一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡的制作方法

本发明属于数据传输技术领域，特别涉及一种基于usb3.0的spacewire视频采集卡。

背景技术：

spacewire总线技术是欧空局为解决星上数据传输问题而提出的一种新的高速(2mb/s～400mb/s)、点对点、全双工的串行总线技术。spacewire不仅具有较高的数据传输速率,而且具有很好的emc特性,同时加强了在错误检测与恢复、故障处理和保护以及系统时间广播等方面的功能,使之更加适应航天器的空间运行环境。除此以外,spacewire还致力于各个设备间数据链路接口的兼容性和复用性,使航天器研究的成本大大下降。

目前，spacewire总线在空间任务中还处于试验研究阶段，是未来星载数据总线的首选。由于spacewire总线带宽较高，除用于指令、控制数据的传输外，常被用来传输视频、图像等大容量数据。现阶段主要集中为对spacewire总线的可靠性、稳定性等测试，为空间组网打好基础。因此，出于测试与数据获取的需要，地面设备与spacewire设备的交互也就愈加重要。

usb(universalserialbus)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，目前已成熟稳定应用的usb3.0理论速度达到5gbps，通用设备一般都集成有usb3.0接口，支持热插拔、即插即用、使用方便。因此，通过usb3.0技术采集spacewire视频数据，速率快，实时性高，为spacewire视频采集、传输带来了极大的便利。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明公开一种基于usb3.0的spacewire视频采集卡，为通用设备提供采集spacewire视频设备的能力。

本发明数据缓存模块采用两片sram独立与fpga进行连接，设计乒乓缓存状态机使数据读写可以同时进行，克服sram不支持读写同时进行的问题，提高采集卡的工作效率。

本发明基于usb3.0的spacewire视频采集卡，输入端连接spacewire视频设备，输出端连接带有usb接口的通用设备，为通用设备提供采集spacewire视频设备的能力。

采集卡以fpga为控制核心，采用spacewire应用层协议实现与spacewire视频设备的通信；usb3.0总线通信由usb3.0控制器实现，并采用双sram缓存模块通过fpga中设计的乒乓缓存状态机进行乒乓读写，完成图像数据帧的缓存。

上述fpga用于实现spacewire视频数据的采集与传输，包括spacewire视频数据打包模块，用于完成数据封装；spacewire接口fifo，用于缓存封装好的数据；数据缓存模块，用于驱动sram缓存模块实现视频帧的缓存；usb3.0接口fifo，用于从sram缓存模块中读取数据的缓存；usb3.0传输模块，用于实现usb3.0数据传输。

上述usb3.0控制器端点配置为输入输出双向，usb3.0控制器缓存buffer配置为12个，每个bufffer大小为16kbytes，传输方式为slavefifo模式以适应块数据传输。

本发明的优点在于：

1、本发明基于usb3.0的spacewire视频采集卡，采用高速的usb3.0作为通用设备的采集通道，速率快，即插即用，方便地面通用设备快速对spacewire总线设备的数据采集；

2、本发明基于usb3.0的spacewire视频采集卡，针对不同的视频格式，可对其进行相应的数据封装使采集卡传输速率达到最优效果，具体格式可通过usb进行动态配置，方便灵活，可实现多种视频格式数据采集。

3、本发明基于usb3.0的spacewire视频采集卡，采用两片sram乒乓操作的办法实现了spacewire视频数据的整帧缓存，保证了传输速率的要求，同时克服了fpga内部存储资源有限的问题，保证视频数据完整性，防止出现帧错乱的情况。

附图说明

图1为本发明一种基于usb3.0的spacewire视频采集卡整体结构示意图；

图2为控制核心fpga内部主要模块组成示意图；

图3为本发明一种基于usb3.0的spacewire视频采集卡中设计的乒乓缓存状态机状态转移图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

本发明一种基于usb3.0的spacewire视频采集卡，为通用设备提供采集spacewire视频设备的能力，输入端连接spacewire视频设备，输出端连接带有usb3.0接口的通用设备，为通用设备采集spacewire视频流数据提供接口。

如图1所示，本发明一种基于usb3.0的spacewire视频采集卡，由外围电路与fpga构成，外围电路主要包括电源模块、配置电路、sram缓存模块、时钟电路、spacewire接口电路与usb3.0控制器。

所述电源模块为采集卡各模块及电路提供电源。采集卡通过usb3.0接口接入标准的5v电压电源，通过电源模块转换为各模块所需电压，包括将5v输入电压转换为3.3v电压输出为fpga、sram缓存模块、usb3.0控制器、时钟电路等提供电源，将5v输入电压转换为2.5v电压输出为fpga提供所需电压，将5v输入电压转换为1.2v电压输出为fpga、usb3.0控制器提供所需电压。

配置电路主要用于程序的存储。fpga程序与usb3.0控制器固件程序分别存储在配置电路的两块eeprom中，上电自动运行，无需再次下载。

sram缓存模块为视频帧数据提供缓存空间，采集卡采用两片sram分别独立与fpga进行连接，方便读写控制，提高效率。

时钟电路为fpga与usb3.0控制器提供主时钟，采用外部时钟为20mhz的有源晶振为fpga提供时钟，然后通过fpga内部pll实现时钟倍频输出100mhz和200mhz的时钟信号作为系统时钟使用。采用外部时钟为19.2mhz的无源晶振为usb3.0控制器提供时钟；

spacewire接口电路实现与spacewire视频设备的物理连接。spacewire视频设备信号电平为lvds信号，spacewire接口电路采集lvds信号，经过电平变换芯片将电平转换为ttl电平输入到fpga中。

