专业好文档基于 FPGA 的图像光纤传输系统设计董林粒 郭大江（1. 2 成都理工大学信息科学与技术学院，成都 ）摘要摘要：提出一种基于 FPGA 和光纤的图像传输系统，阐述使用 Lattice 公司的 FPGA 和 SDRAM 构建图像缓存模块以及使用其内嵌的高速串口（SERDES）代替传统的串并转化器来完成图像光纤传输的方法。着重介绍系统的硬件设计和基于的 FGPA 的相关实现技术。关键词关键词：FPGA，光纤传输系统，高速串口，图像缓存，DDR2 SDRAMAbstract: This paper present an image transmission system based on FPGA and optical fiber,introduces the use of Lattices FPGA and SDRAM to construct image cache module and the use of the SERDES embedded in FPGA take place of the traditional methods of SERDES to complete image transmission. Focuses on the systems hardware architecture design and image processing technology based on FPGA .Keywords: FPGA，Optical fiber transmission system，SERDES，Image Cache，DDR2 SDRAM0 引言DVI 传输是将数字信号直接传送到显示设备上，因此它的速度较快，信号衰 减较小，图像比较清晰的特点。但是进行远距离图像传输时，由于 DVI 信号衰 减较大，影响图像传输质量。 光纤传输具有损耗低、抗干扰性强、带宽高、传输距离远等特点，现在应 用越来越广泛。本系统将DVI的图像数据转换成光信号后，通过光纤进行远距离 传输，这样可以及避免DVI信号传输的缺点。 随着半导体工艺的快速发展，一些主流的FPGA芯片在逻辑资源、性能、速 度以及可靠性方面都在不断地提高，尤其芯片内嵌各种硬核与软核模块可以使 FPGA的逻辑设计更加快捷方便。1 系统介绍本系统包含图像光纤发送和图像光纤接收两部分，见图 1 所示。DVI 接口DVI 解码FPGASDRAMSERDESFPGASERDESDVI 接口DVI 编码SDRAMSDRAMSDRAM光纤发送块光纤接收模块光纤接口光纤接口图 1：图像光纤传输器系统框图专业好文档整个光纤传输系统的工作流程：在发送端，前端 DVI 解码部分将 DVI 信号解码成 YUV 或者 RGB 格式的并行数据流后送至 FPGA，FPGA 与片外的 SDRAM 完成图像数据缓存，并且 FPGA 内嵌的高速串口（SERDES）将缓存数据进行并串转换形成高速串行数据，然后将数据 发送出去，光纤模块接收到数据后，将电信号转化成光信号通过光纤传输。在接收端，工 作流程与发送端相反，先是光纤模块将光信号转化成电信号后送给 FPGA，FPGA 内嵌的 SERDES 模块将高速串行数据进行串并转换后送给图像缓存模块，然后 DVI 编码模块对图像 缓存模块中的数据完成 DVI 信号编码。2 系统设计整个图像光纤传输系统设计的关键在于 FPGA 硬件设计、图像缓存部分设计、串并转换 逻辑、光纤模块设计和 FIFO 控制设计，由于 DVI 解码模块和编码模块比较成熟，限于篇幅 原因不在本文讨论之列。 2.1 FPGA 硬件设计 如图1所示，FPGA作为系统的核心部件，主要完成数据的串并转换、数据缓存以及编解 码逻辑控制等功能，其核心任务是3G-SDI接口设计和基于双端口存储器（Embedded Block RAM）的FIFO设计。 系统考虑到逻辑资源容量、I/O接口、以及与SDRAM连接High-speed I/O资源等情况后， 选用Lattice公司ECP3-35-484，该器件具有33K的LUTs（逻辑单元） 、295个可配置IO引脚、 丰富的PLL和DLL资源、支持SDRAM的High-Speed IO接口、以具有4个通道的Embedded SERDES，满足系统需求。 Lattice公司ECP3系列FPGA内嵌的SERDES模块是一种高速串行收发器,支持高达 3.125G/s的3G-SDI信号传输、支持8B/10B线路编解码、串并转换、行提取与插入、视频成 帧和时序提取、CRC编解码等功能。同时可以与光纤模块进行无缝连接，从而简化设计。 SERDES可以通过Lattice的ispLEVER软件中的IPexpress工具来生成。物理层上推荐采 用3G-SDI协议，生成后的IPcore可以方便地通过例化语句来调用。2.2 图像缓存模块设计系统进行图像传输时，需要进行图像缓存。图 2 为系统的图像缓存模块原理图，其中 DDR2 SDRAM 为外部存储器；SDRAM Controller 是 FPGA 生成的外部 DDR2 SDRAM 的控制器； FIFO_A 和 FIFO_B 构成图像输入 FIFO，FIFO_1 和 FIFO_2 构成图像输出 FIFO，FIFO_A、FIFO_B、FIFO_1、FIFO_2 是由 FPGA 内部双端口 RAM 构建而成；FIFO Control Logic 是负责控制四个 FIFO 读写时隙控制。FIFO_ASDRAMControlerFIFO_1DDR2SDRAMFIFO Control LogicDDR2SDRAM视频解码模块光 纤模 块FPGA3G-SDIFIFO_BFIFO_2图 2：图像缓存模块原理图 在SDRAM器件的选择上，需要考虑几点：（1）存储带宽与图像传输带宽的问题；（2） 为了减小后端图像的抖动问题，系统采用图像三帧缓存技术，即要求在DDR2 SDRAM至少可专业好文档以存储三帧图像数据，因此要考虑存储深度问题；（3）考虑如1080P的高清分辨率的图像 传输对存储带宽的要求。