基于usb3.0的红外数字图像注入式仿真系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统及方法，它主要用于为红外图像实时信号处理平台提供仿真环境。该系统包括一台带有USB3.0接口的主机和一个红外数字图像注入式仿真器，其中仿真器又包括USB3.0控制器芯片、FPGA、DDR2SDRAM以及外围设备接口。该系统的注入式仿真方法包含以下几个方面：1.将USB3.0控制器芯片配置成Slave?FIFO模式，建立一个DMA传输通道；2.利用FPGA内建的图像数据接收模块从Slave?FIFO中读取数据；3.利用FPGA内建的图像数据缓存模块读写DDR2SDRAM以实现数据的高速缓存；4.利用三种不同的接口方式将数据发送至后级平台。本发明的优点在于：采用最新的USB3.0协议，数据传输速率高，实时性好，便携性强。
【专利说明】基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统及方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及红外数字图像注入式仿真技术，具体来说是一种基于USB3.0的高速数据传输的红外注入式仿真系统及方法，它主要用于为红外图像实时信号处理平台提供仿真环境。
【背景技术】:
[0002]红外光电成像探测设备通常是由红外成像传感器和实时图像信号处理平台两部分构成。实时图像信号处理平台的主要任务是将红外成像传感器发送过来的图像信号进行分析处理，利用相应的算法从复杂背景中检测出特定目标，对目标进行跟踪或识别。红外光电成像探测设备的性能好坏在很大程度上取决于目标检测和跟踪算法的实现情况，在研制过程中需要反复验证。正因为如此，各种仿真试验和仿真系统的设计便应运而生了。
[0003]仿真试验主要有两种类型，数字注入式仿真与半实物仿真。前者花费低且灵活性高。传统的红外注入式仿真系统一般是基于USB2.0接口或者PCI总线的。USB2.0最高的总线传输速率能达到60MByte/s，但是考虑到协议开销、数据发送进程优先级等因素，实际使用过程中发现只能达到20MByte/s的平均传输速率。对于图像分辨率为320x256的一帧红外仿真图像，如果数据精度为14-bit，那么受到USB2.0数据传输速率的限制，帧频只能达到100帧/s的水平；更严重的是，如果要配合一些大面阵、多波段探测的红外光电成像探测设备，其每一帧全景图像数据大小就达到了大约21.75MByte，结合实际帧频要求之后平均数据传输速率不低于30MByte/s。因此，USB2.0总线的传输带宽是无法满足高速的红外数字图像注入式仿真系统的。
[0004]PCI是CPU和系统总线之间的一级局部总线标准，其传输速率高于USB2.0。最新的PC1-E总线标准在传输速率上更是突飞猛进，采用了点对点串行连接方式，规定总线可以拥有I?32个通道的多种规格，每个通道的单向传输速率可以达到2.5Gbit/s，可以满足高速传输的要求。但是PCI总线不支持热插拔，也不利于做成便携式设备，应用普及程度远不及USB接口那么广泛。
[0005]因此设计一个能够实现高速数据传输、体积小巧、便携性强的红外数字图像注入式仿真系统非常必要。2008年新的USB3.0协议制定并发布，支持该协议的商用控制器及接口芯片也于2009年下半年推出。新协议规定计算机与外围设备能够以超高速模式下5Gbit/s的传输速率通信，是USB2.0高速模式下的10倍，非常适合红外注入式仿真系统的高速传输要求。同时，利用FPGA作为接口控制器和SDRAM控制器的设计，可以充分发挥FPGA可重复配置、实时性控制性能好的特点，在编程时能够合理地划分数据交换模块和时序逻辑控制模块。
【发明内容】
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[0006]本发明的目的在于提供一种基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统及方法,解决红外注入式仿真数据传输速率低、实时性差的问题。[0007]为实现上述目的，本发明所采用的硬件平台主要包括主机和红外数字图像注入式仿真器。
