基于FPGA的CCD数据采集系统的设计

1引 言

随着数字技术的进步与发展，对于数据传输的高速率性和时实性提出了很高的要求，IEEE1394协议的出现，很好地解决了该问题。IEEE1394又名FIReWire，是一种高速串行总线，已经发展了IEEE1394b提供最高达3.2 Gb/s的速率，并将传输距离扩展到100 m。由此可以断定1394必然成为未来的“标准”串行总线。

IEEE1394支持2类事务：等时传输和异步传输。

异步传输(asynchrONous transactions)保证数据传输的正确性，但是不保证数据传输的时实性，主要用来传输控制信息和一些对数据的正确性要求很高的数据。一个异步传输由4部分组成：请求数据包、请求确认数据包、响应数据包和响应确认数据包。确认数据包是和请求数据包、响应数据包同步的，当请求数据包和响应数据包发送之后立即就是确认数据包。

异步传输不占据固定的带宽，但能保证节点获得时间上的公平访问，每一个执行异步传输的节点都能在单一的间隔内准确地访问总线。

等时传输(isochronous transactions)对于数据传输的时实性要求很高，而对于数据传输的正确性要求相对较低。等时传输通过一个与等时传输关联的信道号码确定设备，其以固定的时间间隔(125μs)发送数据，所以必须分配固定的总线带宽，有着高于异步传输的优先级，等时传输可用的最大带宽是整个带宽的80%。

根据协议的结构可以将1394协议分成事务层、链路层、物理层、总线管理层。链路层和物理层目前已经由硬件芯片实现。本设计主要针对芯片的应用，因此对协议本身不做太多介绍和研究。

2采集系统硬件设计

根据硬件的特点，设计了基于T1芯片组和FPGA的CCD相机采集系统。系统结构如图1所示。

FPGA选用Altera公司的Cyclone系列器件EP1C6T144C8，可以为CCD相机提供工作所需的驱动时序，同时接收经过A/D转换的CCD输出图像数据。

这里主要介绍1394接口的数据采集，FPGA内部的CCD驱动逻辑暂时不介绍。本设计用于大量的数据的传输，因此使用TSB12LV32的DM端口来输入和输出数据。FPGA与TSB12LV32的DM端口的逻辑电路如图2所示。

FPGA内部采用异步FIFO解决CCD输出数据频率和TSB12LV32采集频率不匹配的问题，写时钟由CCD输出位同步信号提供，写请求信号由FIFO的满状态共同控制;读时钟由TSB12LV32的DMCLK提供，读请求信号由DMRW。当TSB12LV32开始传输数据时，在FIFO的满状态和TSB12LV32的DMDONE引脚控制下，由CCD输出位同步信号将数据写入FIFO;在DMWR的控制下，由DMCLK将FIFO中的数据由DM0～DM7引脚读入TSB12LV32，连接如图2所示。

2.1 MCU软件设计

软件的设计分为2部分：一个是在PC机上开发设备板的驱动程序;另一个是使用设备板上面使用MCU控制和配置PDI1394L40的软件流程。单片的主要负责初始化各个CRF，设置TSB12LV32的工作模式，配置ROM发送ROM，分析包头，构造包头和数据包。配置ROM是设计的重点也是难点，将设备插入PC的1394端口，通过配置ROM，使得PC机识得设备。配置ROM的流程如图3所示。

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2.2异步操作

异步发送“自动插入header的异步包发送”为例，介绍如何进行异步发送操作，其流程图如图4所示。

2.3等时操作

等时接收的工作流程图图5所示。

3驱动开发

采用Numega公司的DriverWorks工具开发驱动，该软件对DDK中的函数进行很好的封装。使用DriverWizard可以直接生成驱动程序源代码的框架，只需对其做修改即可。

由于Windows已经提供了总线驱动程序和端口驱动程序，因此只需要开发功能驱动程序即可。DriverWorks将DDK下的1394请求包(IRB)封装成KIrb类，并将总线驱动程序的功能封装在K1394LowerDevice类中，对于等时传输和异步传输也有相应的类对其相应的DDK进行封装。

1394WDM驱动程序使用IRB(请求包)和总线进行通信，IRB被发送到总线驱动，总线驱动将IRB在总线上执行。DriverWorks使用KIrb类迅速创建一个IRB，同时使用K1394LowerDevice：：SubmitIrb函数将IRB发送到总线驱动。

4结语

经测试，该系统实现IEEE1394a的传输协议，实现了异步和同步传输。IEEE已经推出1394b标准，1394b的最高速度可以达到3.2 Gb/s，有效传输距离延长到100 m，而且有些公司已经开始推出1394b控制芯片。该系统不但实现了设备端与PC主机之间数据的高速传输，同时还为1394b传输系统的设计和实现提供了有效的铺垫。