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基于PCI Express总线的光纤图像传输系统设计与实现

作　者: 刘鹏
导　师: 李明伟
学　校: 大连理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 图像采集 光纤通信 PCI Express FPGA 驱动程序
分类号: TN929.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 44次
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内容摘要


高帧率和高分辨率图像采集在高科技研究、工业、医疗、交通、航空等众多领域有着广泛的应用,例如航天和军工中高速物体运动轨迹捕捉、3D动漫、视频定位和测量、高速公路交通监控等。然而,这种图像的连续采集必将产生巨大的数据量,如何实时远程传输这些海量图像数据到计算机进行分析处理,就成为必须研究的课题。光纤通信技术具有频带宽、损耗低、抗干扰能力强等优点,能够满足高速数据远距离传输的要求。PCI Express总线与PCI、PCI-X等总线相比优势明显,特别是速率有了很大提高,PCI Express 1.0单通道单向速率高达2.5Gbps,且最大支持32通道。本文利用光纤通信技术和PCI Express总线的优势,设计了一种高速数据传输系统,实现高速图像数据到计算机的实时远程传输。硬件方面,以Xilinx Spartan-6 LXT系列FPGA为主控器设计了PCI Express光纤卡,利用FPGA内PCI Express硬核实现PCI Express总线协议,利用GTP高速收发器驱动SFP光模块实现光纤通信。使用Verilog HDL进行FPGA内部逻辑设计,实现了光纤数据收发、FIFO缓冲、PCI Express总线的PIO操作、中断控制以及DMA传输等功能,并对各功能模块进行严格地仿真测试。软件方面,使用Windows DDK开发了PCI Express光纤卡的驱动程序,采用WDM驱动模型,实现了中断响应、DMA编程、硬件寄存器读写以及应用程序接口等功能。在驱动程序基础上,在Visual C++开发环境下设计了基于MFC的应用程序,完成图像的接收、显示以及存储。应用程序设计中,使用了多线程技术、DrawDib绘图等多种编程技术,大幅度提高软件性能。在论文最后,给出了系统调试流程及性能分析。经测试,系统传输速度高达1.2Gbps,且能够稳定、可靠地进行图像传输。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-13
  1.1 课题背景  9
  1.2 课题研究现状  9-11
    1.2.1 光纤通信的发展及现状  9-10
    1.2.2 PCI Express总线研究状况  10-11
  1.3 本文研究内容  11-13
2 传输系统的技术分析  13-21
  2.1 PCI Express总线研究  13-19
    2.1.1 PCI Express总线提出  13-14
    2.1.2 PCI Express总线特点  14
    2.1.3 PCI Express拓扑结构  14-15
    2.1.4 PCI Express事务类型  15-16
    2.1.5 PCI Express协议分层  16-18
    2.1.6 PCI Express中断方式  18-19
  2.2 光纤通信技术  19-21
    2.2.1 光纤特点及分类  19
    2.2.2 光纤通信特点和系统结构  19-21
3 系统方案设计  21-25
  3.1 系统概述  21
  3.2 硬件方案设计  21-23
    3.2.1 PCI Express接口方案选择  21-22
    3.2.2 光纤通信方案选择  22
    3.2.3 硬件方案框架  22-23
  3.3 系统软件方案设计  23-25
4 PCI Express光纤卡硬件电路设计  25-30
  4.1 FPGA选型  25
  4.2 SFP接口电路  25-26
  4.3 PCI Express接口电路  26
  4.4 BPI Flash配置电路  26-28
  4.5 时钟设计  28-29
  4.6 电源设计  29-30
5 FPGA逻辑设计  30-50
  5.1 顶层逻辑结构  30-31
  5.2 光纤通信模块  31-38
    5.2.1 GTP硬核简介与定制  31-34
    5.2.2 光纤通信模块时钟设计  34-35
    5.2.3 自定义光纤通信协议  35-37
    5.2.4 数据发送和接收模块设计  37-38
  5.3 缓冲FIFO设计  38-39
  5.4 PCI Express端点硬核模块  39-42
    5.4.1 硬核模块功能和接口简介  39-40
    5.4.2 硬核模块定制  40-42
  5.5 PCI Express应用层逻辑设计  42-50
    5.5.1 接收引擎设计  43-45
    5.5.2 发送引擎设计  45-47
    5.5.3 端点内存设计  47
    5.5.4 中断控制模块设计  47-50
6 系统软件设计  50-61
  6.1 驱动程序设计  50-56
    6.1.1 驱动程序概述  50-51
    6.1.2 驱动开发工具  51-52
    6.1.3 驱动程序的主要例程  52-54
    6.1.4 DMA编程  54-55
    6.1.5 中断处理  55-56
  6.2 应用程序设计  56-61
    6.2.1 界面设计  56-57
    6.2.2 应用程序与驱动程序之间的通信  57-58
    6.2.3 多线程编程  58-59
    6.2.4 DrawDib绘图  59-60
    6.2.5 文件储存  60-61
7 系统调试与性能分析  61-68
  7.1 硬件电路调试  61
  7.2 FPGA逻辑调试  61-65
    7.2.1 PCI Express应用层逻辑调试  62-64
    7.2.2 光纤通信模块调试  64-65
  7.3 系统软件调试  65
  7.4 系统整体测试与性能分析  65-68
    7.4.1 系统整体测试  65-67
    7.4.2 系统最大速率测试分析  67-68
结论  68-69
参考文献  69-71
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  71-72
致谢  72-73

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 光波通信、激光通信 > 光纤通信
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