[0008]各个硬件组成部分需要满足:所述的主机具有USB3.0接口。所述的红外数字图像注入式仿真器包括一片USB3.0控制器芯片，一片FPGA，一片DDR2SDRAM以及外围设备接口。所述的USB3.0控制器芯片具有一个连接主机的USB3.0接口，和一个连接外部设备的GPIFII接口。所述的FPGA具有存储器控制器模块(MCB)。所述的DDR2SDRAM具有IGbit存储容量和16位数据总线。所述的外围设备接口具有与后级的红外图像实时信号处理平台相匹配的接口。
[0009]各个硬件组成部分的连接关系为:主机和红外数字图像注入式仿真器之间通过USB3.0传输线缆连接；注入式仿真器和红外图像实时信号处理平台之间通过外围设备接口连接。
[0010]本发明具体实现红外注入式仿真的流程如下:
[0011]步骤1:通过固件程序设计将USB3.0控制器芯片配置成从器件FIFO (Slave FIFO)模式，建立一个DMA传输通道；
[0012]步骤2:主机通过USB3.0接口将红外仿真图像数据发送到USB3.0控制器芯片的从器件 FIFO (Slave FIFO)中；
[0013]步骤3:利用FPGA中的图像数据接收模块不间断地读取从器件FIFO (Slave FIFO)中主机发送过来的数据，并在输入FIFO缓冲单元中进行缓存；
[0014]步骤4:通过FPGA内建的图像数据缓存模块中的SDRAM控制单元将输入FIFO缓冲单元中接收到的数据写入DDR2SDRAM中；
[0015]步骤5 =SDRAM控制单元将缓存在DDR2SDRAM中的红外仿真图像数据读回并写入输出FIFO缓冲单元中；
[0016]步骤6:通过FPGA中的图像数据发送模块从输出FIFO缓冲单元中读取数据，通过与后级红外图像实时信号处理平台相匹配的外围设备接口发送数据。
[0017]本发明的显著特点在于以下几点:
[0018](I)数据传输速率高，实时性好。USB3.0支持超高速模式下5Gbit/s的传输速率，能够满足绝大多数情况下红外图像实时信号处理平台的仿真要求。利用FPGA内部丰富的块存储器(Block RAM)资源生成输入、输出FIFO缓冲单元，配合高速大容量的DDR2SDRAM，可以应对大数据量的连续批量读写和突发读写，为高速传输提供数据缓存保障，实现输出红外仿真图像连续无间断。
[0019](2)可编程设计，灵活性高。作为红外数字图像注入式仿真器的核心部件，利用FPGA来设计数据交换模块和时序逻辑控制模块，充分发挥FPGA可编程可重复配置、时序控制能力强的特点。同时，所选取的USB3.0控制器芯片是基于ARM9内核的，提供一个高性能通用可编程接口 GPIF II，拥有256种固件可编程状态，可以灵活配置成不同的模式。
[0020](3)采用模块划分的方案，根据数据流方向将FPGA编程设计划分成图像数据接收模块、缓存模块和发送模块等，各个模块之间相对独立又相互联系，在具体实施时可以分模块分步实现，条理清晰，便于编程，并且模块的可重用性好。
[0021](4)提供丰富的接口资源，可以根据后级的红外图像实时信号处理平台所要求的接口方式将红外仿真图像数据输出，与现有的设备平台相配套。[0022](5)体积小巧，便携性强。整个红外数字图像注入式仿真器集中在一块板卡上，大大减小了系统的体积和重量，便于携带，有利于进行移动性的实地试验。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统的系统框图。
[0024]图2是USB3.0控制器芯片在从器件FIFO (Slave FIFO)模式下构建的DMA传输通道结构图。
[0025]图3是基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真的流程图。
【具体实施方式】:
[0026]下面根据附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0027]图1是基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统的系统框图。
[0028]本发明所采用的硬件平台为:一台主机，一片USB3.0控制器芯片，一片FPGA，一片DDR2SDRAM以及外围设备接口。
[0029]所述的主机具有USB3.0接口，主机内存储有实际外场试验获得的红外图像数据，并安装有红外数字图像注入式仿真器驱动程序。