usb3.0控制器实现采集卡与通用设备数据的交互，通过编写usb3.0控制器的固件程序，实现usb3.0总线协议。固件程序中端点方向配置为输入输出双向，缓存区buffer配置为12个，每个bufffer大小为16kbytes，传输方式为slavefifo模式，这样配置使得usb3.0控制器能以最大缓存空间进行数据的缓存以适应于块传输要求。

fpga为采集卡的控制核心，主要完成spacewire视频数据的采集、封装、缓存与传输，如图2所示，包括spacewire视频数据打包模块、spacewire接口fifo、数据缓存模块、usb3.0接口fifo与usb3.0传输模块。

spacewire视频数据打包模块用来根据usb3.0控制器buffer缓存容量以及所采集的spacewire视频格式，确定usb数据包大小以使传输速率最快。在buffer缓存容量范围之内，所缓存的数据量越大，传输速率也就越快，采集卡采集到sapcewire视频数据后，将数据进行封装以使传输速率最快。本发明通过usb接口可进行采集配置，实现多种视频格式数据的传输，可通过以下方法确定所封装的usb数据包的大小，首先确定采集的视频图像格式，以及采集视频的行数以及列数；通过图像格式可确定每个像素点所占字节数，而行数和列数可确定一帧图像所含像素点个数，其中列数与每个像素点所占字节数的乘积即为一行数据的数据量，usb3.0控制器的每个bufffer的缓存量(即16kbytes)除以一行数据的数据量得到的整数结果即为需要打包成一个usb数据包的行数。为每一帧视频数据封装帧头、帧尾，在每一帧数据中按照上述方法进行usb数据包的封装，使采集卡传输速率达到最优效果。

下面以视频格式为rgb565的bmp格式为例进行数据封装说明，rgb565即{r[4:0],g[5：0],b[4:0]}，共分为红、绿、蓝三种颜色分量，每个像素由16位数据组成，行数为480，列数为640，即每一行数据量为1280bytes。usb3.0控制器的每个bufffer的缓存量(即16kbytes)除以1280bytes结果为12，即为使传输速率最快，每12行视频数据打成一个usb数据包，最接近于每个bufffer的容量。一帧图像数据共计480行，这样每一帧数据可分为40包数据依次通过usb3.0进行发送，具体格式如下：

spacewire接口fifo为异步fifo，功能为实现跨时钟域数据的传输，为spacewire视频数据打包模块与数据缓存模块提供稳定可靠的连接，实现数据的可靠平稳传输。

数据缓存模块功能为缓存spacewire视频数据帧，在外部增加sram缓存模块作为高速采集时视频帧的缓存，并在fpga中设计乒乓缓存状态机控制sram实现缓存功能，使得视频数据读写同时进行，提高采集效率。

所述乒乓缓存状态机状态转移过程如图3所示，各状态所完成功能以及状态转移过程具体如下：

状态机的初始状态idle：系统上电初始化状态，sram信号全部复位；

状态转移条件：复位完成后自动跳转到step1状态；

step1：fpga将spacewire接口fifo中数据读出并检测，数据为帧头时把spacewire接口fifo中的数据写入sram缓存模块中的其中一片sram中，另其为sram-a，另一片为sram-b；

状态转移条件：fpga检测到spacewire接口fifo中数据为帧尾时，表示sram-a中缓存完一帧图像数据，跳转进入step2状态；

step2：fpga把spacewire接口fifo中数据读出并检测，数据为帧头时把spacewire接口fifo中的数据写入sram-b中，与此同时，将sram-a中已经缓存的一帧图像数据读出，输出到usb3.0接口fifo中；

状态转移条件：当sram-a中数据帧读完并且sram-b中缓存完一帧图像数据后进入step3状态；

step3：完成sram-a与sram-b的读写切换；

状态转移条件：读写切换完成跳转进入step4状态；

step4：fpga把spacewire接口fifo中数据读出并检测，数据为帧头时把spacewire接口fifo中的数据写入sram-a中，与此同时，将sram-b中已经缓存的一帧图像数据读出，输出到usb3.0接口fifo中；

状态转移条件：当sram-b中数据帧读完并且sram-a中缓存完一帧图像数据后进入step5状态；

step5：完成sram-a与sram-b的读写切换；

状态转移条件：读写切换完成跳转进入step2状态；

usb3.0接口fifo为异步fifo，功能为实现跨时钟域数据的传输，为数据缓存模块与usb3.0传输模块提供稳定可靠的连接，实现数据的可靠平稳传输。

usb3.0传输模块功能为驱动usb3.0控制器实现usb3.0数据传输。当usb3.0接口fifo中有数据待读时usb3.0传输模块把usb3.0接口fifo中数据写入usb3.0控制器，当usb3.0接口fifo中读出数据为包尾时，usb3.0传输模块写入短包结束标志，实现一包数据的传输。

本发明基于usb3.0的spacewire视频采集卡，工作具体步骤为：

步骤一、fpga把接收到spacewire视频数据通过打包模块进行打包封装；

步骤二、fpga把封装好的spacewire数据包写入spacewire接口fifo中；

步骤三、fpga检测到spacewire接口fifo中有数据写入时，把spacewire接口fifo中数据读出并检测，数据为帧头时，通过缓存模块把数据写入sram中；

步骤四、fpga检测到spacewire接口fifo中数据为帧尾，一帧图像数据缓存完毕，把sram中缓存的数据读出并写入usb3.0接口fifo中；

步骤五、fpga通过usb3.0传输模块把usb3.0接口fifo中的数据通过usb3.0传输到通用设备。