基于PCI总线多通道数据采集系统的设计

＿Ｑ　Ｃ　Ｉ－１　７　１　２的高速数据采集系统设计　Ｉ　Ｊ　

的　Ｄｅｓｉ９ｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｄａｔａ　ＡｃｑｕｉＳｉｔｉ　Ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＰＣＩ－１７１２　高　速　数　李锦王琪宫明广江民俊王磊　据　采　Ｌｉ　Ｊｉｎ　Ｗａｎｇ　Ｑｉ　Ｇｏｎｇ　Ｍｉｎｇｇｕａｎｇ　Ｊｉａｎｇ　Ｍｉｎｊｕｎ　Ｗａｎｇ　Ｌｅｉ　集　（南昌航空大学信息工程学院，江西南昌３３００６３）　系　统　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００６３）　设　计　

摘要：本文介绍了一种基于ＰＣＩ一１７１２数据采集卡的声信号高速采集系统。通过硬件电路对传声器拾取的微弱信号进行　放大、滤波，并借助ＰＣＩ一１７１２卡作为硬件采集平台，采用Ｃ＋＋高级语言在Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ编程环境中对采集卡进行驱动和控　制，实现了声信号的高速采集、传输和存储。该系统可广泛应用于多种高速数据采集领域，具有良好的通用性和可扩展性。　关键词：ＰＣＩ－Ｉ７１２；ＤＭＡ；高速采样；Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ　中图分类号：ＴＰ２７４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１－４７９２－（２００９）１１－Ｏｆ２１－０４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣＩ一１７１２　Ｃａｒｄ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｈｉｃｈ　ａｍｐｌｉｆｉｅｓ　ａｎｄ　ｆｉｉｔｅｒｓ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｍｉｃｒ０ｐｈ０ｎｅｓ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，　ａｎｄ　Ａｄｖａｎｔｅｃｈ　ＰＣＩ－１７１２　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｕｓｉｎｇ　Ｃ＋＋ｌａｎｇｕａｇｅ　ｉｎ　（：＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ　ｐｒＯｇｒａｍｍｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉＯｎ　ｂｏａｒｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　ｓｔｏｒａｇｅ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉＯｎ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＣＩ一１７１２：ＤＭＡ；Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；Ｃ＋十Ｂｕｉｌｄｅｒ　

现场总线与网络　Ｆｉｅｌｄ　Ｂｕｓ　ａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第２期　基于Ｐ　Ｃ　ｌ总线多路图像采集卡的研究　朱海宽，万丽雯　（１．南昌大学科技学院信息学科部电子系，江西南昌３３００２９；２．华东交通大学理工学院电气与信息工程分院，江西南昌３３０１００）　摘要：本文在设计了一种基于ＰＣＩ总线的多路同步图像采集卡，该视频采集卡以ＦＰＧＡ为逻辑控制中心，采用ＳＡＡ７１ｌ１将四路视频信号　分别转换为数字图像数据，经ＦＩＦＯ缓存后，由ＰＣＩ总线接口芯片ＰＣＩ９０５２将数据送入计算机，最后通过应用程序将图像显示出来。　关键字：ＰＣＩ总线；视频采集卡　区动程序；ＦＰＧＡ　中图分类号：ＴＰ３３６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３～７２４１（２００８）０２—００９３—０４　ＰＣＩ　Ｂｕｓ－・Ｂａｓｅｄ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　Ｉｍａｇｅ　Ａｃｑｕｓｉｔｉｏｎ　Ｃａｒｄ　ＺＨＵ　Ｈａｉ－ｋｕａｎ　，ＷＡＮ　Ｌｉ－ｗｅｎ。　（１．Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎａｎｃｈａｎｇ，３３００２９　Ｃｈｉｎａ；　２．ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＮａｎｅｈａｎｇ３３０１００Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣＩ　ｂｕｓ．Ｔｈｉｓ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＦＰＧＡ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ　４　ＭＵＸ　ｉｍａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｉｎｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｄａｔａ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＳＡＡ７　１　１　１．Ａｆｔｅｒ　ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ａｎ　ＦＩＦＯ，ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ｒｅａｄ　ｉｎｔｏ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｂｙ　ａ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ＰＣＩ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｈｉｐ（ＰＣＩ９０５２）．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＣＩ　ｂｕｓ；ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ；ｄｒｉｖｅｒ；ＦＰＧＡ　１引言　随着视频技术以及大规模集成电路的飞速发展，视频监控系　统的应用越来越广泛。作为其核心，视频采集技术也日趋成熟。　目前，大多数采集卡都采用了视频局部总线，可以将图像数据直接　采入内存，采集卡不再需要专门的帧存储体。其中基于ＰＣＩ总线　的视频采集卡以其强大而灵活的功能和价格而成为目前市场上的　主流产品ＢＩＳｌ。　本文研究—个支持四路标准视频信号输入，采集的像素阵列　为７２０Ｘ５７６每秒钟采集２５帧８位黑白图像的高速图像采集卡。　该数据采集卡能够多路同步显示，减少了所要了解对象的盲区，同　时能够监测运动物体。对此现在国外的技术比较成熟，但价格均　昂贵，而国内研究比较　５】。因此，本文对其进行研究，具有较高的　应用价值。　２基于ＰＣＩ总线图像采集卡的总体方案　本文设计的图像采集卡系统原理如图１所示。整个系统中，　ＦＰＧＡ是中心控制器件，它协调各个部分的时序和工作嗍。系统上　电后，它负责图像采集模块的初始化，数据缓冲模块的数据写入，　收稿日期：２　０　０　７—１　０—１１　ＰＣＩ系接口的状态转换和数据传输。基于ＦＰＧＡ技术的采样控制　器要产生众多的控制信号，可以分成三个模块：图像数据采集控制　（Ｉ２Ｃ总线）、ＦＩＦＯ读写控制器、与ＰＣＩ接口通信模块。　本图像采集卡设计中关键技术有：　①四路ＣＣＤ摄象机的同步控制设计中摒弃了选用视频分配　放大器ＭＡＸ４ｌ３７，以一个ＣＣＤ视频输出信号为基准源，经过同　步电路分配放大后，作为其余ＣＣＤ摄象机的外同步信号的硬件　实现控制方案，采用现有的现场可编程门阵列（Ｆ＇ＰＧＡ）进行同步的　逻辑控制。　②标准视频信号采集模块的设计　采用视频解码芯片ＳＡＡ７１１１，对摄像头输出的标准模拟视　频信号进行采集，输出数字视频信号、分离后的同步信号以及采　样时钟。视频解码芯片的初始化通过ＦＰＧＡ模拟Ｉ２Ｃ总线来实　现，摒弃了通过单片机或ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ端口模拟Ｉ　Ｃ总线的时序的　硬件方案。　③数据缓冲与传输控制逻辑的实现　解码芯片输出的数字视频信号传输速度快、数据量大，同　步传输会大量占用计算机的资源，因此有必要对数据进行缓冲。　这里采用容量为１６３８４ｘ９ｂｉｔ的型号为ＩＤＴ７２０６的ＦＩＦＯ，同时，　采用可编程逻辑器件进行图像传输的逻辑控制，

