數(shù)字視頻采集系統(tǒng)中1394總線模塊的設(shè)計(jì)

　　數(shù)字視頻采集系統(tǒng)中傳輸與顯示模塊負(fù)責(zé)把捕獲的信息或處理后的信息，發(fā)送給終端進(jìn) 行存儲(chǔ)，顯示或進(jìn)一步的處理。由于圖像，尤其是視頻圖像，數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性又高，對(duì)數(shù) 據(jù)的傳輸速率要求非常嚴(yán)格?，F(xiàn)在應(yīng)用較為普遍的傳輸總線有USB2.0 和IEEE1394a。這兩 種高速串行總線的最高數(shù)據(jù)傳輸速率分別為480Mbps 和400Mbps。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是成 為獨(dú)立的系統(tǒng)，而不僅僅是PC 機(jī)的一個(gè)外設(shè)。而采用IEEE1394 總線與PC 機(jī)進(jìn)行通信， 既不影響系統(tǒng)的獨(dú)立性，又方便了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工作。

　　一、IEEE1394 高速串行總線

　　1394 最初由蘋果公司于1986 年公布，原名為火線（FireWire）高速串行傳輸線。1995 年由IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers 電氣與電子工程師學(xué)會(huì))發(fā)布，稱為 IEEE1394，正式名稱為IEEE1394-1995。另外，索尼及德州儀器(TI)也制定了1394 的另外一 種規(guī)格: IEEE1394a，現(xiàn)在已經(jīng)普遍用于數(shù)字視頻領(lǐng)域，也稱為i.Link 或Lynx。

　　IEEE1394 高速串行總線的主要特點(diǎn)有：

　?、攀褂梅奖悖С譄岵灏?、即插即用（Plug and Play，PnP）

　?、苽鬏斔俾矢撸璉EEE1394a 支持100M/200M/400Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸率，IEEE11394b 則支 持800M/1.6G/3.2Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸率

　?、蔷哂泻艽蟮牡刂酚成淇臻g－1 條總線最多可支持63 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有256TB 的地址映射空間

　?、瓤梢元?dú)立于主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行操作－支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及時(shí)通信

　?、删€纜供電－最多可提供 45W 的功率

　　⑹支持等時(shí)和異步兩種傳輸模式

　　二、1394 總線傳輸模塊設(shè)計(jì)

　　外設(shè)與 PC 機(jī)的通信大致分為兩種：并行方式和串行方式。并行端口比較復(fù)雜，需要許 多的軟件方面的控制。相對(duì)而言，串行總線只有幾根線組成，比并行總線簡單，成本也低， 并且大部分串行總線都支持即插即用和熱插拔，使用方便。目前應(yīng)用較廣的串行總線主要是 USB 和1394。本系統(tǒng)采用的是IEEE1394a 異步傳輸方式，由TI 公司的1394 鏈路層控制器 TSB12LV32 和1394 物理層控制器TSB41AB3 組成。1394 總線可以提供8～40V DC 的電壓 以及最高可達(dá)1.5A 的電流，足以滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電需求。

　　1、IEEE1394 協(xié)議

　　為了簡化硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)，IEEE 1394 定義了4 個(gè)協(xié)議層：

　?、趴偩€管理層——負(fù)責(zé)總線配置和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)管理：1394 的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了總 線管理層，以支持包括總線配置，電源配置在內(nèi)的多種功能，具體包含的功能取決于節(jié)點(diǎn)的 實(shí)際能力，如該節(jié)點(diǎn)是否為根節(jié)點(diǎn)。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總線管理層所包含的 功能各異。但所有的節(jié)點(diǎn)，無論是根節(jié)點(diǎn)還是子節(jié)點(diǎn)，都必須包含支持總線自動(dòng)配置這一功 能。

　?、剖聞?wù)層——支持有關(guān)異步傳輸讀取，寫入，鎖定操作的請(qǐng)求和響應(yīng)，由應(yīng)用程序直接 調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)：事務(wù)層只支持異步傳輸。確切的說，事務(wù)層是一個(gè)軟件層，1394 應(yīng)用 程序與事務(wù)層以下的各層是相互隔離的，所有的傳輸請(qǐng)求都由事務(wù)層轉(zhuǎn)換成完成這個(gè)請(qǐng)求所 需的一個(gè)或多個(gè)事務(wù)請(qǐng)求，產(chǎn)生的事務(wù)請(qǐng)求指示了事務(wù)類型——讀取，寫入，或者鎖定。

　?、擎溌穼印獙⑹聞?wù)層請(qǐng)求和響應(yīng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的包或者子事務(wù)，發(fā)送到串行總線上。本 層還對(duì)異步包和等時(shí)包進(jìn)行地址或信道號(hào)的編解碼，冗余校驗(yàn)：對(duì)于異步事務(wù)，鏈路層提供 了事務(wù)層和物理層之間的接口，請(qǐng)求者的鏈路層將來自事務(wù)層的事務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包，然 后發(fā)送到1394 總線上；響應(yīng)者接收到數(shù)據(jù)包后，解碼并傳遞給本地的事務(wù)層。對(duì)于等時(shí)事 務(wù)，鏈路層提供等時(shí)軟件驅(qū)動(dòng)程序和物理層之間的接口。傳輸期間，鏈路層負(fù)責(zé)生成將要通 過1394 總線發(fā)送的等時(shí)包。鏈路層還接收來自總線的等時(shí)包，并將包的信道號(hào)解碼，如果 此節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)包的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則將包傳給軟件驅(qū)動(dòng)程序。

