（生物医学工程专业论文）基于光纤传输和PCI总线的高速医学超声数据传输系统.pdf

a b s t r a c t c h a r a c t e r i z e db yal a r g ev o l 眦e a n dh i g hr a t eo fd a t a ， t h e d i g i t a l h i 曲f r 锄e r a t eu l t m s o n i ci m a g i n gs y s t e m i so f t e nh e l di t sp e o 肌a i l c eb o t t l e n e c k o nt h ed a t at r a n s m i s s i o n i nt h j sd i s s e r t a t i o n ，ah i g h r a t em e d i c a lu l t r a s o n i cd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m ， b a s e do no p t i cf l b e ra n dp c it e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d a sa ni i l t e g r a lp a r to ft h e d i g “h i 曲f r a m e r a t eu l t r a s o n i ci m a g i n gs y s t e m ，t h i sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m m 址汜sar e a l t i m et r a n s f e ro fr e c e i v e du l t r a s o m cs i g n a l st ot h ec o m p u t e rw h e r e d a t a 晰l lb ec o n c u r r e n t l yp r o c e s s e df o ri m a g i n g w i me a c hc h 印t e rc a r e 如l l ys t m c t u r e d ， t h i st h e s i se l a b o r a t e so nt h es c h e m eo ft h es y s t e m ，r e l a t e dt h e o r i e so fo p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o na n dp c it e c h n o l o g y ，a n df i n a l l yd i s c u s s e st h es y s t e m s f u n c t i o n a i c h a r a c t e r i s t i c s t h ee n t i r ed e s i g ni sp r i m a r i l yc o m p r i s e db yt h r e ep a n s ：1 d e s i g n o f o p t i c 舶e rt r a n s m i s s i o nc i r c u i t ；2 d e s i g no f p c i i n t e r f a c ec i r c u i tb a s eo np c i 9 0 5 4 ；3 d e v e l o p m e n to fp c i d e v i c ed r i v e rp r o 伊a ma n du s e ra p p l i c a t i o np r o 伊a mb a s eo n p l xs d k t h r o u g h tc o m p r e h e n s i v et e s t s ，t h ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mu l t i m a t e l ya c h i e v e d ah i g h e s td a t ar a t eo fl0 0 m b s ，w m c ha v a i l st oi m p r o v et h e 厅a m er a t eo fd i g i t a l u 1 t r a s o n i ci m a g i n gs y s t e m a st h ed a t ai st r a n s m i t t e dt ot h ec o m p u t e r ，i t a l s og r e a t e l y r e d u c e st h ec o s to fu l t r a s o i d cs y s t e mb yu t i l i z i n g i n gc o m p u t e r s s o r w a r ea 1 1 d h a r d w a r ef o ri m a g i n ga n df u n c t i o m lu p g r a