基于PC104(Plus)總線的數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種雙通道大容量數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。闡述了以PLX9054為核心、以異步FIFO為數(shù)據(jù)緩沖通道的PC104(Plus)接口電路的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了FPGA控制邏輯設(shè)計(jì)與Linux系統(tǒng)下基于Qt／Embedded和Framebuffer工控機(jī)存儲(chǔ)顯示程序的實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：PC104(Plus)；Qt／Embedded；Framebuffer；實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；同步顯示；工控機(jī)

0 引言
在現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)于大容量高速數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示是進(jìn)行后續(xù)相關(guān)處理的基礎(chǔ)，也是信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。隨著數(shù)字視頻視覺(jué)技術(shù)和視頻采集技術(shù)的發(fā)展，很多應(yīng)用場(chǎng)合都需要對(duì)接收到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和同步顯示。為此，本文介紹了對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)所進(jìn)行的處理，提出了一種基于PC104 (Plus)總線的雙通道大容量高速數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)通過(guò)FPGA-PC104(Plus)接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和預(yù)處理，再通過(guò)FIFO數(shù)據(jù)傳輸通道來(lái)上傳數(shù)據(jù)，最后由工控機(jī)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和同步顯示。其中工控機(jī)軟件采用Linux(2．6內(nèi)核)下Qt／Embedded的GUI來(lái)設(shè)計(jì)，并用Framebuffer的顯示技術(shù)來(lái)提供良好的人機(jī)界面交互和快速的存儲(chǔ)顯示操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收模塊、FPGA控制模塊和工控機(jī)顯示存儲(chǔ)模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的FPGA選用Xilinx Spartan3系列的XC3S2000F456，其最大用戶IO為333個(gè)，系統(tǒng)門達(dá)到200萬(wàn)門，并內(nèi)置576KB的RAM塊；FIFO選用IDT公司的IDT72V36110，該芯片容量為512KB，可支持36位輸入、輸出數(shù)據(jù)，最高工作頻率可達(dá)166MHz；另外，PLX9054是PLX公司的總線橋接芯片，它支持多種工作模式，本系統(tǒng)采用C模式。在該模式下的DMA傳輸時(shí)，PLX9054對(duì)PC104(Plus)總線和本地總線都是主控制器；工控機(jī)選用Senbo公司的LX-3072PC／104 CPU模塊，該模塊搭載的AMD Geode LX800 CPU，其工作頻率高達(dá)500MHz，遵從PC／104+標(biāo)準(zhǔn)，并提供有PC104(Plus)總線，同時(shí)集成了PS／2、RT、IDE、USB2．0和10M／100M網(wǎng)口等接口，而且功耗低，可靠性高，可廣泛適用于數(shù)據(jù)采集、通信等領(lǐng)域。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，本工控機(jī)上運(yùn)行的是Linux操作系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)接收模塊的兩路輸入通道分別連向FPGA的IO端口，在FPGA模塊的控制下，兩路輸入數(shù)據(jù)同時(shí)分別進(jìn)入各自的FIFO進(jìn)行緩存。為了避免PLX9054控制本地端時(shí)的總線競(jìng)爭(zhēng)以及簡(jiǎn)化時(shí)序設(shè)計(jì)，可將兩片F(xiàn)IFO的輸出端復(fù)用，且經(jīng)由FPGA的IO端口連向PLX9054的本地?cái)?shù)據(jù)端，進(jìn)而在FIFO產(chǎn)生相應(yīng)狀態(tài)響應(yīng)的時(shí)候，由FPGA控制模塊向PLX9054發(fā)出讀取FIFO的中斷請(qǐng)求，PLX9054在響應(yīng)中斷后，即將數(shù)據(jù)以DMA的方式經(jīng)由PC104(Plus)總線上傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)PCI驅(qū)動(dòng)讀取DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，再分別進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收模塊采用J18型37針視頻通信接口，該接口協(xié)議可根據(jù)實(shí)際需求自行定義，但最大為32位。由于輸入數(shù)據(jù)為高速數(shù)字信號(hào)，因此，為防止輸入FPGA的信號(hào)產(chǎn)生過(guò)沖，可在視頻通信接口的后端對(duì)32位數(shù)據(jù)分別進(jìn)行RC端接，并串聯(lián)33Ω的電阻和0．01μF的電容。
2．2 FPGA控制模塊設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送采用DMA結(jié)合中斷的方式。該方式不僅能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，而且能提高系統(tǒng)的工作效率。接收高速數(shù)據(jù)時(shí)，要使用緩沖區(qū)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，但是，如果等緩沖區(qū)全部存滿以后再進(jìn)行DMA傳輸，那么，在數(shù)據(jù)流速率比較高的時(shí)候，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。因此，在FIFO半滿時(shí)就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的DMA傳輸，這樣可使工控機(jī)從FIFO讀取數(shù)據(jù)和FPGA從外部接收數(shù)據(jù)能同時(shí)進(jìn)行。
FPGA控制模塊是本系統(tǒng)的硬件核心，其主要功能是完成系統(tǒng)復(fù)位，接收數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，控制讀取兩個(gè)FIFO數(shù)據(jù)的邏輯順序，并控制DMA傳輸。FPGA控制模塊電路如圖2所示。

在圖2電路中，為了保證FPGA與FIFO同步工作，應(yīng)將兩片F(xiàn)IFO的各自讀寫時(shí)鐘連接在一起，且分別由FPGA輸入到時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片以后獲得。