　?、任锢韺印峁?shù)據(jù)傳輸所必需的電氣和機(jī)械接口，負(fù)責(zé)管理總線的仲裁進(jìn)程，以確 保同一時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在總線上傳輸數(shù)據(jù)：物理層提供鏈路層和1394 電纜之間的接口， 每個(gè)端口使用兩對(duì)雙絞線（TPA/TPA*和TPB/TPB*）發(fā)送信號(hào)，支持IEEE1394 協(xié)議操作所 需的多種事件，包括總線配置，總線仲裁以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/P>

　　實(shí)際的1394 電纜分4 芯和6 芯兩種。區(qū)別是前者只有兩對(duì)雙絞線，采用差分信號(hào)傳輸 數(shù)據(jù)；后者還包括一對(duì)電源線。6 芯的電纜如圖1 所示：

　　2、鏈路層控制器

　　TSB12LV32 是一款同時(shí)兼容IEEE 1394-1995 和 IEEE1394a 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的鏈路層控制器 （LLC），具有2KB 的通用接收FIFO（GRF）與2KB 的通用發(fā)送FIFO（ATF），支持異步 與等時(shí)事務(wù)。微控制器接口支持8/16 位的可編程數(shù)據(jù)寬度，能夠非常方便地與各種微控制 器，如Motorola 的68000 和ColdFire 處理器相連，工作時(shí)鐘頻率最高可達(dá)60MHz， I/O 管 腳同時(shí)兼容3.3V 和5V。

　　TSB12LV32 提供直通模式（DMA）的數(shù)據(jù)傳送，待發(fā)送數(shù)據(jù)無需事先打包，可以邊 讀取邊傳送，這使得異步包發(fā)送能夠達(dá)到與等時(shí)傳送相當(dāng)?shù)目偩€帶寬，從而傳輸效率大大提高。TSB12LV32 內(nèi)部的寄存器配置由DSP 完成，設(shè)備的發(fā)現(xiàn)與識(shí)別，驅(qū)動(dòng)程序的安裝，1394 控制寄存器的初始化等也需要DSP 進(jìn)行響應(yīng)和干預(yù)。DSP 充當(dāng)了鏈路層控制器的微控制器 （MCU）。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)在調(diào)試階段，是PC 機(jī)的外設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信，必須安裝 與本系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的1394 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，這需要DSP 的控制和響應(yīng)。而且1394 接口控制芯 片LLC 和PLC 的內(nèi)部寄存器也需要DSP 進(jìn)行配置和初始化，該過程可以用圖2 來描述：

　　上述過程中，DSP 最重要的工作就是，在1394 總線進(jìn)行自標(biāo)識(shí)期間，構(gòu)造根節(jié)點(diǎn)PC 機(jī) 讀取配置ROM 信息的quadlet 異步讀響應(yīng)包。配置ROM 包含有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝信息， 設(shè)備的功能信息等重要內(nèi)容。PC 機(jī)在完全確認(rèn)設(shè)備的相關(guān)信息后，才會(huì)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別設(shè)備， 并安裝相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，然后就可以調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)訪問設(shè)備了。

　　3、物理層控制器

　　物理層控制器（PHY ）TSB41AB3 提供3 個(gè)1394 端口，3.3V 單一供電，符合1394a 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持等時(shí)傳輸和異步傳輸，支持100/200/400Mbps 的傳輸速率，可以與 TSB12LV21、TSB12LV31、TSB12LV32、TSB12LV41 或TSB12LV01A 等鏈路層控制器實(shí)現(xiàn) 無縫連接，具有較高的通信速率與可靠性。

　　TSB41AB3 具有線纜電壓監(jiān)測功能，與鏈路層的接口支持總線隔離。此外，TSB41AB3 有多種封裝形式以供選擇——PHP48-pin，PAP48-pin，GQE80-ball 和ZQE64-ball。

　　4、 LLC 與PHY 的接口電路設(shè)計(jì)

　　鏈路層與物理層的接口電路如圖 3 所示。微控制器的數(shù)據(jù)，地址和讀寫控制信號(hào)由DSP 控制；DM 端口連接到FPGA 中1394 傳輸控制模塊，主要完成視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸； TSB41AB3 直接與1394 電纜連接，完成系統(tǒng)和PC 機(jī)之間的通信工作和數(shù)據(jù)傳輸。

　　創(chuàng)新點(diǎn)：本系統(tǒng)采用IEEE1394 總線與PC 機(jī)進(jìn)行通信，既不影響系統(tǒng)的獨(dú)立性，又方便了 系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工作。提高了傳輸速度的同時(shí)，使視頻采集系統(tǒng)不僅是PC 機(jī)的一個(gè)外設(shè)， 更是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。