基于以上几点考虑，系统使用两片尔必达公司生产的型号为 EDE5116AJBG1的DDR2 SDRAM，该芯片为32M*16bit，两片即可构成32M*32bits深度的图像缓 存系统。 DDR2 SDRAM器件具有价格低、容量大、速度较快，非常适合用于图像处理系统。但其 控制逻辑时序较复杂，要求一个接口的控制器，这需要通过FPGA内部逻辑来生成。 DDR2 SDRAM 控制器是图像缓存模块设计的关键。ECP3 系列 FPGA 内部的 High-speed IO 支持 DDR2 SDRAM 电气标准。并且该控制器也可以通过 ispLEVER 软件中的 IPexpress 工 具来生成，生成后的 IPcore 可以通过例化语句来调用。 2.3 光纤模块设计 光纤通信以其损耗低、带宽充裕、抗电磁干扰、保密性好及寿命长等特点受到越来越 多的青睐。光纤模块主要作用完成光信号的发送与接收，即在发送端将经过 FPGA 处理后的 逻辑电平信号转换成光信号；在接收端将光信号转换成逻辑电平信号后送给 FPGA 进行相关 处理。 本系统选用Finisar公司型号为FWLF1524P2yxx的SFP光纤模块，该模块为单模光纤、采 用SFP封装、收发一体、带宽达到4.25Gb/s、损耗低、传输距离可以达到30Km左右,适合中 远距离图像信号传输。同时该模块支持3G-SDI协议，可以与FPGA进行无缝连接。该模块兼 容1G/2G/4G 光纤通道协议,具有良好的EMI性能。 2.4 FIFO 模块设计 如图 2 所示，FIFO 和 FIFO Control Logic 在图像缓存模块中比较重要，FIFO 硬件可 以使用 ispLEVER 软件中的 IPexpress 工具来生成，生成后的 IPcore 可以方便地通过例化 语句来调用。而 FIFO Control Logic 是主要协调各个 FIFO 的读写及时序控制，需要通过 状态机逻辑来生成。 FIFO_1、FIFO_2、FIFO_A 和 FIFO_B 采用 Lattice FPGA 内嵌的伪双端口 RAM 来构建， 因此 FIFO_A 和 FIFO_B 不能同时读写，否则输出数据可能是个不确定值。为了提高图像数 据的缓存效率，输入输出 FIFO 使用两个 FIFO 来完成读写；每个 FIFO 执行缓存操作，即每 个数据一次的读写数据为一行的图像数据存，因此四个 FIFO 存储深度设置为 1920，位宽 为 32bits。HS_Control写地址产生逻辑写地址写使能读使能读地址CLK_RCLK_W读控制写控制读数据写数据FIFOControlLogicFIFO双端口RAMDDR2SDRAM图 像数 据读地址产生逻辑图 3：FIFO 读写切换控制原理图 图 3 是 FPGA 内部控制两个 FIFO 的读写切换的原理图。CLK_W 是 DVI 解码芯片输出的 图像像素时钟，CLK_R 是 DDR2 SDRAM 的时钟。HS_Control 来自 DVI 解码输出的图像行同步 信号，该信号作为 FIFO Control Logic 读写切换的控制出发信号，通过对该信号的逻辑处专业好文档理产生相位相反的写使能和读使能信号，然后去分别去控制读、写地址产生逻辑，从而完 成数据传输，并完成两个 FIFO 的切换。3 结论本图像传输系统采用高性能的FPGA作为系统核心，利用FPGA内嵌的高速串口完成串并 转换，取代了传统上采用分立元件设计高速传输系统的方法, 简化了电路设计, 减少了元 器件间的互连,而且系统可靠性、稳定性和灵活性都更高。同时系统采用光纤进行图像传输 通信，具有损耗低、抗电磁干扰能力强、传输距离远等特点。实验证明该系统的设计是成 功的，并且在高速数据采集、远程控制等方面也具有借鉴意义。参考文献1.LatticeECP3 Family Data Sheet R. http:/www.latticesemi.com/documents/ds1021ea.pdf2.LatticeECP3 High-Speed I/O InterfaceR.http:/www.latticesemi.com/documents/tn1180.pdf3.LatticeECP3 Memory Usage GuideR.http:/www.latticesemi.com/documents/ tn1179.pdf4.LatticeECP3 SERDES/PCS Usage GuideRhttp:/www.latticesemi.com/documents/tn1176.pdf5.潘松，黄继业EDA技术使用教程M北京：科学出版社，20026.基于FPGA 的DRR2 SDRAM 控制器接口的简化设计方法及实现测试测量技术,2008 第11期作者简介 董林粒，硕士研究生，专业为通信与信息系统，研究方向：图像处理及 FPGA 技术； 郭大江，副教授，硕士生导师，主要从事嵌入式系统和图像处理相关研究。第一作者：董林粒 性别：男，出生年月：1985 年 11 月 02 日。 单位：成都理工大学信息科学与技术学院。 职务：硕士研究生 郭大江 性别：男，出生年月：1955 年 单位：成都理工大学信息科学与技术学院。 职务：副教授，硕士生导师联系人：董林粒 联系方式： 手机： 邮箱：dong_linli163.com 联系地址：四川省成都市二仙桥东三段 1 号成都理工大学银 2-214 邮政编码：专业好文档Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, cov