基于PCI ExPress实时视频采集系统的设计

3．5 时钟

本设计需要4个时钟信号，其中视频解码信号的时钟要求最高，时钟精度必须在±50 ppm以内，其次为PCI Express总线工作的时钟频率。在FPGA内对时钟信号进行了DCM和PLL处理，完成了对时钟信号的去歪斜、相移和频率合成等功能。

3．6 Flash和DDRSDRAM

为使设计具有灵活性、扩展性和升级性，预留了Flash和SDRAM来存储程序和运行程序，满足智能性和易于以太网远程控制等要求。

3．7 以太网接口电路

通过FPGA+PHY+变压器组成以太网接口电路，可以用此接口加载程序，也可用此接口和互联网连接。利用XILINX公司的FPGA开发软件ISE，通过FPGA内IP核按照TriMode Ethemet MAC进行。

3．8 DMA传输

本设计采用DMA方式进行数据内部传输。数字视频信号经并行总线传入FPGA内，通过FIFO进行数据缓存，经DMA方式，通过PCI Express传给计算机。

3．9 FPGA配置方案

Virtex-5的配置方案采用System ACE(System Advandced Configuration Eviroment)中的System ACE CF(CompactFlash)。System ACE使用CF存储卡保存数据，通过System ACE控制器把数据配置到FPGA中。System ACE CF使用容量为1 GB的CompaetFlash卡，System ACE CF是预制的配置方案，不需编写任何程序，只需简单的调试即可。此方案把旧的、用于调试的版本和新版本都装入到同一块CF卡中，缩短了研发周期，便于维修排故，同时把应用软件、产品附带的说明书等保存到此CF卡中，系统升级可更换CF卡、在系统编程和通过Intemet进行远程升级。

3．10 电源的设计

板上需要电源有+3．3、+2．5、+1．8和+1．2 V共5种。其中+3．3 V电源为外部输入，约20 W；+1．8 V提供给FPGA和ADV7188的二次电源，其他为提供给FPGA的二次电源。+3．3V电源为电源层，提供给FPGA的+2．5V、+1．8 V和+1．2V为电源层分割。提供给ADV7188的+1．8V电源电流按照0．5A设计，实际典型值为100 mA。去耦电容和对应的元器件同层放置，减少过孔的影响。

3．11 PCB设计

PCB布线遵循信号完整性的设计要求。PCB共10层，首先设计电源层和地层，其中电源层2层，地平面4层，对称分布。除以太网变压器外其他所有工作电源的地为一个地，保证地平面的完整性。

由于PCI Express总线为2.5Gb/s，对Virtex-5引脚分配时，使PCI Express的引脚在其内的布线尽可能的短。在PCB的布局时使Virtex-5靠近PCI Express总线接口的电连接器，差分线对的实际长度不大于30 mm。PCB布线时要严格控制差分线对的长度差，为了避免信号往返的延迟不超过其上升时间，导致过冲和振铃发生，PCB布线根据PCI Express信号的特性，定义差分对长度差不超过1 mm，实际布线结果不超过0．2 mm。PCB上的差分阻抗为(100±10)Ω，符合PCIExpress规范单端阻抗为(50±10)Ω的要求。

3．12 操作系统

本设计中的FPGA具有PPC440核，采用实时多任务操作系统(Vxworks)，根据实际使用要求，从Vxworks系统内核(wind)的任务管理、通信机制、系统配置、系统接口几个方面进行设计，保证系统的安全性和可靠性。本设计已具备成熟的Vxworks操作系统。

3．13 FPGA的调试

FPGA的开发包括过程管理与设计输入、仿真、综合、约束、实现、布局布线与配置调试，其中FPGA的调试占用设计周期的80％左右。ISE附带的高级组件，包括在线调试(ChipScope Pro)、平面布局规划器(PlanAhead)、时序分析器(Timing Analyzer)、布局规划器(FloorAhead)、底层编辑器(FPGA Editor)、和功耗分析器(Xpower)，以及第三方软件ModelSim，有效地使用相应工具，加速了设计进程，避免重新设计，有效提高设计生产力，并显著提高设计性能，降低功耗后将降低系统的整体成本。

4 采集、传输和验证

视频信号发生器产生的一种模拟视频信号如图4所示。通过模拟视频信号的采集、总线传输过程，计算机显示器显示的数字视频如图5所示，和监视器显示的模拟视频图像相同，肉眼无法区分其差别，满足使用要求。采集模拟视频的多种标准检测画面，显示正常无畸变，证实本设计的视频采集和数据传输达到了期望的结果。

5 结束语

随着多媒体在工业和商业等方面的广泛使用，对视频信号的采集、数据传输速度、集成度和可靠性等方面提出了更高的要求。本文设计的基于PCI Express的视频采集系统，适用于采集较弱或受干扰的视频信号，集成度高，适合海量视频数据传输，解决了传输的瓶颈问题。