第5卷 第10期 中 国 水 运 Vol.5 No.10 2007年 10月 China Water Transport October 2007

收稿日期：2007-8-4 作者简介：周敏均 （1983-） 杭州电子科技大学 自动化学院 研究生 （310012） 研究方向：

检测技术与自动化装置

8路 摄相头

摄相头 视频采集卡

SAA7130

SAA7130 8路 PCI6150 辅助芯片

PCI

Bus 计算机 基于PCI总线的视频采集卡驱动程序的设计与实现

周敏均 杨成忠 江加加

摘 要：本文介绍了基于PCI总线的视频采集卡驱动程序的设计和实现。视频采集卡基于PCI总线的设计更好地满足了高速大容量的数据传输需求；针对视频设备的内核流驱动的设计更方便了上层应用软件的开发。该视频采集卡

驱动已经成功应用于视频监控系统中，有效地提高了视频监控系统的功效。

关键词：PCI总线 视频采集卡 内核流驱动

中图分类号：TP311.131 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）10-0149-03

一、引言 随着计算机、网络、多媒体技术以及全球安防事业的迅

猛发展，数字视频技术得到了长足地发展，视频采集卡的应

用也越来越广泛。但是由于视频数据传输高速、大量的特点，

传统的使用基于串口、并口或ISA总线传输数据的方式已经

不能满足其传输的需求。同时，由于其复杂性，现在各厂商

都是自己提供采集卡的SDK，没有统一的界面，使得上层应

用的开发和设备的使用非常不便，而基于内核流的驱动程序

能够很好的解决这个问题，上层应用程序能够通过系统提供

的统一接口访问底层硬件。当前，基于PCI总线的视频采集

卡以其强大而灵活的功能、高度的集成性成为主流产品。为

此，本文设计了基于PCI总线的视频采集卡，并开发了相应

的基于内核流的驱动程序。

二、视频采集卡硬件系统 PCI总线是近年来出现的一种高性能的局部总线，它理

论上提供133MB/s的传输速率，支持猝发式读写，具备完整的多总线主控能力，支持即插即用，很适合网络适配器、

第四章 数据采集卡硬件实现

第四章 数据采集卡硬件实现

本章将着重讨论数据采集系统中的各硬件模块及功能模块，从关键器件的选择到硬件电

路的设计，都有较详细的分析。首先给出系统的硬件框图，然后按框图结构对各个模块予以

详细的介绍，其中着重介绍了控制电路的工作原理。

基于PCI总线的数据采集卡主要由PCI接口模块，数据存储模块，AD转换模块以及CPLD

逻辑控制模块等组成，其基本工作原理是通过高速A/D将外部模拟信道的信号进行采样，先

将采样数据存储在FIFO中，当FIFO半满时，会产生一个半满信号HF通知CPLD使其产生控

制信号用来控制PCI9054执行DMA传送，将数据读入到电脑内存中，这样就可以在电脑中对

数据进行分析处理。图4–1是硬件结构简图(原理图请详见附录I～Ⅴ)：

图4–1 数据采集卡硬件结构简图

4.1 数据采集卡的功能模块介绍

数据采集的过程如下:传感器出来的小电压、小电流信号经过信号条理，送到A/D转换模

块，从而将模拟信号转换为数字信号后，送到FIFO中缓存起来，实现一级缓存，这些缓存的

数据再通过PCI总线接口芯片PCI9054以主控的DMA方式送到计算机内存中。

数据采集的控制逻辑是由一片Altera公司的PLD芯片EPM3064构成的控制模块来完成的。

控制模块的主要功能有两部分:一是产生分频信号，由于对采样频率要求不同，所以通过控

制模块分频产生采样信号;二是根据FIFO模块的状态信号(FIFO半满、FIFO空)和接口模块的

一些状态、命令信号，产生对A/D转换模块和FIFO模块的控制信号和对接口模块命令响应的

状态信号。

在下面的几节，我们将具体介绍各个模块的功能和实现。其中PCI接口芯片PCI9054的结

构、功能原理在第三章有详细介绍。

- 21 - 东南大学硕士学位论文

4.1.1 PCI接口模块

型号：PCI9054-AC50PI，封装：PQFP-176

这是本电路图的核心部分，采用了PLX公司的PCI主设备芯片。