董偉濤，伊小素，曾華菘，熊 瑞，王家興，劉 輝

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

隨著星載通信系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線已經(jīng)很難滿足需求,這就對(duì)星載總線提出了更高的要求。SpaceFibre總線技術(shù)是高速空間總線，是一種面向吉比特每秒級(jí)高速數(shù)據(jù)傳輸需求而提出的基于SpaceWire協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的新標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前SpaceFibre傳輸速率可達(dá)2 Gbps(有效傳輸速率0～1.6 Gbps)，是超高速光纖傳輸總線。隨著SpaceFibre總線的不斷發(fā)展和完善，數(shù)據(jù)處理和性能測(cè)試都需要采用通用計(jì)算機(jī)設(shè)備來(lái)獲取SpaceFibre高速網(wǎng)絡(luò)中的大容量數(shù)據(jù)。由于計(jì)算機(jī)不具有SpaceFibre接口，因此需要設(shè)計(jì)一種接口卡為計(jì)算機(jī)提供獲取SpaceFibre總線數(shù)據(jù)的能力。

USB總線具有速度快、通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低、穩(wěn)定、易開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。目前，USB3.0的理論傳輸速率為5 Gbps，能夠滿足SpaceFibre采集速率要求?；谘芯颗c應(yīng)用的需要，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的SpaceFibre-USB3.0接口卡，實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre與USB3.0的橋接設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，PC機(jī)可以通過(guò)接口卡實(shí)時(shí)采集、顯示SpaceFibre總線傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)計(jì)目的，為通用計(jì)算機(jī)采集SpaceFibre總線數(shù)據(jù)提供了一種參考方案。

1 SpaceFibre-USB3.0接口卡設(shè)計(jì)

本文在研究SpaceFibre總線協(xié)議和USB3.0總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用FPGA作為硬件控制器，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路和軟件程序，實(shí)現(xiàn)SpaceFibre總線與USB總線的橋接設(shè)計(jì)。FPGA將采集到的SpaceFibre總線數(shù)據(jù)通過(guò)USB3.0傳輸給PC實(shí)現(xiàn)SpaceFibre總線的采集。

1.1 接口卡總體設(shè)計(jì)

SpaceFibre總線采集系統(tǒng)由SpaceFibre-USB3.0接口卡和上位機(jī)組成，接口卡主要負(fù)責(zé)采集SpaceFibre高速總線數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后通過(guò)USB3.0發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理分析。接口卡整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 SpaceFibre-USB3.0接口卡整體結(jié)構(gòu)圖

接口卡采用FPGA作為硬件控制器，F(xiàn)PGA選型為Cyclone Ⅲ系列的EP3C16F484C7芯片，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)SerDes芯片和USB3.0芯片的控制以及數(shù)據(jù)的緩存與處理。SpaceFibre物理層芯片選型為T(mén)LK2711a-RCP的SerDes芯片，這款芯片主要負(fù)責(zé)SpaceFibre總線8b/10b編碼的實(shí)現(xiàn)，光模塊采用FTLF8519P2BNL芯片，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre總線的物理層和鏈路層，搭配嵌入在FPGA中的SpaceFibre IP核實(shí)現(xiàn)SpaceFibre數(shù)據(jù)的采集。USB3.0芯片選用CYUSB3014芯片，該芯片內(nèi)嵌ARM內(nèi)核、512 KB嵌入式SRAM、32位數(shù)據(jù)總線，而且提供C++，C#的函數(shù)庫(kù)[3]，滿足本設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

1.2 SpaceFibre總線接口設(shè)計(jì)

SpaceFibre總線接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 SpaceFibre總線接口連接圖

SpaceFibre總線編碼方式采用8b/10b編碼，8b/10b編碼具有很好的直流平衡特性以及抗干擾能力和一定的檢錯(cuò)能力[4]。SpaceFibre接口設(shè)計(jì)利用Serdes芯片實(shí)現(xiàn)8b/10b編解碼功能。光模塊用于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在采集SpaceFibre總線數(shù)據(jù)時(shí)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)SerDes芯片，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換將高速的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為低速的20位并行信號(hào)，再通過(guò)8b/10b解碼功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位有效信號(hào)，輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA中嵌入了SpaceFibre總線協(xié)議IP核，將采集到的數(shù)據(jù)緩存在SpaceFibre接收FIFO中實(shí)現(xiàn)SpaceFibre總線數(shù)據(jù)的采集過(guò)程。