t e i na d d i t i o n ，t m sd a t at r a n s m i s s l o n s v s t e mc a na l s ob er e f _ e r r e dt of o rt h ed e s i g no f o t h e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s k e y 、7 b r d s ：p c i ，o p t i c f i b e r ，h i g hf r a m e r a t e ，u l t r a s o m ci m a g i n g i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：盆! 型虿 d - - 羹 图1 1 全数字化、高帧率超声成像系统框图 与传统医学超声成像系统相比，此成像系统在数据处理时并非使用昂贵的 d s p 数据处理芯片，而是利用高速数据传输系统将超声数据传送到终端计算机， 利用计算机高速信号处理的硬件优势，例如g p u ，使用软件编程实现高帧率超声 成像。这样不但可以降低超声成像系统的制作成本，还能大大提高系统功能的 灵活性，不再受硬件资源的限制，同时还能简便的通过修改成像算法程序来实 现系统的功能更新和升级。此外，该方案还巧妙的绕过了传统d s p 芯片对高帧 率超声成像算法运算速度慢的问题，使得高帧率成像理论在计算机上得到有效 的实现。 由于课题组所设计的高帧率超声成像系统要将实时采集到的数据传输到终 端计算机，利用高帧率成像算法实现成像，这对系统的数据传输提出了很高的 要求。若成像系统采用6 4 路超声发射阵列，结合6 4 路1 2 位4 0 眦z 高速a d 转 换器进行数据模数转换。那么在这样的超声数据采集环境下，由于每一幅断层 图像超声波的扫描时间约为2 6 6 “s 【3 儿钔，对于传统的3 0 帧秒的成像帧率来说， 每秒钟将产生3 0 m 字节左右( 2 6 6 4 0 6 4 3 0 1 2 b i t 3 0 m 字节) 的超声数 据。若要实现实时成像，就要求至少以3 0 m b s 的速率进行数据传输。为了更充 分的利用高帧率成像算法的优势，如果能更高速的传输数据，则每秒钟成像帧 2 第1 章绪论 率将随着传输速率的提高而提高，这样在最终成像时便能实现更高的图像分辨 率。 基于全数字化、高帧率医学超声成像系统对数据传输系统高速、稳定、实 时性等要求，本论文提出利用光纤传输技术和p c i 总线技术相结合的数据传输 方案，实现将实时采集到的超声数据以1 0 0 m b s 的速率向终端计算机传输。本 数据传输系统的实现将具有如下五大意义： 1 方便超声成像系统利用计算机软、硬件资源实现1 0 0 帧秒的高帧率成像。 2 首次将光纤传输技术应用于超声成像系统，有助于实现可远程监控的超声 成像系统的设计。 3 降低医学超声成像系统的设计成本，无需使用昂贵的数据处理芯片。 4 便于通过改进成像算法来实现超声成像系统的功能更新和升级。 5 有助于建立超声成像科研平台，为成像算法提供便捷的计算机实验环境。 1 2 系统设计方案 在数据传输领域，现有的技术种类繁多，各技术类别的优劣势及应用发展 也不尽相同。在确定本课题所设计的超声数据传输系统方案前，可对当前主流 的传输技术和p c 总线接口技术总结分析如下： 无线传输技术：无线传输技术是两个通信设备之间不使用任何物理连接， 通过空间传输的一种技术。无线传输哺3 的主要形式包括： 1 ) 无线集群通讯方式：属于专用移动通信网，建设投入大，保养与维护不便， 数据传输率较低。 2 ) g s m 短消息通讯方式：为半双工通信方式，其平均传输时延较大，实时性不 强，速率较低。 3 ) g p r s 通用无线分组业务方式：具有较好的实时性、稳定性，但数据传输率 较低，一般在几十到几百k b s 。 4 ) 数据传输电台方式：易受电磁环境的影响，数据可靠性相对较差。 5 ) 蓝牙、红外传输方式：均为短距离传输技术，传输距离在百米之内，不能 实现远程、大容量数据传输，数据传输率低。 有线传输技术：有线传输技术是通过实际的物理连接将数据由一端传递到 另一端。目前主要的有线传输方式包括： 1 ) 有线模拟电缆传输：有线模拟电缆主要有双绞线和同轴电缆。该技术的传 输距离有限，同时传输的信号非数字信号，易受干扰，无法实现数字联网， 只能以点对点的方式进行模拟传输。 3 第l 章绪论 2 ) 光纤传输：光纤传输是利用光波作为载体，将信息通过光纤传输到目的地。 光纤传输技术是现今以及将来非常主要的通信传输技术，其传输的频带宽， 通信容量大，速率高，传输率能达到1 0 g b p s 以上。同时光纤传输还具有损 耗低，抗干扰性强，保密性好，光网络搭建便宜等优点。 计算机总线接口技术：实现将数字信号传输到计算机中进行保存、处理。 当前主要的总线接口技术包括哺1 ： 1 ) i s a 总线：工业标准结构总线，一般为8 位或1 6 位总线宽度，使用方便， 无需开发驱动程序。但是i s a 总线时钟频率仅为8 删z ，即使对于1 6 位的数 据端口，在不间断传送周期下其总线的最大传输速率也只有1 6 m b s ，难以 应用于高速数据传输。 