序如图 3 b所示 。头部探测 ( 块把串并变换的数据 格式 14 b 或者 16 b , 由头部 器与 F P GA 的 接 口 连 接 非 常 方 便 , 可 以 进 行 热 插 ) 探测器决定拼接成 32 b 以提高传输效率 , 并且产 拔 。这是为了便于实验中经常需要换用不同的头部 生递增的线形地址和对应数据一起送入 64 b 宽的 探测器进行系统调试和故障诊断 。主机通过复位逻 F IFO 中 。DMA 传输状态机实现 Wi sh bo ne 总线协 辑来复位解串器重新控制时序的同步 。 ) ( 议以控制复杂的 B ur st 突发数据传 输 。B ur st 传 输是 PC I 总线和 Wi sh bo ne 总线最有效的数据传输 方式 。本文的突发传输策略为 : 当多通道同时传输 时 ,由 DMA 传输状态机根据 F IFO 的空满状态轮 流分配一个 B ur st 周期给三通道以实现并行传输 。 ( 主机可以通过寄存器来设置 B ur st 长度 如 16 、32 ) 或者 64 个双字等。由于 DMA 传输状态机实际上 通过 Wi sh bo ne 和 PC I 总线对主机内存进行直接操 作 ,同时在 B ur st 传输中要实现复杂的出错重试等 协议 ,因此 DM A 传输状态机的编写和调试非常重 要 ,不完善的状态机很容易导致主机死机 、数据传输 中止等等不可预料的结果 。详细的讨论由于涉及到 内存机制 、主机驱动等等过于繁琐的技术细节 ,这里 本文不做赘述 。 图 3 解串器的模块图及其转换后的时序图 系统工作过程为 : 主机程序申请到内存中一段 ( ) 连续缓冲区后分成 6 部分 每部分大小为一帧,首 地址分别为 A _ pi ng , A _ po ng ,B _ pi ng ,B _ po ng , C_ pi ng ,C_po ng ; 然后主机把首 地 址写 入相 应通 道 的 ( 乒乓地址寄存器 ,选择单通道模式 只传输 A 、B 或 ) ( 者 C 通道,或者多通道模式 两两或三通道同时传 ) 输。初始化完成后主机发命令以表示传输开始或 者在传输中控制 F P GA 停止传输 。主机接受到中 断后 ,判断是哪一路数据完成 。由于 Wi ndo w s 操作 系统的非实时性 ,当硬件提交的中断相隔很近时 ,主 图 6 中 、长波面阵探测器获取的红外图像 机应用程序可能只接受到一次事件 ,这时主机可以 通过读取中断控制寄存器来获得中断的详细信息 。 5 结语 主机清除中断标志后 ,再读取相应通道的乒乓标志 随着红外探测器分辨率的提高 ,对数据处理和 寄存器以确定当前哪个缓存区图像数据有效 。通过 这样的乒乓机制 ,可以大大提高数据传输效率 。双 传输速率的要求日渐苛刻 ,红外图像的高速实时传 向数据传 输遵 循 PCI 总 线 协 议 , Wi sh bo ne 总 线 协 输在系统设计和调试中作用越来越明显 。本文对红 议和自行制定的主机与 F P GA 通信协议 。外成像探测系统多波段实时传输技术进行了深入研 究 ,基于 C PC I 和 Wi sh bo ne 总线技术设计了多波段4 实验结果 红外图像高速传输系统 ,方案设计合理 。系统构成 () () 多波段红外图像实时传输系统在仿真数据流测 主要特点为 : 1多波段红外图像高速传输 ; 2乒乓 ( ) 缓存机 制 实 现 连 续 数 据 传 输 和 处 理 ; 3 C PC I 和 ( 试下 ,与主机的传输速度达到了 99 MB yt e/ s 三通 ( ) Wi sh bo ne 总线技术 ,高可靠性 ; 4系统小型化 ,与 ) 道。与红外探测器相连 ,多次外场实验 ,效果良好 , 探测器连接灵活方便 。实验表明 ,该多波段红外图 系统运行正常 。目前已经应用于红外探测系统工程 像实时传输系统运行可靠 ,满足了总体指标要求 ,成 项目中 。图 5 为采用 288 元长波线列探测器 360全? 功应用于红外探测系统中 ,软硬件体系结构有很强 方 位 扫 描 中 获 取 的 红 外 实 景 图 像 。图 6 为 采 用 的工程应用价值 。 320 ×256 元中长波面阵探测器同时传输的实际结 果 ,长波视场 6?×8,?中波视场 3×?4,?帧频均为 85 :参考文献 帧每秒 。 [ 1 ] Sha nley T , A nder so n D. PCI 系统结构 [ M ] . 第四版 . 刘 晖 ,冀 然 然 , 夏 意 军 译 . 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 2000 . W IS HBON E So C A rchitect ure Specificatio n , Revi sio n [ 2 ] B . 1 [ EB/ OL ] . ht tp :/ / www . silico re . net . PC I IP Co re Specificatio n , Revi sio n 1 . 2 [ EB/ OL ] . [ 3 ] ht tp :/ / www . openco re s. o r g. 图 5 长波线列获取红外图像 作者简介 : () 徐江丰 1979 - ,男 , 2002 年 毕 业 于 武 汉 大 学 电子信息学院 ,现为博士生 ,研究方向为红外信号与 信息处理 。 E2ma il : xjf neivi m @so h u . co m () a长波