1.3 USB3.0接口設(shè)計(jì)

USB3.0芯片選用CYUSB3014芯片，通過(guò)編寫(xiě)固件程序?qū)崿F(xiàn)USB3.0總線傳輸[5]。本系統(tǒng)USB3.0接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 USB3.0接口連接圖

GPIF接口是CYUSB3014芯片與FPGA進(jìn)行連接的高性能通用可編程接口，支持8位、16位和32位并行數(shù)據(jù)總線，接口頻率可達(dá)100 MHz。為了滿足本系統(tǒng)高帶寬、低延時(shí)的傳輸要求，F(xiàn)PGA上行到PC數(shù)據(jù)量較大，因此緩沖區(qū)Buffer設(shè)置為10個(gè)，每個(gè)Buffer大小為16 Kbytes，PC到FPGA數(shù)據(jù)量較小，緩沖區(qū)Buffer設(shè)置為2個(gè)，每個(gè)Buffer大小為16 Kbytes。本系統(tǒng)將固件程序配置為Slave FIFO模式[6]，時(shí)序邏輯由外部控制器FPGA控制[7]。

1.4 FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)

FPGA作為接口卡的控制核心，實(shí)現(xiàn)SpaceFibre接口與USB接口的橋接通信。FPGA程序運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示。

圖4 FPGA程序運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

板卡上電首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，F(xiàn)PGA分別檢測(cè)SpaceFibre接收FIFO和USB輸出Buffer中是否有數(shù)據(jù)，如果SpaceFibre接收FIFO中有數(shù)據(jù)待讀，則表明SpaceFibre端采集到了數(shù)據(jù)，此時(shí)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入將SpaceFibre接收FIFO中的數(shù)據(jù)向USB3.0寫(xiě)入的狀態(tài)，在該狀態(tài)內(nèi)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包尾后將一包數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流由SpaceFibre到USB的流動(dòng)，寫(xiě)狀態(tài)完成，狀態(tài)自動(dòng)跳回初始狀態(tài)。如果USB輸出Buffer中有數(shù)據(jù)待讀，則表明USB3.0端發(fā)送來(lái)了數(shù)據(jù)，因?yàn)閺腜C端發(fā)出的數(shù)據(jù)一般為控制指令，因此數(shù)據(jù)由USB到SpaceFibre傳輸過(guò)程中加入防誤傳措施，即從PC端發(fā)送的數(shù)據(jù)需要遵循既定的格式，此時(shí)進(jìn)入判斷狀態(tài)，讀取3個(gè)數(shù)即一包的包頭進(jìn)行判斷，如果符合預(yù)定格式，則狀態(tài)跳入將USB3.0 Buffer中數(shù)據(jù)向SpaceFibre發(fā)送FIFO中寫(xiě)入的狀態(tài)，在該狀態(tài)中讀入相應(yīng)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流由USB到SpaceFibre的流動(dòng)，寫(xiě)狀態(tài)完成，狀態(tài)自動(dòng)跳回初始狀態(tài)；如果不符合預(yù)定格式，說(shuō)明PC端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)為誤操作無(wú)效數(shù)據(jù)，此時(shí)狀態(tài)跳入丟棄無(wú)效數(shù)據(jù)狀態(tài)，將USB Buffer中數(shù)據(jù)丟掉，完成后狀態(tài)自動(dòng)跳回初始狀態(tài)。設(shè)置控制指令優(yōu)先級(jí)最高，即如果檢測(cè)SpaceFibre接收FIFO和USB輸出Buffer中同時(shí)有數(shù)據(jù)待讀，則優(yōu)先進(jìn)行USB輸出Buffer中數(shù)據(jù)的讀取操作。

2 接口卡性能分析

2.1 實(shí)時(shí)性分析

數(shù)據(jù)從SpaceFibre接收FIFO中讀出向CYUSB3014芯片內(nèi)部Buffer緩沖區(qū)寫(xiě)入時(shí)刻記為t1，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上位機(jī)時(shí)刻記為t2，系統(tǒng)時(shí)延為t2-t1。由于t1與t2時(shí)間基準(zhǔn)無(wú)法統(tǒng)一，無(wú)法直接得到時(shí)延，故將時(shí)延分為兩部分進(jìn)行分析。即把采集到的1包數(shù)據(jù)填寫(xiě)進(jìn)CYUSB3014芯片內(nèi)部Buffer緩沖區(qū)所需的時(shí)間和PC端讀取Buffer緩沖區(qū)1包數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，兩項(xiàng)之和即為系統(tǒng)的主要時(shí)延來(lái)源。