2 ) u s b 总线：通用串行总线，采用4 针标准插头，即插即用，理论上最多可以 挂接1 2 7 个设备。最高数据传输率能达到4 8 0 m b p s ，即6 0 m b s 。 3 ) i e e e l 3 9 4 总线：又称火线( f i r e w i r e ) ，是一种高性能串行总线。可用于内 部总线连接，也可用于外设间的电缆连接。在一个接口上最多可以连接6 3 个设备。数据传输率一般为8 0 0 m b p s ，即1 0 0 m b s 。 4 ) p c i 总线：外部设备互联总线，是一种即插即用的总线标准。支持全面的自 动配置，允许3 2 位或6 4 位的并行数据传送。采用地址数据总线复用方式， 支持3 3 m h z 、6 6 m h z 总线时钟，最高数据传输率可达5 2 8 m b s 。 比较以上主流数据传输技术，可以看出光纤传输技术相对其他有线或无线 传输技术具备更高速、稳定和实时性强的优点；而在计算机总线技术上，p c i 总线接口技术也因其高速、稳定和易扩展等因素而优于其他总线技术，方便地 实现数据向计算机的传输。为满足课题组提出的全数字化、高帧率医学超声成 像系统的设计和研发，本数据传输系统最终采用以光纤传输结合3 3 m h z 、3 2 位 的p c i 总线技术方案，在保证高速、稳定、准确的基础上，实现1 0 0 m b s 的超 声数据传输。数据传输系统的基本框图如图1 2 所示。 4 图1 2 数据传输系统框图 第1 章绪论 在f p g a 的控制下，前端实时采集到的超声数据在a d 转换后经过光发送电 路，将数据以光信号的形式通过光纤传输到接收端。在接收端，光接收电路再 将光信号还原成相应的数字信号，通过f p g a 来控制数据缓存和p c i 接口电路， 实现数据向计算机传输。整个系统以光纤为桥梁，将分离的两部分传输电路有 效的连接在一起，保证了数据高速的传输到计算机进行超声成像。 1 3 主要研究工作 本课题主要对基于光纤传输和p c i 总线的高速医学超声数据传输系统的 软、硬件设计进行了较为深入的研究。主要包括：系统硬件电路的设计、逻辑 控制单元的v h d l 编程、p c i 板卡驱动程序的编写以及上层测试应用程序的设计 等等。 测试本数据传输系统时，可以通过调用上层应用程序来控制接收实时采集 到的超声数据。在传输系统正常工作下，采集到的超声信号先经过光发送电路 转换成光信号，然后通过光纤传输到接收端，利用光接收电路还原最初的数字 超声信号，最后再经由p c i 接口电路将数据传输到计算机内进行保存。整个传 输系统的开发流程如下： 1 确定光发送电路和光接收电路方案，设计光纤传输电路。 2 选定系统主控芯片及f i f o 芯片，设计控制和存储电路。 3 确定p c i 接口电路方案，设计p c i 板卡电路。 4 应用p r o t e l 9 9e d a 软件绘制数据传输系统的原理图和p c b 板图。 5 编写并调试f p g a 主控芯片的v h d l 程序。 6 应用编程器烧写p c i 配置芯片，利用p l x m o n 软件检测其正确性。 7 调试光纤传输电路和p c i 接口电路，测试其数据传输性能。 8 设计并调试p c i 板卡驱动程序。 9 设计系统的计算机应用程序，测试系统整体的数据传输性能。 1 4 论文结构安排 本论文的结构安排如下： 第l 章介绍本课题研究的背景与意义，同时概述本课题的设计方案及主要 的研究工作。 第2 章介绍光纤以及光纤传输的基本理论。 5 第l 章绪论 第3 章比较分析光纤传输电路的设计方案，介绍了t l k l 5 0 l 数据转换芯片 和光电转换模块的工作原理及其性能。 第4 章首先介绍计算机局部总线的发展，然后对p c i 总线的信号定义、操 作协议、总线仲裁、电气特性等几个方面进行了概述。 第5 章介绍p c i 总线接口电路的设计方案，对p c i 9 0 5 4 的特性、工作原理 和寄存器组等进行了概述。 第6 章对传输系统的硬件电路从功能描述、电路设计和系统调试等方面进 行了详尽的描述。 第7 章介绍在w i n d o w sx p 下对p c i 板卡的驱动程序和传输系统的测试应 用程序的设计和调试。 6 第2 章光纤传输基本理论 2 1 光纤简介 第2 章光纤传输基本理论 光纤，全称光导纤维口1 。它是由二氧化硅经过严格工艺控制形成的玻璃丝 状物质，具有优良的光学特性，是利用光全反射原理来实现光传导的媒介。在 光纤中传播的光波长为：8 5 0 n m ，1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 三种。 2 11 1 光纤的结构 光纤的结构一般分为三层：中心为高折射率玻璃纤芯( 芯径d l 一般为5 0 或6 2 5 um ) 、中间为低折射率硅玻璃包层( 直径d 2 一般为1 2 5 l lm ) 、最外为 加强用的树脂涂覆层，如图2 1 所示。没有涂覆层的光纤称为“裸纤”。光纤 的纤芯( 折射率为n 1 ) 用于导光，包层( 折射率为n 2 ) 作为光疏媒质则起折射 作用，保证光全反射只发生在纤芯内。