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北京市中级专业技术资格评审申报论文 第-11-页摘 要VPX(VITA46)是一种比VME更高级的系统架构。其支持速率高达3.125Gbps的高速串行总线。并且可以应用于更为苛刻的环紧：震动、高温、潮湿。VPX架构在美国已经广泛应用于雷达、声纳、视频图像处理等领域。本文在对VPX标准分析的基础上，阐述了采用3U VPX架构的视频采集模块的实现方法。给出了基于FPGA的单路1080i高清或4路标清同时采集的解决方案。背板数据总线采用X4 PCIe。采用Xilinx Virtex-5 FPGA实现X4 PCIE数据传输。TVP5158芯片实现标清数据的采集，并转为BT656格式。ADV7441A芯片实现高清数据的采集，并转换为BT1120格式。本文详细论述了原理框图、功耗分析、主要芯片选型、接口定义、接口时序及结构设计。以期为实现标准化、高性能、高可靠性的3U VPX视频采集模块提供参考。关键字：VPX；高清视频采集；标清视频采集目 录摘 要II目 录III绪 论1一、VPX标准21、VPX连接器22、VPX高速串行总线23、VPX电源改进2二、技术性能31、性能32、供电33、使用环境3三、硬件设计41、硬件框图42、布局与散热5四、逻辑设计6五、结构设计6六、上电配置8七、质量保证81、可靠性82、可靠性93、可测试性94、可维护性9结 论10参考文献11附 录12-11-绪 论嵌入式系统的设计者们总想要获得良好的性能，较高的可靠性和较低的成本。在过去25年里，VME总线技术得到了成功的运用。但是VME不能满足足国防和航空领域越来越高的性能要求和更为恶劣环境下的应用。例如雷达，声纳，视频图像处理，智能信号处理等，由于受到VME传输带宽的限制，系统性能无法进一步提高。急需要一种新体制的总线，替代现有的VME总线，以提高系统传输带宽。VITA46（VPX）由此而生。VITA46是一种更为高级的系统架构，它所采用的连接器传输速率可以达到3.125Gbps甚至更高。VITA46支持那些需要采用高速串口IO技术进行配置的系统。同时它也被证明能够胜任军事应用下的苛刻条件：震动，高温，潮湿的环境。在视频图像处理的应用下，首先要进行的就是高清或标清视频的采集工作。本文结合目前先进的视频采集技术，采用新的VPX架构，通过高速PCIe总线与背板通信，研究符合VPX标准，可用于军事环境的高性能、高可靠性的3U VPX视频采集模块。一、VPX标准1、VPX连接器VITA 46 基础标准由VITA46.0（基础协议）和VITA46.1（VME 连接）描述，也称为VPX，并成功地于2006 年1月引入。并且提交ANSI（美国国家标准化组织）得到正式ANSI 批准。2、VPX高速串行总线新串行交换结构技术使得军用和航空嵌入式计算机系统得到更高的性能，同时减少系统成本和重量。如今有多种高性能交换结构技术可供选择。这其中的三个：Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO), and PCI Express (PCIe)尤其突出，优点最多。GbE 是基于IP 数据通信的标准，无论是平台间网络还是在同一个背板中的子系统。SRIO 是DSP 应用中高密度多处理簇互联的最好方式。第三种，PCIe 事实上已经是，核心处理器到外围设备高带宽数据流传输应用的标准。本文采用PCIe作为数据总线。3、VPX电源改进VPX 改进了电源供电。5V最高可达115W，12V最高可达384W，48V最高可达768W。如此大功率的电源，允许板子集成更多的功能。可选的更高的电压输入，可以减少背板的电流，降低重量和降低电子兼容问题产生。二、技术性能1、性能表2-1 性能指标表规格指标视频输入接口1路高清HD或4路标清SD视频输入高清视频为YPbPr接口，标清视频为CVBS接口视频输入格式标清视频：PAL，25fps，720576高清视频：1080p30fps视频输出接口1路高清HD及1路标清SD视频输出高清视频为YPbPr接口，标清视频为CVBS接口背板接口1路X4 PCIe1路I2C管理总线1路高清HD及4路标清SD视频输入视频压缩板接口PMC接口1路32-bit PCI总线16位视频接口（VPIF）其它温度检测2、供电表2-2 供电表供电接点最小值正常值最大值额定电流VS1+11.4V+12V+12.6V-VS2+3.25V+3.3V+3.45V-VS3+4.875V+5V+5.25V4.2A3.3V_AUX-+12V_AUX-12V_AUX-VBAT-3、使用环境工作温度： -4065；相对湿度： (953) % ( 35)无凝结；三、硬件设计1、硬件框图图3-1 硬件框图本方案硬件框图如上图所示，板卡通过VPX 3U连接器与VPX背板通信，通过PMC接口与视频压缩板卡通信。