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高速視頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：針對(duì)1000幀/秒高速攝影傳輸系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出速率600MBps的長(zhǎng)距離傳輸難題，提出了采用CIMT編碼方式的光纖數(shù)字化傳輸設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)主要包括數(shù)字信號(hào)的多路復(fù)用、解復(fù)用以及PCI數(shù)據(jù)傳輸卡三部分。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)原理及硬軟件實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩路高速視頻數(shù)字化依賴的15公里遠(yuǎn)距離傳輸和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。關(guān)鍵詞：光纖傳輸 復(fù)用 解復(fù)用 PCI
高幀頻的視頻信號(hào)不同于普通視頻信號(hào)，如果采用模擬信號(hào)方式傳輸，它的模擬帶寬達(dá)到了幾十兆甚至一兩百兆，這樣很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。而光纖傳輸容量大、質(zhì)量高和不易受干擾等特點(diǎn)，在高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)普通視頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)已相當(dāng)多，而對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的高幀頻視頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)少有報(bào)道，特別是兩路或多路高幀頻視頻的單根光纖傳輸實(shí)現(xiàn)則未見報(bào)道。
在本文中需要實(shí)現(xiàn)兩路256×256像素每秒1000幀高速視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)于高幀頻攝像機(jī)，由于它幀頻很高，通常采用多路并行的信號(hào)輸出方式降低數(shù)據(jù)率，最后通過復(fù)用合成為視頻信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，文中提出采用數(shù)字光纖的復(fù)用、解復(fù)用和計(jì)算機(jī)PCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路高幀頻視頻設(shè)備產(chǎn)生的15MBps×40路數(shù)字信號(hào)的傳輸與視頻信號(hào)的合成及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
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1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)
高速視頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)主要包括復(fù)用、光發(fā)射、光接收、解復(fù)用、控制電路和PCI傳輸接口等部分。圖1為系統(tǒng)光發(fā)射部分工作原理圖。
從高速視頻采集獲得的40路15MBps的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過XC9572內(nèi)的2：1復(fù)用，形成20路30MBps的二級(jí)復(fù)用數(shù)據(jù)提供給HDMP-1022，由其完成信道編碼、轉(zhuǎn)換成600MBps的PECL串行數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)光發(fā)射模塊，完成數(shù)據(jù)的光纖發(fā)射。圖2為光接收部分原理圖。
解復(fù)用芯片HDMP-1024從光纖接收模塊接收到的600MBpsPECL數(shù)據(jù)中提取出20路的并行數(shù)據(jù)和30MHz的時(shí)鐘信號(hào)，再由XC9572完成二級(jí)解復(fù)用，同時(shí)也為FIFO及PLX9052組成的PCI傳輸卡提供時(shí)序信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過PCI總線獲得實(shí)時(shí)高速視頻采集數(shù)據(jù)，并予以顯示和處理。
2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括光纖傳輸單元、PCI傳輸單元和控制單元三部分。
2．1 數(shù)字光纖傳輸單元設(shè)計(jì)
數(shù)字光纖傳輸單元主要完成串并行數(shù)據(jù)的復(fù)用與解復(fù)用功能。設(shè)計(jì)中采取數(shù)據(jù)通信中的CIMT(Conditional-Invert Master Transition)信道編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。圖3顯示CIMT碼的格式。
CIMT碼有三種幀形式：數(shù)據(jù)幀、控制幀和填充幀。數(shù)據(jù)幀和控制幀的格式如圖3(a)所示，可以發(fā)送任意需要傳送的數(shù)據(jù)和控制信息，每一幀都以C-Field(Coding Field)開始，其后接著D-Field(Data Field)。其中D-Field組成的數(shù)據(jù)位可以是十六位或二十位，本系統(tǒng)采用二十位數(shù)據(jù)；控制位(C-Field)由四位數(shù)據(jù)碼組成，接收端可以此提取并鎖定數(shù)據(jù)的類型與狀態(tài)。填充幀是在發(fā)射端沒有數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)以及發(fā)射端和接收端建立連接時(shí)產(chǎn)生。在三種幀的主瞬變點(diǎn)處是接收端恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)的參考點(diǎn)。本系統(tǒng)中選用Aglient公司的HDMP-1022和HDMP-1024作為CIMT碼的復(fù)用與解復(fù)用主要芯片，HFCT-5208作為光發(fā)射和光接收器來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖傳輸設(shè)計(jì)。
在光發(fā)射端設(shè)計(jì)中采用HDMP-1022的Double-Frame模式實(shí)現(xiàn)40路數(shù)據(jù)的傳輸，通過二級(jí)復(fù)用擴(kuò)展其并行數(shù)據(jù)的容量為40路。數(shù)據(jù)在同一時(shí)鐘控制下同時(shí)被復(fù)用成一路的高速信號(hào)，同時(shí)生成另一路按位取反的信號(hào)，最后通過其CIMT編碼器輸出推動(dòng)光發(fā)射器。圖4為以Double-Frame方式復(fù)用發(fā)射的時(shí)序圖。其中CLOCK(15MHz)是單路數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘，F(xiàn)LAG表示奇偶場(chǎng)，CAV和DAV表示數(shù)據(jù)幀和控制幀的控制位，C0~C39表示輸入的40路信號(hào)，D0~D19是CIMT碼的D-Field數(shù)據(jù)，STR-BOUT(30MHz)為芯片鎖相后的倍頻時(shí)鐘。
在光接收端部分光接收器將獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚匐娦盘?hào)并發(fā)送給HDMP-1024，由它解復(fù)用后提取參考時(shí)鐘信號(hào)STRBOUT(30MHz)、數(shù)據(jù)信號(hào)C0~C39，以及其他的狀態(tài)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘RCLK(15MHz)。圖5為Double-Frame光接收端時(shí)序圖。