有的包层还用以增强光纤的柔软性。由 于光纤纤芯的折射率n 1 大于包层的折射率n 2 ，根据几何光学的全反射原理， 入射到纤芯中的光将被约束于纤芯中进行传输。 光纤的分类 互 图2 1 光纤内部结构 根据光纤特性的不同，其主要可分为以下三大类： 1 传输点模数类：单模光纤( s i n g l e m o d ef i b e r ) 和多模光纤( m u l t i m o d e f i b e r ) 。 1 ) 单模光纤：纤芯直径小( 芯径一般为9 或1 0i im ) ，在给定的工作波长 上只能以单一模式传输。传输频带宽，传输容量大，模间色散很小，适 用于远距离传输，但受色度色散影响，对光源的谱宽和稳定性有较高的 要求。一般单模光纤跳线用黄色表示，接头和保护套为蓝色。 7 一1啦l士一 第2 章光纤传输基本理论 2 ) 多模光纤：纤芯较粗( 5 0 或6 2 5um ) ，它在给定的工作波长上，能以多 个模式同时传输光波，但模间色散较大，限制了传输数字信号的频率， 适合短距离传输。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。一般多 模光纤跳线用橙色表示，有的用灰色表示，接头和保护套用米色或黑色。 2 最佳传输频率窗口类：常规型光纤和色散位移型光纤。 1 ) 常规型光纤：光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，例如1 3 0 0 n m 。 2 ) 色散位移型光纤：光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，例如：1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 。 3 折射率分布类：跳变式光纤和渐变式光纤。 1 ) 跳变式光纤：纤芯的折射率和包层的折射率都是常数。在纤芯和包层的 交界面，折射率呈阶梯型变化。其成本低，但模间色散高。单模光纤由 于模间色散很小，多采用跳变式光纤。 2 ) 渐变式光纤：纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与 包层的交界处减小为包层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物 线。渐变式光纤模间色散小，能提高光纤带宽，增加传输距离，但成本 较高。现在的多模光纤多为渐变式光纤。 2 2 光纤通信 2 2 1 光纤通信的原理嘲1 所谓光纤通信，是指利用光源产生的光波来携带信息，并在光纤信道上进 行传输的一种通信方式。要使用光波作为携带信息的载体，必须对其进行调制 发射，然后在接收端把信息从光波中检测出来。 光波实际上是一种高频的电磁波，一般用波长来描述。电磁波按照波长不 同( 或频率不同) ，可分为长波、中波、微波、红外线、可见光、紫外线等。其 中，紫外线、可见光、红外线都属于光波。目前光通信中所使用的光波工作在 近红外区，波长范围是0 8 1 8um ，对应的频率范围为1 6 7 3 7 5 t h z 。 2 2 2 光纤通信系统的组成 典型的数字光纤通信系统框图如图2 2 所示，是由光发送机，光接收机， 光纤( 或光缆) 和各种耦合器件组成的信息传输系统。 8 第2 章光纤传输基本理论 光发选机 j 洹热 【电光转换) _ p 涉 光接收机 ( 光电转换， l l 待发送 i 效字信号 图2 2 数字光纤通信系统框图 i i还原卮 羲字信号 光发送机的核心器件是半导体激光器，它用来产生携带信息的光载波，将 电信号变换成光信号，然后在光纤中传输。光接收机的核心部件是光电检测单 元，它用于将光信号变换成电信号。光中继器用于在光信号远距离传输时补偿 光能的衰减，恢复信号脉冲的形状。 2 2 3 光纤通信的优势 随着光纤通信技术的飞速发展，目前光纤通信已经成为了现代信息通信最 坚实的基础，其优势主要包括以下几点： 1 频带宽、通信量大。光纤可利用的带宽约为5 0 0 0 0 g h z ，宽频带有利于满足 未来宽带综合业务数字网发展。 2 损耗低、中继距离长。目前石英光纤的损耗可低于0 2 d b l ( i i l ，比其它任何 传输介质的损耗都低。由于光纤的损耗低，因而中继距离长。由石英光纤 组成的光纤通信系统最大中继距离可达2 0 多千米；由非石英系极低损耗光 纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米。 3 抗电磁干扰。光纤是绝缘体材料，不受自然界的雷电干扰、电离层的变化 和太阳黑子活动的干扰，也不受高压设备等工业电器的干扰。 4 无串音干扰，保密性好。光波在光纤中传输，很难从光纤中泄漏出来，即 使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱。如果能在光纤或 光缆的表面涂上一层消光剂，则效果更好，即使光缆内光纤总数很多，也 可实现无串音干扰，而光缆外面也无法窃听到光纤中传输的信息。 5 光纤细且轻。光纤的芯径很细，只有单管同轴电缆的百分之一。利用光纤 这一特点，可大大减少传输系统所占空间。此外，光纤的重量轻，光缆的 重量比电缆轻得多。 