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1394技術(shù)及其在實時圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
1 引言
IEEE 1394 是蘋果公司研制的一種高速串行總線,1394 接口早己是蘋果Mac 電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置.隨著成像技術(shù)的高速發(fā)展,尤其在進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)的處理和傳輸時,數(shù)據(jù)的大批量、高速和實時性對計算機和外設(shè)的接口提出了更高的要求,目前1394 接口正被高端PC 廣泛采用,以連接外置硬盤、光驅(qū)、掃描儀和數(shù)碼相機等高速外設(shè).
現(xiàn)有大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸接口(CAN 總線、RS485 等)速率較低,難以滿足應(yīng)用中對傳輸速率越來越高的要求,成為制約系統(tǒng)整體性能提高的一大瓶頸.目前的新型總線接口主要有:USB 和1394.雖然它們都支持熱插拔，都具有使用方便、成本低、易于擴(kuò)展等特點.但在USB 系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的傳輸需要CPU 的控制,支持吃異步傳輸模式,而且數(shù)據(jù)的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1394[1]
,尤其在幾個設(shè)備共有一個USB 通道時,數(shù)據(jù)的傳輸速率更低.相比之下,1394 的優(yōu)勢就更加突出,他支持點對點通信,數(shù)據(jù)傳輸不需要主機的干預(yù),節(jié)省系統(tǒng)資源;同時支持同步和異步傳輸模式;而且1394a 的速率可達(dá)400Mbps,1394b 最大速率可達(dá)3.2Gbps,在同一個1394 系統(tǒng)中可以兼容不同速率的設(shè)備.
2 IEEE1394高速串行總線
2.1 IEEE1394的性能特點
高數(shù)據(jù)傳輸速率:1394a 最大數(shù)據(jù)傳輸速率400Mbps,1394b 最大數(shù)據(jù)傳輸速率3200Mbps.
支持點對點通信:節(jié)點間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,不需要主系統(tǒng)的干涉,不增加CPU 資源占用率,不影響系統(tǒng)性能.
支持即插即用和熱插拔:IEEE1394 可以自動偵測設(shè)備的加入與移出動作并對系統(tǒng)做重新整合,無須人工干預(yù).
支持多種總線速度:在一個1394 系統(tǒng)中,各種速度的設(shè)備可以共存,但不互相影響通訊速度.
兩種傳輸模式:同時支持等時和異步兩種數(shù)據(jù)傳輸模式.
傳輸距離遠(yuǎn)：普通線纜環(huán)境下,兩個設(shè)備之間的最大距離可達(dá)到4.5m,使用中繼器可以延長兩個設(shè)備間的距離至72m,跨越最多16 個中繼器.
2.2 IEEE1394的通信原理
將每一個1394 節(jié)點作為一個子系統(tǒng)來看,在1394 協(xié)議中定義了三個協(xié)議層：事務(wù)層(Transaction layer)、鏈路層(LLC)和物理層(PHY),用于在請求者和響應(yīng)者之間的數(shù)據(jù)傳輸過程中完成相關(guān)事務(wù).1394 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)如圖1
(1) 事務(wù)層：完成用戶任務(wù)的事務(wù)分割、調(diào)度和應(yīng)用.它定義了一整套請求—響應(yīng)協(xié)議來完成總線請求和支持CSR 結(jié)構(gòu).事務(wù)層服務(wù)可看作對底層的調(diào)用.
(2) 鏈路層：鏈路層為事務(wù)層服務(wù),它實現(xiàn)對等時和異步數(shù)據(jù)包的尋址、數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)成幀等功能.鏈路層可以將事務(wù)層的請求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的包或子事務(wù),準(zhǔn)備發(fā)送到總線上.
(3) 物理層：物理層提供串行總線上傳送的數(shù)據(jù)比特(包)的傳輸和接收所必需的電子和機械接口,參與配置進(jìn)程,處理數(shù)據(jù)傳輸和接收.物理層還實現(xiàn)了仲裁進(jìn)程,以確保同一時間上只有一個節(jié)點在總線上傳輸數(shù)據(jù).
另外,1394 同時支持等時和異步傳輸模型[2-3] 和服務(wù),可以滿足現(xiàn)實中不同應(yīng)用的要求.異步傳輸模式一般用于對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性要求較高的場合.等時傳輸強調(diào)數(shù)據(jù)的實時性,不同于異步傳輸那樣強調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性.
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)可分為1394 設(shè)備端和PC 主機端兩大部分.1394 設(shè)備端硬件主要由MCU、FPGA、1394 控制芯片(包括鏈路層芯片和物理層芯片)組成;主機端硬件包括PC 機、PCI-1394 采集卡(適配卡).本設(shè)計的主要功能是將紅外成像系統(tǒng)獲得的圖像數(shù)據(jù),在微控制器和FPGA 的控制下,通過1394 串行總線傳輸?shù)街鳈C端(PC),并實現(xiàn)在主機端的圖像實時顯示.系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示.
