浅谈LVDS和PCI接口的高速图像传输系统设计

浅谈LVDS和PCI接口的高速图像传输系统设计

结合LVDS接口与PCI总线能够满足高速传输的特性，本文主要从系统总体设计、硬件设计和逻辑设计等方面介绍一种基于LVDS和PCI接口的高速图像传输系统。

1 系统总体设计

2 硬件设计

2.1 LVDS收发单元

在数据传输过程中，串化器将接收到的10 bit电平数据进行并/串转换，然后将内嵌有时钟信息的串行数据发送到差分端口经由屏蔽双绞线输出；在接收端，解串器在REFCLK时钟下将接收到的串行数进行串/并转换并存入锁存器中，根据重建的同步时钟信号RCLK将10 bit并行数据输出，从而完成整个传输过程。设计中采用内嵌时钟恢复技术进行数据处理，有效地解决了由于时钟与数据同步不严格而引起的制约其性能的一系列问题。

2.2 PCI接口单元

本设计采用PCI接口单元实现底层电路与上位机之间的数据传输。上位机通过PCI接口单元实现指令下发和数据上传，并完成数据处理和显示功能。PCI（Peripheral Component Interconnect）总线规范是一种高性能32/64 bit地址数据复用的高速外围设备接口标准［5］。该总线具有众多优点，当采用33 MHz时钟，32 bit数据总线最大传输速率可达132 MB/s，当扩展到64 bit数据总线后，其数据吞吐量可达264 MB/s的峰值。

如果换用66 MHz时钟，数据传输速率理论峰值高达528 MB/s［6］。考虑到PCI协议复杂性较高，如果直接使用FPGA对其进行设计难度较大，因此采用PLX公司的PCI总线通用接口芯片PCI9054作为PCI总线与本地总线的桥接芯片，其控制方便、成本低廉、通用性强。PCI接口电路如图3所示。

3 系统逻辑设计

3.1 FPGA逻辑程序

设计中，FPGA采用Xilinx公司的SPARTAN系列芯片，该芯片具有很高的逻辑资源，易于配置。系统发送端的FPGA逻辑控制模块主要完成高速数据的接收缓存以及LVDS接口的时序控制。为了提高传输速度，避免数据流不连续，系统采用“乒乓操作”，交替对两片SRAM进行读/写。当FPGA接收到数据时，首先对SRAM 1进行写操作，接着将下一帧图像写入SRAM 2；

同时对SRAM 1进行读操作，并将读出的数据转发到LVDS发送模块。系统在对一片SRAM进行写操作的同时，可以对另一片SRAM进行读操作，如此交替读/写有效地节省了等待时间，从而提高了数据的传输速度，实现数据的无缝缓冲与处理。“乒乓操作”控制时序流程如图6所示。

3.2 固件配置

4 测试结果

为了验证本系统图像数据处理与高速传输的可靠性，对其整体进行了功能测试。图像信息源采用大小为720×480的黑灰规律变化的图像，将二进制数据还原成图片之后通过肉眼观察并进行软件分析来判断是否发生错误。

图7是接收到的一帧数据还原出的图像，图像清晰明了，没有明显的异常现象。图8是测试系统功能时计算机记录的一段数据，虚框内的“42 4D”为帧头，“36 D2 0F 00”为一帧图像的数据大小，“D0 02 00 00”和“E0 01 00 00”分别表示图像的宽度与高度，随后是图像数据区域（“00”代表黑色，“C8”代表灰色）。经过软件对比分析，接收到的数据准确无误码，所以该系统可以实现设计功能并具有较高的稳定性。

本文充分利用了LVDS技术的传输特点与应用优势，结合“乒乓”读写操作和PCI总线传输技术设计了一种基于LVDS和PCI接口的高速图像传输系统，并通过实验验证了该系统的可靠性和准确性。该系统可以应用到工业数据采集、测试等领域，具有较高的可靠性。

参考文献

［1］ 陈伟，宋燕星。基于LVDS技术的高速数图像传输系统［J］。电子测量技术，2008，31（11）：172-174.

［2］ 彭乡琳.LVDS在长距离信号传输中的应用［J］。兵工自动化，2006，25（7）：60-61.

［3］ 邓凤军，张龙，王益忠。基于PCI总线的HDLC通信卡的设计与实现［J］。电子技术应用，2012，38（8）：30-36.

［5］ 安冬冬，刘文怡，郅银周。基于PCI9054从模式的数据采集卡设计与应用［J］。计算机测量与控制，2010，18（10）：2439-2440.

［6］ 叶勇，沈三民，郭铮，等。基于PCI总线的高速串口通信卡的设计［J］。电视技术，2013，37（3）：82-85.

［7］ PLX Technology.PCI 9054 data book version 2.1［Z］.2000.

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