6 光纤原材料丰富，环保。光纤的材料主要是石英( 二气化硅) ，地球上有丰 富的原材料，并且可以循环利用。光纤的广泛使用将有效的节约金属资源 的使用，具有环保节能的重大意义。 9 第3 章光纤传输电路方案的选择 第3 章光纤传输电路方案的选择 本课题中所设计的光纤传输电路用于将实时采集到的医学超声数据传输到 数据处理的终端。由于课题组提出实现1 0 0 m b s 的数据传输系统，因此光纤传 输电路部分的数据传输率不能低于1 0 0 m b s 。虽然光纤通信技术已经得到较为 广泛的应用，并且传输率一般能达到g b i t s 以上，但正是由于其数据传输率高， 使得在设计光电接口时，数据转换电路的时序控制要求精确、高速，同时电路 中的信号线也要求按传输线来处理等等。这些严格的要求大大增加了自行设计 光纤传输电路的难度和周期。 3 1 光纤传输电路实现方案 如第2 章所介绍，光纤传输电路一般由光发送电路和光接收电路组成，两 部分电路通过光纤连接实现光通信。光发送电路主要包括信号码型转换电路和 光源调制电路两部分；光接收电路则由光电检测电路和时钟、数据还原电路构 成。现今主流的光纤传输电路设计方案较多，根据设计的集成度不同主要可分 为：分立式光电转换方案和集成光电转换方案。 3 1 1 分立式光电转换方案 所谓分立式光电转换方案是将整个光纤传输电路划分成若干具体的子功能 块，通过自行设计每一部分逻辑功能电路来实现光纤通信。下面分别就该方案 的光发送电路和光接收电路的设计做详细的介绍n o 】【垤】。 1 图3 1 为光发送电路逻辑框图。该电路由数字信号码型转换电路、光源驱 动电路和光源调制电路组成。其功能是将待发送的并行数字信号转换成一 定码型的串行信号，最后驱动并调制光源，产生携带相应信息的光信号。 待发送 数字信号、数字信号 串行信号 光源 调制信号 l 驱动码型转换 图3 1 分立式光发送电路逻辑框图 码型转换电路：实现待发送信号的码型变换和并一串转换。 1 0 第3 章光纤传输电路方案的选择 光发送端产生的光信号一般是通过对光源进行强度调制来加载待发送信号 的信息。强度调制要求对并行的数字信号进行相应的码型变换。常用的码型包 括：非归零码n r z 、归零码r z 、抑制载波归零码c s r z 以及光双二进制码d b 等 等。其中非归零码是最为常用的码型。在码型变换后，还要对信号进行并一串转 换，输出串行信号来调试光源。在设计中，码型转换电路可以通过f p g a 编程来 控制实现。 光源驱动电路：产生适合驱动光源的强度调制信号。 在光发送电路中，强度调制是直接通过电调制信号来控制半导体光源的振 荡参数( 光强、频率等) ，从而得到光频的调幅波或调频波。光源驱动电路在接 收到前方到来的“1 ”电平时，产生高电压驱动光源，光纤有光；在收到“o 电平时，不产生驱动电压，光纤无光。光源驱动电路芯片种类很多，例如m a x i m 公司1 2 5 g 的m a x 3 7 6 6 光源驱动器、2 5 g 的m a x 3 8 6 9 光源驱动器等等。设计光 源驱动电路时要考虑调制输出的电流幅度和精度的要求，以及输出方式与光源 的耦合等要素。 光源：实现将电信号转换为光信号的设备。主要有激光器l d 和发光二极管 l e d 两类。目前常用的光源类型及其使用领域如表3 1 所示口耵。 表3 1 常用光源类型及其使用领域 工作波长 1 0 01 5 56 2 22 51 0 类型 ( 珊) m b p sm b p sm b p sm b p sg b p s 8 5 0 发光二极管l e d 1 3 l o f p 激光管1 3 1 0t -0- 1 3 1 0 0 d f b 激光管 1 5 5 0 8 5 0 v c s e l 激光管 1 3 1 00 1 3 1 0t e m l 激光管 1 5 5 0 2 图3 2 为光接收电路逻辑框图。如图所示，该电路由光电检测单元、信号 放大单元和时钟一数据还原单元组成。其功能是将经光纤传输后衰减的微弱 光脉冲信号通过光电探测器转换为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡 后，然后再还原成标准的数字脉冲信号。 第3 章光纤传输电路方案的选择 聋 检 测h 拶复 还原后数字信号。 图3 2 分立式光接收电路逻辑框图 光电检测器：实现在接收端将光信号转换为电脉冲信号的设备。 在数字光接收电路中，光电探测器为核心器件，要求其灵敏度高、响应速 度快、噪声小、稳定性高等。常见的光电探测器包括：p i n 光电二极管和a p d 雪崩光电二极管。表3 2 列出了不同光电探测器相应的使用领域n 钔。 表3 2p i n a p d 光电探测器的使用领域 接收端光电探测器传输端光源通信长度应用领域 p i n 二极管 8 5 0 n mv c s e l 1 0 0 m p i n 二极管1 3 1 0 n mv c s e ld p - l q 腼 f p g a r xc l k w c l k ，0 e x c 3 s 2 d 0 9 0 5 4 l 几订斟 _ ，i t 硪 r c l k 图6 5f i f o 电路接口示意图 6 1 3p c i 总线接口模块 p c i 总线接口模块完成数据接收后向计算机传输的任务。