圖3
2．2 PCI傳輸單元設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)高速視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄，設(shè)計(jì)中利用了PCI總線技術(shù)，PCI控制芯片采用PLX9052，它與FIFO相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率120MBps數(shù)字量輸入。
PLX9052符合PCI2．1規(guī)范，支持低成本從屬適配器。內(nèi)部包括一個(gè)64字節(jié)的寫FIFO和一個(gè)32字節(jié)的讀FIFO，通過讀寫FIFOs，可實(shí)現(xiàn)高性能的突發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸；其局部總線與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立，局部總線的時(shí)鐘頻率范圍為0~40MHz，PCI的時(shí)鐘頻率范圍為0~33MHz；可以通過串行EEPROM提供PCI總線和局部總線的部分重要配置信息。PLX9052支持突發(fā)式內(nèi)存映射傳輸和單周期的內(nèi)存或I／O映射傳輸，利用32字節(jié)的直接從設(shè)備讀FIFO和64字節(jié)的直接從設(shè)備寫FIFO，映射在PCI內(nèi)存和I／O空間中的地址由PCI基址寄存器設(shè)置。而且，局部映射寄存器允許將PCI地址空間轉(zhuǎn)換為局部地址空間。圖6是PLX9052與FIFO相互連接的電路圖，F(xiàn)IFO采用IDT公司的IDT72205。
2．3 控制單元設(shè)計(jì)
整個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序控制單元均由CPLD完成，在光發(fā)射端主要提供40路信號(hào)的2：1復(fù)用、數(shù)據(jù)的鎖存及系統(tǒng)工作的時(shí)序信號(hào)；在光接收端主要為解復(fù)用、FWO和PLX9052提供相應(yīng)的時(shí)序邏輯。本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的XC9572作為控制單元的核心芯片，結(jié)合它的在線編程功能，完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序調(diào)試與設(shè)計(jì)。
結(jié)合Verilog語言與原理圖(sch)方法，較好地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)時(shí)序的設(shè)計(jì)。以下是40路數(shù)字信號(hào)8：1復(fù)用Verilog語言設(shè)計(jì)代碼。
3 軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)軟件主要包括PCI傳輸單元的驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。 Windows下的PCI驅(qū)動(dòng)程序不僅僅包括物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，也包括為文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備編寫的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在設(shè)計(jì)中主要針對(duì)Windows2000下PCI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。由于Windows 2000禁止用戶模式的程序訪問I／O端口(Windows 95／98則允許用戶程序直接訪問I／O端口)，直接控制物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序均為內(nèi)核模式。而本設(shè)計(jì)的PCI驅(qū)動(dòng)程序要求對(duì)各種硬件資源訪問，所以應(yīng)該選擇工作在零級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序模式。
開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用的主要開發(fā)工具是JUNGO公司提供的軟件包Windriver。這個(gè)軟件包提供開發(fā)PLX9052有關(guān)設(shè)備的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和程序范例。利用其內(nèi)部定義的可以調(diào)用的系統(tǒng)底層服務(wù)，如DMA服務(wù)、中斷服務(wù)、內(nèi)存管理服務(wù)、可安裝文件系統(tǒng)服務(wù)等，結(jié)合VC++完成整個(gè)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：
(1)PCI設(shè)備初始化
PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序首先實(shí)現(xiàn)識(shí)別PLX9052器件、尋址PLX9052器件的資源和對(duì)PLX9052器件中斷的服務(wù)。主要調(diào)用Windirver軟件包內(nèi)以下函數(shù)：
WD_Open(hWD)；
PCI_Get_WD_handle(&hWD)；
PLX_LocateAndOpenBoard(0x10b5，0x9052，UseInt)；
(2)PCI端口地址操作
PCI總線是32位的總線標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行I／O操作時(shí)通常要進(jìn)行雙字(DWORD)操作，而在Windows 2000下，系統(tǒng)不允許處于優(yōu)先級(jí)3的用戶程序和用戶模式驅(qū)動(dòng)程序直接使用I／O指令。任何對(duì)I／O的操作都需要借助內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)來完成。筆者主要調(diào)用Windirver軟件包內(nèi)兩個(gè)函數(shù)來完成。
（3）內(nèi)存的讀寫
PLX9052與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信主要采取DMA方式，在Windriver中提供了相應(yīng)內(nèi)存讀取兩個(gè)函數(shù)，通過對(duì)它的調(diào)用可實(shí)現(xiàn)PLX9052與計(jì)算機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。
整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序研制都基于微軟公司的VC++開發(fā)設(shè)計(jì)，可用于Windows 2000操作系統(tǒng)下。
整個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)利用復(fù)用、解復(fù)用，結(jié)合PCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速視頻數(shù)字化信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸及控制、實(shí)時(shí)顯示等功能，傳輸距離15km，可記錄數(shù)據(jù)量為128K字節(jié)。目前已將設(shè)計(jì)用到相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目中，并將進(jìn)一步改進(jìn)擴(kuò)大數(shù)據(jù)的容量及穩(wěn)定性。
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