數(shù)據(jù)填寫(xiě)進(jìn)CYUSB3014芯片內(nèi)部Buffer緩沖區(qū)時(shí)所用時(shí)鐘頻率為100 MHz，時(shí)鐘周期為0.01 μs，每個(gè)時(shí)鐘填寫(xiě)16位(2 Bytes)，填寫(xiě)單個(gè)數(shù)據(jù)包所需時(shí)間與數(shù)據(jù)包大小緊密相關(guān)，表1為通過(guò)計(jì)算所得的填寫(xiě)1包數(shù)據(jù)所用時(shí)間與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系。

表1 填寫(xiě)1包數(shù)據(jù)所用時(shí)間與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系表

PC端讀取數(shù)據(jù)包所需時(shí)間也與數(shù)據(jù)包大小緊密相關(guān)，調(diào)用API庫(kù)中的相關(guān)類(lèi)和函數(shù)對(duì)USB3.0芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取完成PC端對(duì)CYUSB3014芯片內(nèi)部Buffer緩沖區(qū)數(shù)據(jù)采集，這個(gè)過(guò)程PC機(jī)操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)請(qǐng)求分配時(shí)間片用于數(shù)據(jù)的采集，時(shí)延也就因此而產(chǎn)生。為保證PC讀取數(shù)據(jù)時(shí)Buffer緩沖區(qū)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，CYUSB3014固件程序配置為芯片內(nèi)部自動(dòng)生成Buffer數(shù)據(jù)。測(cè)試每秒讀取數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)計(jì)算得到讀取單個(gè)數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延。表2為PC平均讀取1包數(shù)據(jù)所需時(shí)間與數(shù)據(jù)包大小之間的關(guān)系。

表2 PC平均讀取1包數(shù)據(jù)所用時(shí)間與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系表

兩項(xiàng)時(shí)間之和即為采集系統(tǒng)主要時(shí)延，相加計(jì)算所得時(shí)延如表3所示。

表3 采集時(shí)延與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系表

結(jié)果顯示，打包單個(gè)數(shù)據(jù)包越大，單包傳輸時(shí)延越長(zhǎng)。

2.2 USB3.0采集速率測(cè)試

PC機(jī)通過(guò)USB3.0讀取速率與每次讀取的數(shù)據(jù)包大小緊密相關(guān)，將數(shù)據(jù)包打包成不同的大小通過(guò)PC讀取測(cè)試得到USB3.0平均傳輸速率與PC單次讀取數(shù)據(jù)量的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 接口卡傳輸速率圖

隨著單次讀取數(shù)據(jù)包大小的增加，平均速率會(huì)不斷提高，在單次讀取1 KB數(shù)據(jù)時(shí)速率為39 MB/s，在單次讀取16 KB數(shù)據(jù)時(shí)平均采集速率能夠達(dá)到225 MB/s，能夠滿足SpaceFibre總線的采集速率要求。

2.3 數(shù)據(jù)包打包原則

通過(guò)2.1和2.2關(guān)于數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延和傳輸速率的分析和測(cè)試，可以看出平均傳輸速率和單包傳輸時(shí)延都會(huì)隨著單個(gè)數(shù)據(jù)包增大而增加。針對(duì)不同應(yīng)用情景下采集SpaceFibre數(shù)據(jù)時(shí)可根據(jù)如下原則進(jìn)行數(shù)據(jù)包打包大小的選?。篠paceFibre總線有效傳輸速率為0～200 MBytes/s，當(dāng)SpaceFibre總線全速即以200 MBytes/s傳輸時(shí)，USB3.0接口傳輸速率在打包大小為11 K以上時(shí)完全滿足SpaceFibre采集速率要求；當(dāng)SpaceFibre總線傳輸速率低于200 MBytes/s時(shí)，可將采集數(shù)據(jù)打包成滿足SpaceFibre總線傳輸速率要求的最小包大小，這樣可以既滿足采集速率要求，又可以使單包采集時(shí)延最小。