在第5 章中已经 介绍，本设计使用的是1 7 6 一p i np q f p 封装的p c i 9 0 5 4 芯片来实现p c i 总线接口 电路。p c i 9 0 5 4 是3 2 位、3 3 姗z 的p c i 总线接口芯片，其能实现的最高传输速 率为1 3 2 m b s 。如图6 6 所示，该接口电路主要包括三部分“钉n 踟n 钔： 1 p c i 9 0 5 4 与p c i 插槽信号线的连接。例如：地址数据复用信号a d 3 1 ：o ， 总线命令信号c b e 3 ：0 # ，p c i 协议控制信号p a r 、f r a m e # 、i r d y # 、t r d y # 、 s t o p # 、i d s e l 、d e v s e l 、p e r r # 、s e r r # 等。 2 p c i 9 0 5 4 与串行e e p r o m 的连线。这部分有4 根信号线：e e s k 、e d o 、e d i 、e c s ， 串行e e p r o m 的数据可以提前烧好，也可以在线烧写。 3 p c i 9 0 5 4 与本地控制器和f i f 0 的连接。主要包括了本地数据传输握手信号、 数据地址信号以及相关的控制信号等。 4 7 第6 章数据传输系统硬件实现 土 2 a d l 3 i ：0 1 l a l 3 1 ：2 l c ，b e 【3 ：o pl d 【3 1 ：o l p a r u o l d f i f 0 f r a m e 。 l h o l d a p c i + 限d 谍 p c i a d s 嚣 b s t r d y 等 l w ，r ； f p c s t o p 等 r e a d y # i d s e l 9 0 5 4 b l a ”等 d n ，s e l # 。， c u (v 7 e e s k 9 3 l c 5 6 b e e c s e e p r o m 6 1 4e e p r o m 电路 图6 6p c i 总线接口电路示意图 e e p r o m 电路实现对p c i 9 0 5 4 内部寄存器自动配置的功能n 钔。本设计中所采 用的e e p r o m 是a t m e l 公司生产的9 3 l c 5 6 ，其容量为2 kb i t 。该e e p r o m 与p c i 9 0 5 4 连接的电路图如图6 7 所示。 u v + 刍3 v c b l 匝q o 拿 e e c s 1 1 6 4 l8 e e s k 1 6 52 c sv h 7 1 1 6 6 上 3 c l kn c 6 t n r l z d i ，d od in c u j k 一 1 45 d 0 矶， p c i 9 0 5 49 3 l c 5 6 b n t o p专 + 3 3 v c c g n d ： 图6 7e e p r o m 与p c i 9 0 5 4 连接原理图 电路中e e p r o m 内部存放了p c i 9 0 5 4 的初始化信息，当p c i 板卡插入计算机 并上电后，p c i 9 0 5 4 首先读取e e p r o m 中的值，并写入内部对应的寄存器中。接 着系统的b i o s 枚举出每类总线上的设备( 包括p c i 总线上的p c i 9 0 5 4 ) ，并建 立相应管理设备的数据结构。当加载操作系统时( 如w i n d o w sx p ) ，之前建立 好的数据结构指针将会传递给操作系统，待操作系统启动后将再次为p c l 9 0 5 4 在内的硬件设备分配资源，其中包括：内存空间、中断请求、i 0 空间等资源。 因此e e p r o m 内容的正确与否决定了p c i 9 0 5 4 能否正确的被识别或工作。它除了 4 r 第6 章数据传输系统硬件实现 完成地址空间的申请外，还实现对p c i 9 0 5 4 关于设备号、中断、d m a 等寄存器 的配置。 图6 8 是p c i 9 0 5 4 数据手册提供的有关e e p r o m 和配置寄存器的相互联系。 设计时可以根据图中提示的信息来实现利用e e p r o m 对p c i 9 0 5 4 内部寄存器的配 置。对于p c i 9 0 5 4 来说，在配置寄存器时，其生产商i d 为1 0 8 5 ，器件i d 为9 0 5 4 ， 子系统生产商i d 为1 0 8 5 ，子系统i d 为9 0 5 4 。 