I2C控制总线（背板P0接口）实现对FPGA寄存器及其他芯片的配置，X4 PCI-Express 总线（背板P1接口）实现与VPX主控板卡的数据通信，高清/标清视频信号由背板P2接口输入。本方案选用 XC5VLX50T FPGA实现板级逻辑，该芯片带有1个PCI-Express Endpoint模块，可以配置为X1/X2/X4模式。片内包含7200 Slices（28.8k LUT）、2.7Mb RAM及6个CMT（时钟管理模块）。封装选用FFG1136，可兼容LX85T/LX110T/LX155T。TVP5158分别实现4路标清视频信号（CVBS）的采集和解码，输出为4路标准的ITU 656格式（YCbCr 4:2:2）。ADV7441A实现对高清视频信号（YPbPr）的采集和解码，支持1080P输入。SAF7129实现对标清视频信号的编码，输入为标准的ITU656格式。THS8200实现对高清视频信号的编码，输入为SMPTE274M/296M格式。LM75实现对温度的采集，精度0.5，通过I2C总线访问。2、布局与散热本板卡各芯片的最大功耗如表所示。表3-1 芯片功耗说明芯片最大功耗（W）说明XC5VLX50T2.23所有资源按80%使用量。5V转3.3V DC-DC2.16在安装视频压缩板卡时。按85%转换效率。5V转1.8V DC-DC0.5按85%转换效率。5V转1.0V DC-DC0.2按85%转换效率。MT47H128M160.72按最大读写功耗TVP51580.75按最大功耗ADV7441A0.95按最大功耗THS82000.76用于测试，实际不使用SAF7129AH0.8用于测试，实际不使用功耗较大的芯片有：FPGA（2.23W）、5V-3.3V的DC-DC（2.16W），可加散热片。布局上，DC-DC远离视频输入/输出芯片。DDR2器件性能对温度比较敏感，远离其它发热量较大的器件。四、逻辑设计图4-1逻辑框图本方案硬件框图如上图所示，TVP5158并行4路采集标清视频，转为BT.656格式，经DDR2缓存以后，通过PCIE模块传输到背板。 ADV7441A采集高清信号，转为BT.1120格式，经DDR2 缓存以后，通过PCIE模块传输到背板。通过PMC接口，可将视频数据传输到PMC视频压缩板卡（PCI模块），将压缩后的数据通过PCIE传输到背板。 I2C模块实现模式切换功能。五、结构设计结构如下图所示。图5-1结构图本方案设计采用加固导冷设计，通过缩紧条与机箱连接。板卡厚度为0.8英寸。如图4-1所示，板卡通过PMC连接器与扩展的视频压缩板连接。通过冷板传导热量。对于3U板卡，由于VS1/VS2电压恒定（6U有12V/48V两种），故无须使用有角度的连接器，采用没有角度的连接器1-1469492-9。六、上电配置主控板卡通过PCIE总线配置FPGA寄存器及其他芯片寄存器，完成上电后的系统初始化工作。流程如下图所示。图7-1 上电配置流程图需要配置的芯片如下: 表6-1 芯片配置说明需配置的器件说明FPGA配置为需要的工作状态，TVP5158当为标清输入时，配置为BT656单路或多路输出。ADV7441A当为高清输入时，配置CP 4:2:2 1080p模式THS7303/THS7314配置放大器，用于测试SAF7129配置BT656输入，用于测试THS8200配置为 4:2:2 YCrCb输入，用于测试七、质量保证1、可靠性可靠性是决定视频采集系统正确、可靠的运行的关键，为保证视频采集模块满足任务要求。所以可靠性设计其贯穿整个项目过程，可分为下面几个方面：系统设计方面：按照各部分功能，采用模块化设计，减少不必要的连接，提高系统的可靠性。本模块采用标准的PCIE与主控板卡通信。硬件设计方面：使用更高质量、更高可靠性的元器件、部件，提高系统的可靠性。本模块器件全部工业级以上，且经过长期使用验证的器件。结构方面：采用稳固的接口，防止出现松动而影响设备间通信。2、可靠性本板卡没有尖锐的棱角，以防止划伤操作人员。3、可测试性本方案从硬件、软件两个方面考虑了系统的可测试性。硬件方面：为关键信号和器件预留足够的测试点和测试接口。软件方面：各功能模块预留自检功能和测试接口，可查询当前运行状态，方便用户检查。即在FPGA内部设计错误状态寄存器，可查询当前状态。4、可维护性本方案从以下几个方面考虑了系统的可维护性。减少由于系统复杂对设备维护性带来的影响；提供方便快捷的检测手段和检测方法（测试点及软件检测）；采用模块化设计，在出现问题以后，可快速更换。结 论本文研究的视频采集模块的设计复合VPX（VITA46）标准，采用PCIE高速总线与背板通信。可以实现4路标清视频采集或单路1080i高清视频采集。结构设计采用导冷方式，符合