3 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

為了能夠直觀演示接口卡的功能，SpaceFibre數(shù)據(jù)源選擇圖像數(shù)據(jù)源，采用OV7725攝像頭作為圖像數(shù)據(jù)輸出，該圖像傳感器分辨率為640×480，輸出格式為RGB565，RGB565即每個(gè)像素點(diǎn)由16比特組成，其中紅、綠、藍(lán)三色占比為{R[4:0],G[5：0],B[4:0]}，幀率為每秒25幀，每秒輸出數(shù)據(jù)量為14.648 MBytes。通過(guò)采集速率圖可以看出USB3.0傳輸速率完全滿足CMOS的輸出速率要求，根據(jù)打包原則，為了達(dá)到傳輸?shù)淖顑?yōu)化，以最小時(shí)延進(jìn)行采集傳輸，OV7725攝像頭每行的數(shù)據(jù)為1 280 Bytes(640×2)，F(xiàn)PGA每次將1行圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，為了防止行錯(cuò)亂，在打包時(shí)需要加入包頭和行信息，這樣每包數(shù)據(jù)量為1 280 Bytes圖像數(shù)據(jù)+4Bytes包頭信息。PC端上位機(jī)設(shè)置為每次讀1 284 Bytes數(shù)據(jù)。這樣設(shè)置可以在滿足傳輸速率要求的前提下以最小時(shí)延進(jìn)行采集傳輸以達(dá)到最佳采集效果。采集系統(tǒng)實(shí)物連接如圖6所示。

圖6 采集系統(tǒng)實(shí)物連接圖

本系統(tǒng)上位機(jī)圖像顯示界面采用WPF構(gòu)建圖形化界面，使用C#語(yǔ)言，調(diào)用API庫(kù)中的相關(guān)類(lèi)和函數(shù)對(duì)USB3.0芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，完成PC端對(duì)數(shù)據(jù)的高速采集與顯示。

接口卡采集SpaceFibre圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB3.0發(fā)送到PC上，最后通過(guò)WPF設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面對(duì)視頻圖像進(jìn)行顯示。上位機(jī)運(yùn)行流程圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)運(yùn)行流程圖

PC端通過(guò)上位機(jī)界面發(fā)送控制指令，指令通過(guò)USB3.0接口發(fā)送到接口卡。接口卡解析指令數(shù)據(jù)，開(kāi)始采集SpaceFibre總線端數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA將采集的數(shù)據(jù)打包后通過(guò)USB3.0接口發(fā)送到上位機(jī)。為了提高數(shù)據(jù)采集速率，上位機(jī)設(shè)置2個(gè)線程，線程1用于采集數(shù)據(jù)和緩存，線程2用于數(shù)據(jù)的處理和顯示[8]。

PC讀取數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)代碼如下：

int singalpacketlen = 1284;

MyDevice.BulkInEndPt.XferData(ref buf1,ref singalpacketlen);

將圖像數(shù)據(jù)處理顯示對(duì)應(yīng)代碼如下：

WriteableBitmap wb = new WriteableBitmap (640,480,96,96,PixelFormats.Bgr565,null);

Int32Rect rect = new Int32Rect(0,0,640,480);

wb.WritePixels(rect,imagebuf2,wb.BackBufferStride,0);

image1.Source = wb;

上位機(jī)視頻圖像顯示結(jié)果如圖8所示。

圖8 上位機(jī)顯示采集到的視頻圖像界面

PC通過(guò)USB發(fā)送控制命令后，可以實(shí)時(shí)接收SpaceFibre端的圖像數(shù)據(jù)并清晰地顯示采集到的SpaceFibre視頻圖像，無(wú)幀錯(cuò)亂、丟幀等情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了SpaceFibre-USB3.0接口卡，實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre與USB3.0總線之間的橋接設(shè)計(jì)，使得通用計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)采集高速SpaceFibre總線中數(shù)據(jù)。包括硬件電路的設(shè)計(jì)，主控芯片F(xiàn)PGA程序的編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)以及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，并分析了系統(tǒng)時(shí)延和采集速率，給出了數(shù)據(jù)包打包原則的選取方案。經(jīng)測(cè)試，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)采集顯示SpaceFibre總線傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采集速率最高可達(dá)1.8 Gbps，滿足SpaceFibre總線最高傳輸速率(1.6 Gbps)，符合設(shè)計(jì)要求。本文為通用設(shè)備采集高速SpaceFibre總線數(shù)據(jù)提供了一種可行的方案，對(duì)于SpaceFibre總線的研究與測(cè)試具有參考意義。