s e r i a ie e p r o m o 仟3 e t d e s 酬p t r e g i s t e rb l t sa 肭咖d 0 hd i c e d p c d r 【3 1 ：1 6 】 2 nv e n d o ri d p c i l d r n 5 ：0 l 4 hc b 3 3 c o d e p c i c c r 田：8 l 6 hc i a s sc o d e ，r e v 皓i p c i c c r fo l ，p c i r e v r 7 ：0 1 b h m a 】【i m 帅l a t e n c y ，m i n l m u mg r a n tp c i m l r f 0 1 ，p c i m g r r 7 ：d l 舳 i n t e n v p tp i n ，i m e m i ml 讥er o 咖 p c p r p ：0 j ，p c l r f ：o 】 c hm s wo rm a i l b o x0c u s e rd e 丽e d ) m b o x o 口1 ：1 6 l e hl s wo rm a i l b o x0 ( u rd e 佃e d ) m b o x o 【1 5 ：m 1 m s w 吖m a 岫o x1 u 辘f0 e n n e a ) m b o x l 【3 ：16 l 1 2 hl s wo fm a l l b o x1 ( u rd e 伽e d )m b o x l 【1 5 ：0 l 1 4 hm s wo rr a n 口ef o rp c i - t 争l o c a ia d d r e s s8 p a c e0 l a s o r r l 3 1 ：1 6 l 1 6 hl s wo fr a n 口ei j o rp c 卜t o l o c a ia d d r e s ss p a c e0l a s o rr 【1 5 ：0 】 1 8 hm s wo fl o c a lb a s ea d d r e 5 3 ( r e m a p ) f o rp c i - t 争l o c a la d d r e 5 ss p a c eo l a s 0 b a 【3 1 ：1 研 1 a hl s wo fl o ib a s ea d d r e s s ( r e m a p ) f i o rp c i - 峥l oc a la d d r e 站s p a 0 l a s o b a 【1 5 ：o l 1 c hm s wo fm o d e ，d m aa j b l t r a b o nr e g l s t e rm a r b r 【3 1 1 6 j 1 e hl s wo fm o d e 巾m a 舳i 们扫r e q i s t e r m a r 8 r i 5 ：o 】 2 0 nm s wo fs e n a le e p r o mw m e p r o 幢c t e am d r e 5 sp r o t - a r e a l l 5 ：0 】 石m l s wo fl o im i s c e 略n e 川sc o n i 巾lr e g i s t e r ， l m i s c f ：o 】，b i g e n d e 7 ：田 l s wo fl o c a lb u sb i n f 州be n d b nd e s c n d t o rr 叼嘲盯 2 4 hm s wo r 卸口ef o rp c i - i o l o c a ie x p a n s i o nr o me r o m r r 【3 1 ：1 6 1 2 6 hl s wo ，r a n 口ej b rp c 卜珏l o c a ie x p a n nr o m e r o m r r f f 5 ：o j 2 8 hm s wo fl o c a | b a s ea d d r e 5 s ( r e m a p ) o rp c i _ l o - l o ca fe x p a n s i o nr o me r o m b a 【3 1 ：1 6 1 2 hl s wo 儿o c a ib a 3 ea d d r e s s ( r e m a p ) f o rp c i t o l o c a je x p a n s r o m e r o m b a l l 5 ：o l 2 c hm s wo fb u sr e g 啪d e 卿p 时sf o rp c i 珏l o c a ia c c e s 弛s l b r d 0 3 1 ：1 6 l 2 e hl s wo fb u sr 叼i o nd e s c 几p t o 晤衙p c i 如l o c 叫a c c e s s 髂 l b r d 0 【1 5o l 3 0 h m s wo f 尺a n g ef o rpc ji n m 舯卅珏p c i d m r r 【3 1 ：1 q 3 2 hl s wo rr a n 口er o rp c ii n 胁t o r o p c id m rr 1 1 5 ：0 】 3 4 hm s wo fl 咐ib a s ea d d 悖s sf o rpc il n 坩a t o r b p c im e m o r yo m l b a m 【3 1 ：1 6 l 3 6 hl s wo r “瑚ib a 阳a d d 鹏5f d ，p cjl n 舳幻r ，托卜p c jm e m o r y d m l 8 a m f l5 捌 弘h m s wo fl 刊b u sa d d 他s 3f o rp c i l n m a t o r t o _ p c i 盯oc 的u 晴t b n 0 m l ba i 【3 1 ：1 