1394 設(shè)備端功能上主要包括:微控制器、FPGA 及外圍圖像數(shù)據(jù)存儲FIFO 和1394 控制芯片(鏈路層、物理層控制器)三部分.實現(xiàn)的主要功能就是配置1394 控制芯片使PC 主機端正確識別設(shè)備,響應(yīng)主機端發(fā)送來的指令,將圖像數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街鳈C端.1394 設(shè)備端功能框圖從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、兼容性和實際要求考慮,本文分別選用了TI 公司的TSB12LV01B 鏈路層控制器呵和TSB41LV04A[4]物理層控制器作為接口芯片.TSB12LV01B 和TSB41LV04A 都是3.3v 供電.TSB12LV01B 是一款完全支持IEEE 1394-1995 高性能總線協(xié)議芯片,支持等時和異步數(shù)據(jù)傳輸,可以充當(dāng)循環(huán)控制器,產(chǎn)生并檢查32 位的CRC 校驗;具有通用的32 位主機總線接口, 內(nèi)部嵌有中斷產(chǎn)生寄存器、2k FIFO 等功能模塊, 可以方便實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的收發(fā).TSB41LV04A 是一款與鏈路層芯片(TSB12LV01B)完全兼容的物理層芯片,主要提供了電氣和機械接口,檢測總線上設(shè)備,可以實現(xiàn)仲裁總線,數(shù)據(jù)位的編解碼等功能.鏈路層和物理層芯片連接電.
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 1394設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計
Windows 驅(qū)動模型(WDM)[5-6]是內(nèi)核模式的驅(qū)動程序,屬于PnP 驅(qū)動程序,并支持電源管理,WDM 定義了驅(qū)動程序分層,以適應(yīng)即插即用系統(tǒng).1394 系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型,從上而下分別為：設(shè)別驅(qū)動、總線驅(qū)動和端口驅(qū)動.在驅(qū)動協(xié)議棧中,不同的驅(qū)動程序扮演不同的角色,設(shè)備驅(qū)動程序(Device Driver)占據(jù)驅(qū)動協(xié)議棧的頂部,其功能是把應(yīng)用軟件的請求翻譯成總線驅(qū)動程序(Bus Driver)能執(zhí)行的事務(wù),而總線驅(qū)動程序(Bus Driver)則為1394 總線提供了獨立于硬件的接口,它處理來自設(shè)備驅(qū)動程序的I/O 請求包(IRP),然后將請求包發(fā)送給主板上PCI-1394 采集卡所使用的端口驅(qū)動程序(Port Driver).這樣,Win32 應(yīng)用程序通過設(shè)備驅(qū)動程序、總線驅(qū)動程序和端口驅(qū)動程序來控制PCI-1394 采集卡與設(shè)備進(jìn)行通信,通常由IOCTL(I/O Control)控制碼實現(xiàn),通過1394 總線驅(qū)動程序和端口驅(qū)動程序來處理所有底層的通信細(xì)節(jié).1394 驅(qū)動協(xié)議棧和通信框圖分別如圖5 和圖6 所示.
用DDK[7]設(shè)計的1394 設(shè)備驅(qū)動由4 個模塊組成：初始化模塊、即插即用模塊、電源管理模塊以及I/O 模塊.初始化模塊提供設(shè)備驅(qū)動[8]的入口點,從而將不同的IRP 請求發(fā)向相應(yīng)的執(zhí)行模塊.
即插即用模塊用于實現(xiàn)1394 設(shè)備的熱插拔和動態(tài)配置.當(dāng)總線驅(qū)動程序在加電或者添/刪除時檢測到新設(shè)備,從設(shè)備中取出一個或多個標(biāo)識符,用于檢查所有可用的安裝文件,發(fā)現(xiàn)合適的設(shè)備驅(qū)動程序.驅(qū)動程序被裝入,調(diào)用AddDevice()入口點,告訴它發(fā)現(xiàn)一個新設(shè)備,并創(chuàng)建功能設(shè)備對象（FDO）.總線驅(qū)動程序或者安裝文件詳細(xì)描述設(shè)備所需的硬件資源,使用仲裁器為每個設(shè)備分配資源.
電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起和恢復(fù).
I/O 模塊完成I/O 請求的大部分工作.該模塊定義了所需的I/O 控制代碼,從而為應(yīng)用程序提供了調(diào)用系統(tǒng)驅(qū)動程序的接口.
4.2 客戶應(yīng)用程序設(shè)計
在高速圖像傳輸系統(tǒng)中,應(yīng)用程序是控制數(shù)據(jù)流的中心.采用VC++6.0 和2000DDK 實現(xiàn),主要功能有：獲取圖像數(shù)據(jù)源、檢測1394 設(shè)備、總線管理、分配1394 地址空間、設(shè)置等時資源和通道、完成1394 數(shù)據(jù)傳輸.一次等時傳輸流程如圖7 所示.
5 總結(jié)
本文根據(jù)時代的發(fā)展和現(xiàn)實應(yīng)用的需要，突破傳統(tǒng)的利用常規(guī)的低速串行總線的模式，將1394 高速串行總線引入到高端的實時圖像采集系統(tǒng)中，并取得了很好的效果，對1394 接口技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要的意義;本文1394 設(shè)備端采用微控制(MCU)+FPGA+1394 控制芯片的設(shè)計模式,實現(xiàn)了1394 設(shè)備端和PC 主機端間數(shù)據(jù)的實時傳輸和顯示.
系統(tǒng)的設(shè)計特點及創(chuàng)新：(1)將1394 引入到紅外成像系統(tǒng)中,實現(xiàn)了紅外圖像的高速率傳輸和實時顯示,大大提高了整個紅外成像系統(tǒng)的整體性能; (2)遵循IEEE1394 協(xié)議規(guī)范,因此具有通用性,易于移植;對1394 協(xié)議在計算機外設(shè)端的開放應(yīng)用具有較大的參考價值;(3)1394 設(shè)備即插即用,自動開啟數(shù)據(jù)傳輸,無須人工干預(yù);(4)微控制器實現(xiàn)1394 芯片配置,編程靈活,易于調(diào)試;(5)數(shù)據(jù)傳輸完全由FPGA 控制,實現(xiàn)較高傳輸速率.
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