[0030]所述的USB3.0控制器芯片选用了 Cypress公司的CYUSB3014芯片。这款芯片符合USB3.0标准，并向下兼容低版本的USB协议。其内部集成一个32位ARM926EJ-S处理器内核，核心工作频率为200MHz，数据处理能力十分强大。CYUSB3014拥有一个能够实现5Gbit/s传输速率的GPIF II接口，通过这个接口可以和任何处理器、ASIC或者FPGA连接，接口最高工作时钟能够达到100MHz，支持8位、16位、32位并行数据总线。CYUSB3014内嵌512KByte容量的SRAM来存储代码和数据，主要通过固件程序和内部DMA通道来配置和管理USB3.0接口和GPIF II接口之间的数据传输。
[0031]所述的FPGA 选用 了 Xilinx 公司 Spartan-6 系列的 XC6SLX45FGG484。该型号 FPGA拥有丰富的逻辑资源，使用SPI方式配置，最大用户I/O 口达到358个。内部共有2088Kbit的块存储器(Block RAM)，可以用来构建FIFO缓冲单元，并且还有2个存储器控制器模块(MCB)，可以很方便地控制外部的DDR2SDRAM，利用这些资源实现数据的缓存，保证高速数据传输。
[0032]所述的DDR2SDRAM 芯片选用 了 Micron 公司的 MT47H64M16HR，该型号 DDR2SDRAM 总容量为1Gbit，读写速率最高能够达到12.8Gbit/s。考虑到数据输入和输出是共享带宽的，折半后的单方向读写速率仍然超过了 USB3.0的传输速率，能够为高速数据传输提供缓存，不会造成瓶颈。
[0033]所述的外围设备接口包括Camera Link接口、光纤接口和LVDS接口。
[0034]所述的Camera Link接口选用DS90CR287MTD实现输出功能，全部的发送信息包括14位数据信号和4位视频控制信号。其中视频控制信号包括帧同步信号(FVAL)、行同步信号(LVAL)、数据有效信号(DVAL)和像素时钟信号(CLOCK)。
[0035]所述的光纤接口包括一个光纤接插件HFBR-5208和一片并串转换芯片MAX9217。FPGA通过内部的光纤接口控制单元控制MAX9217发送光纤数据。
[0036]所述的LVDS接口直接连接FPGA的3对差分1/0引脚作为差分输出。选用针式DB9插座作为接插件。
[0037]所述的这三种接口所支持的最高数据传输速率均低于5Gbit/s，利用USB3.0作为数据传输接口能够满足红外仿真图像数据通过上述三种接口注入到后级设备中的要求。
[0038]图2是USB3.0控制器芯片在从器件FIFO (Slave FIFO)模式下构建的DMA传输通道结构图。
[0039]USB3.0控制器芯片是同时拥有USB3.0接口和GPIF II接口的。其中，USB3.0接口负责连接主机，GPIF II接口负责连接FPGA。在从器件FIF0(Slave FIFO)模式下，endpoint只存在于USB3.0接口这一侧，从主机的角度来看，根据数据传输方向的不同，可以分为生产者endpoint和消费者endpoint。具体应用到本发明中，使用的是生产者endpoint。
[0040]要建立一个DMA传输通道，还需要位于通道两端的两个socket来实现数据流入和流出。根据数据传输方向的不同，这两个socket也分成生产者socket和消费者socket。最后，通过改变USB3.0控制器芯片与FPGA相连的2_bit地址线来选定一个特定的thread，将所要建立的DMA传输通道映射到这个thread上，这一整条位于芯片内的数据传输链路就成功建立起来了。对于一个已成功建立的DMA传输通道，是通过用户自定义的固件程序设计和外部硬件连接从而实现endpoint、socket和thread所对应的映射关系的。
[0041]图3是基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真的流程图。