6 】 3 a hl s wo fl o ib a d d r e s s p c i l n l 曲t o 卜t o _ p c ii ，oc 0 n 仉口u 旧 d m l b a l 【1 5 ：0 1 3 c hm s wo rp c ib a s ea d d r e s s ( r e m a p jf o rp c i i n m a t o r d o - p c i0 m p b a m l 3 1 ：1 6 l 3 e hl s wo fp c ib a s ea d d f e s s ( r e m a p ) f o rp c ii n t l a t o r t 口- p c i d m p b a m l l5 哪 4 0 nm s wo fp c ic o n r 叼u r a u o na d d r e s sr e 口i s t e rf o rp c i | n m a l o 卜睁p c il ，oc o n f l 口u 门t o nd m c f 6 a 【3 11 6 l 4 2 hl s wo fp c ic 口u 门曲n d d r e 鹞r 叼i s t e ri ；o rp c i 胁i 妇t o h o 巾c lu oc 内u 吲枷 d m c f g _ 【1 5 ： 图6 8e e p r o m 配置寄存器表 对e e p r o m 进行烧写时，其配置文件格式是十六进制的文件木h e x 。利用p l x 公司提供的调试工具p l x m o n 可以方便的读取或更改正常工作的p c i 设备的 e e p r o m 信息口。图6 9 是利用p l x m o n 观察到的e e p r o m 中的初始化信息。点击 “l o a df 订e ”按钮可以加载已有的配置文件，然后在线点击“w r i t e 按钮即 可完成e e p r o m 的烧写。 4 9 第6 章数据传输系统硬件实现 61 5 晶振电路 图69p l 删0 n 下e e p r o m 寄存器配置图 晶振电路是整个数据传输系统的心脏电路。由于本系统实现的数据传输率 较高，如果未能提供良好的时钟源，数据传输过程中就会很容易产生许多同步 或信号干扰等问题。本设计采用的是标准的5 0 z 有源晶体振荡器，系统设计 中有四部分功能电路需要时钟信号： l _ 光发送电路中，t l k l 5 0 1 芯片的g t xc l k 需要5 0 m h z 的时钟，以保证数据转 换率达到1 0 0 船s 。 2光接收电路中，t l k l 5 0 1 芯片需要5 0 姗z 的参考时钟用于数据和时钟的还原。 3f i f 0 数据缓存电路中，s n 7 4 v 3 6 9 芯片需要2 5 埘z 的数据读时钟r c l k 。 4 p c i 接口电路中，p c l 9 0 5 4 需要本地端时钟信号l c l k ，其时钟上限为5 0 m i z ， 在本设计中使用的是2 5 删z 时钟。 f i f o 电路和p c i 接口电路的2 5 姗z 时钟都是通过f p g a 内部对5 0 删z 的晶振 时钟进行2 分频来实现：2 5 删z 的r c l k 和l c “信号实现了本地3 2 b l t 数据 1 0 0 m b s 的有效传输率。 61 6f p g a 逻辑控制模块 f p g a 逻辑控制模块实现的是传输系统设计相关的时序和逻辑控制方面的工 作，例如光电转换控制、f i f o 数据缓存以及p c l 9 0 5 4 时序逻辑的产生等等。本 设计中所采用的f p g 是x i l i n x 公司的x c 2 s 1 5 和x c 3 s 2 0 0 芯片。 x c 2 s 1 5 芯片1 ：所使用的封装为v o f p - 1 0 0 ，供电参考电压为3 3 v 和2 5 v 。 第6 章数据传输系统硬件实现 该芯片是x i l i n x 公司s p a r t a n2 系列的f p g a 集成l _ 5 万系统逻辑门，最 高的工作频率可达2 0 0 m h z 。 在光茇送电路中，x c 2 s 1 5 芯片用于模拟产生实时采集到的超声数据，同时 控制发送端的光电转换电路，将产生的1 6 位的数字信号转换为光纤传输的光信 号并发送如图6 2 所示。 x c 3 s 2 0 0 芯片”“：所使用的封装为w f p 一1 4 4 ，供电参考电压为3 ，3 v 、2 5 v 和12 v 。该芯片是x i l i n x 公司s p a r t a n3 系列的f p g a ，集成2 0 万系统逻 辑门，最高的工作频率可达6 3 3 删z 。 在数据接收端，x c 3 s 2 0 0 作为核心控制器件对光接收电路、f i f 0 缓存电路 和p c i 接口电路进行逻辑控制实现数据经光纤传输后在光接收电路中有效恢 复，并在f i f o 中缓存。当f i f 0 达到半满时，向f p g a 发出半满中断信号，f p g a 开始对p c l 9 0 5 4 的寄存器进行读写配置。待p c i 端和本地端总线允许并达成传 输握手协议后开始从f i f 0 中读取数据，通过p c l 9 0 5 4 芯片实现数据向计算机