数字图像远程光纤传输与PCIE高速通信系统研制

发布时间：2017-09-26 21:41

  本文关键词：数字图像远程光纤传输与PCIE高速通信系统研制

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【摘要】：随着数字图像采集、传输技术的不断发展,高速成像系统在科学研究、交通、医疗、航天航空等领域中的应用将越来越广泛,例如公路交通中的监控拍照、航天航空领域中物体高速运动轨迹的捕捉、汽车碰撞分析、爆炸分析等。近年来,随着世界各国在高速成像系统领域的投入日益加大,成像技术不断突飞猛进,国内也正在积极开展着高速成像系统的研究与应用。但是,这种大数据量的数字图像的瞬时采集、高效缓存、实时传输等将会耗费很大的处理承载、运算负担和传输带宽,因此,对高速成像系统中的关键技术进行持续研究仍然是数字成像领域的必须面对的课题,以期进一步提升性能指标以及获取更高成像效率。本文正是针对成像系统中的远程传输与高速通信环节,基于Xilinx Kintex-7系列FPGA芯片,研制了图像数据传输、通信的硬件平台,编制、调试了相关软件与时序,着力解决高速成像系统中的大批量数据的远程、实时、高效传输与通信瓶颈,为成像系统提供图像数据的高效流转桥梁。本文主要工作包含以下这几个部分:(1)对成像系统整体构架进行了研究,通过对图像采集、控制、缓存和传输等成像系统中关键技术的分析,确立了传输通信的后端单元方案设计,该单元负责对前端传感器单元采集到的图像数据进行10Gbps SFP+光纤远程接收、本地缓存,并通过PCIE接口与末端PC主机进行DMA实时通信交换。(2)所设计系统选择Xilinx公司Kintex-7系列高端FPGA作为主控芯片,通过对系统中各个环节进行分析,确定系统中各个具体器件的选型,完成了SFP+光纤通信接口模块、PCI Express通信接口模块的设计,并描述了整体系统的硬件设计与具体实现。(3)本文进一步分两个章节分别对光纤通信模块的数字图像远程SFP+传输与PCIE总线的链式DMA传输进行了详细阐述并验证分析,软件设计整体分为FPGA硬件逻辑设计与上位机PC控制软件设计,而FPGA逻辑设计主要分为图像数据接收模块、图像数据存储模块以及PCIE数据通信模块。本文通过引入高性能FPGA芯片、芯片内置的RAM作为缓存、先进SFP+光纤传输接口、第三代总线技术PCI Express(PCIE)接口,使高速成像系统研制成为可能。实验结果表明,本文所设计的高速成像系统方案及其局部模块是可行的,数据在传输过程中有高速、稳定的特性,也为后期进一步研究打下了良好的基础。
【关键词】：高速成像 远程传输 FPGA SFP+ PCI Express
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.11
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 课题研究背景9
• 1.2 课题研究目的和意义9-10
• 1.3 国内外发展现状10-11
• 1.3.1 光纤通信的发展及现状10-11
• 1.3.2 PCI Express总线研究状况11
• 1.4 本文的主要工作与内容安排11-13
• 2 系统总体方案设计13-19
• 2.1 系统总体方案分析13
• 2.2 核心控制器件选型13-15
• 2.3 数据传输接口选择15-16
• 2.4 光纤通信方案选择16
• 2.5 成像系统总体框架16-17
• 2.6 本章小结17-19
• 3 系统硬件设计与实现19-31
• 3.1 系统总体硬件电路构成19
• 3.2 成像控制与传输板电路设计19-30
• 3.2.1 电源电路设计20-22
• 3.2.2 时钟电路设计22-23
• 3.2.3 复位电路设计23-24
• 3.2.4 FPGA配置电路设计24-25
• 3.2.5 PCIE接口电路设计25-28
• 3.2.6 SFP+光模块电路设计28-30
• 3.3 本章小结30-31
• 4 SFP+通信原理与实现31-41
• 4.1 10GE光接口规范31
• 4.2 SFP+光模块31-32
• 4.3 光纤传输32-33
• 4.4 GTX收发器33-35
• 4.5 数据发送和接收模块设计35-36
• 4.6 光纤通信性能测试36-41
• 5 PCIE通信原理和实现41-67
• 5.1 数据传输模块逻辑设计41
• 5.2 PCIE总线概述41-45
• 5.3 PCIE硬核概述45-48
• 5.4 BAR空间映射模块设计48-51
• 5.5 接收引擎模块设计51-53
• 5.6 基于链式DMA的发送引擎模块设计53-57
• 5.7 测试结果分析57-62
• 5.8 系统整体测试62-66
• 5.8.1 硬件电路调试62-63
• 5.8.2 驱动程序设计63
• 5.8.3 上位机控制软件设计63-66
• 5.9 本章小结66-67
• 6 总结与展望67-69
• 6.1 总结67
• 6.2 展望67-69
• 致谢69-71
• 参考文献71-75
• 附录75
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录75
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录75

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1 王珏;;数字图像质量解析[J];美术大观;2010年01期

2 王刚;;数字图像的快速与科学识别研究[J];艺术与设计(理论);2012年12期

3 黄];杨h接，

本文编号：925895