[0042]DMA传输通道建立之后，主机就可以通过上位机软件的控制将红外仿真图像数据发送到USB3.0控制器芯片的从器件FIF0(Slave FIFO)中。然后利用FPGA中的图像数据接收模块不间断地读取从器件FIF0(Slave FIFO)中主机发送过来的数据，并在输入FIFO缓冲单元中进行缓存。FPGA与GPIF II接口采用16_bit数据总线连接，根据从器件FIFO (Slave FIFO)同步读操作的时序要求，GPIF II接口中的SLRD、SLOE等控制信号的电平高低必须统一在PCLK的有效时钟沿变化。因此本发明将FPGA的全局时钟信号输出，作为USB3.0控制器芯片的PCLK时钟信号。
[0043]FPGA与DDR2SDRAM也是通过16_bit数据总线连接。可以利用FPGA内嵌的存储器控制器模块(MCB)资源来实现SDRAM控制单元的功能。存储器控制器模块(MCB)被配置成2个用户通道，其中一个用于将输入FIFO缓冲单元中的数据写入DDR2SDRAM中，另一个则用于将数据从DDR2SDRAM中读出。控制单元还输出DDR2SDRAM的空/满信号，表明其中有无数据，以便外围程序控制。并且，图像数据缓存模块引入仲裁机制，判断当只出现了单次小数据量的传输任务时，输出FIFO缓冲单元可以直接从输入FIFO缓冲单元中得到数据，闲置DDR2SDRAM为空，充分优化资源。当面临连续批量的高速数据传输时，再重新启用DDR2SDRAM充当缓存。
[0044]图像数据发送模块从输出FIFO缓冲单元中读取数据，发送给后级红外图像实时信号处理平台，并且按照后级平台的不同接口要求进行配置。LVDS接口直接连接FPGA的3对差分I/o引脚作为差分输出，其中一对传输的是差分时钟信号。Camera Link接口和光纤接口共用数据总线。使用Camera Link接口的像素时钟信号(CLOCK)作为光纤接口的时钟信号，行同步信号(LVAL)作为光纤接口的数据输入使能信号(DE_IN)，并且将帧同步信号(FVAL)和数据有效信号(DVAL)连接到光纤接口数据线的最高2位和控制线的最低2位。因此，图像数据发送模块可以根据实际应用中后级平台的不同要求，选择Camera Link接口、光纤接口或者LVDS接口中的一种输出红外仿真图像，或者在使用Camera Link接口 输出的同时，由光纤接口输出相同巾贞格式的红外仿真图像。
【权利要求】
1.一种基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统，它包括主机和红外数字图像注入式仿真器，其特征在于: 所述的主机为具有USB3.0接口的计算机； 所述的红外数字图像注入式仿真器包括一片USB3.0控制器芯片，一片FPGA，一片DDR2SDRAM以及外围设备接口 ；其中，所述的USB3.0控制器芯片具有一个连接主机的USB3.0接口，和一个连接外部设备的GPIF II接口 ；所述的FPGA具有存储器控制器模块；所述的DDR2SDRAM具有IGbit存储容量和16位数据总线；所述的外围设备接口具有与后级的红外图像实时信号处理平台相匹配的接口； 主机和红外数字图像注入式仿真器之间通过USB3.0传输线缆连接；注入式仿真器和红外图像实时信号处理平台之间通过外围设备接口连接。
2.一种基于权利要求1所述系统的红外数字图像注入式仿真方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:通过固件程序设计将USB3.0控制器芯片配置成从器件FIFO模式，建立一个DMA传输通道； 步骤2:主机通过USB3.0接口将红外仿真图像数据发送到USB3.0控制器芯片的从器件FIFO中； 步骤3:利用FPGA中的图像数据接收模块不间断地读取从器件FIFO中主机发送过来的数据，并在输入FIFO缓冲单元中进行缓存； 步骤4:通过FPGA内建的图像数据缓存模块中的SDRAM控制单元将输入FIFO缓冲单元中接收到的数据写入DDR2SDRAM中； 步骤5 =SDRAM控制单元将缓存在DDR2SDRAM中的红外仿真图像数据读回并写入输出FIFO缓冲单元中； 步骤6:通过FPGA中的图像数据发送模块从输出FIFO缓冲单元中读取数据，通过与后级红外图像实时信号处理平台相匹配的外围设备接口发送数据。
【文档编号】G06F13/28GK103853642SQ201410020845
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】张昊, 汤心溢, 李争, 岳振, 卢怡丹 申请人:中国科学院上海技术物理研究所