基于PCIe的高速图像采集处理关键技术研究

【摘要】成像技术是伴随计算机和集成电路等技术的革新而不断发展的。成像设备的发展主要体现在分辨率和帧频的提高以及成像质量的提高上。这些成像设备往往需要利用专用的图像采集设备将图像传输到计算机，这就要求采集设备的传输带宽能够满足越来越高的图像数据速率传输需求。由于受到PCI等接口的最大传输速率的限制，传统的基于PCI等接口的图像采集设备越来越难以满足需求。PCIe作为PCI接口的继任者，具有传输速率高、端到端连接、兼容PCI软件层等优点，可以满足当前高数据速率图像的采集传输需求，同时PCIe也在不断开发新的协议版本为将来更高的传输速率提供可能。针对高速图像采集处理的需求，本文着重研究了基于PCIe接口的高速高速图像采集处理的一些关键技术。这些关键技术包括PCIe总线接口设计、DMA传输设计、windows驱动设计、多设备实时访问DDR3控制等。首先，利用FPGA内嵌PCIe硬核实现PCIe协议基础，并设计针对图像传输的DMA传输引擎实现总线管理型DMA（BMD）功能，实现了高速图像采集到计算机和计算机将高速图像传输到板卡的双向功能，既可以满足图像采集的需求同时可以作为图像输出的平台，实测PCIeGen2x4模式下的峰值传输速率为1500MB/s，接近理论带宽。其次，设计多个设备同时访问高速DDR3SDRAM缓存的仲裁机制与FPGA存储控制软核IP相结合，实现了高数据速率实时多设备访问的SDRAM控制器。该控制器的实现过程中充分考虑了高速图像的特点，利用小时间片切换的方法保证多个设备实时地访问DDR3SDRAM。采用仲裁以及优先级的方式保证各个设备访问的有序高效。实测DDR3有效带宽利用率约为60%。再次，设计PCIeDMA传输功能的驱动结构，利用Windriver开发工具实现图像DMA传输功能的windows驱动，同时Windriver的特点决定该驱动可以在其他系统使用。利用MFC设计图像采集、传输的上位机图形界面，实现上位机控制的图像采集、处理和输出功能。最后，设计基于Virtex-6FPGA和TMS320C6455DSP的具有图像采集、处理、输出功能的电路板，实现上述功能模块。并实现在FPGA中将上述设计与CameraLink接口、DVI接口和图像处理算法实现逻辑连接，实现完整的图像采集、处理、输出功能。系统基于单片FPGA实现所有设计，并且预留丰富扩展接口，所以具有体积小、便于升级、可靠性高、扩展性好等优点。
【作者】樊博；
【导师】王延杰；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，机械工程，2013，硕士
【关键词】PCIe；FPGA；DDR3；高速图像；采集；处理；

【参考文献】
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