基于PCIe總線(xiàn)的航空視頻采集記錄系統的設計

摘要：PCIe總線(xiàn)不僅硬件接口簡(jiǎn)單，軟件和PCI總線(xiàn)完全兼容，而且傳輸速度數十倍于PCI總線(xiàn)。針對載機任務(wù)系統實(shí)時(shí)視頻采集記錄的需求，設計了一種基于PCIe總線(xiàn)的航空視頻采集記錄系統，利用現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)實(shí)現了視頻數據流的編解碼和PCIe橋接口的設計，簡(jiǎn)化了硬件接口設計，提高了系統的工作效率。系統在某型數字化對抗訓練系統中的實(shí)際應用表明該設計實(shí)用可行。
關(guān)鍵詞：PCIe總線(xiàn)；視頻采集；硬件設計語(yǔ)言；INDS

0 引言
航空電子系統之間以傳遞狀態(tài)數據和控制數據為主，因為數據量不十分巨大，對傳輸速率要求并不高。例如，最流行的航空總線(xiàn)ARINC 429和1553B總線(xiàn)，速率分別是100kbps和1Mbps。而隨著(zhù)飛行訓練強度和精度的提高，飛行試驗和訓練過(guò)程的多通道視頻畫(huà)面需要實(shí)時(shí)記錄下來(lái)以便進(jìn)行事后分析評估和系統設計改進(jìn)。與傳輸狀態(tài)控制信息相比，這些視頻數據是巨量的，對航電系統的海量存儲和數據高速傳輸都提出了更高的要求。本文提出一種航空視頻采集記錄系統的設計方案，采用速率高達2．5Gbps的PCIe總線(xiàn)構建系統，PCIe總線(xiàn)既有高速的數據傳輸能力，又有良好的外設接口，有利于大容量信號的實(shí)時(shí)傳輸。有效解決了機載多通道視頻數據的實(shí)時(shí)采集與記錄，為航空訓練任務(wù)系統的事后評估和性能分析改進(jìn)提供了便捷的手段。

1 系統的方案設計
在航空視頻采集記錄系統中，攝像頭把載機任務(wù)系統的實(shí)時(shí)畫(huà)面視頻數據按預定格式組幀，通過(guò)LVDS信號總線(xiàn)傳輸給視頻采集模塊；經(jīng)過(guò)視頻采集模塊對LVDS信號電平進(jìn)行變換處理后，將單端視頻數字信號送給可編程邏輯器件(FPGA)進(jìn)行視頻解碼處理。解碼后的數字視頻，一方面通過(guò)SAA7121視頻編碼器直接送給監視器，讓飛行員實(shí)時(shí)掌握訓練情況與效果：另一方面通過(guò)高速PCIe總線(xiàn)傳送給嵌入式CPU模塊進(jìn)行視頻數據壓縮存儲，供事后分析。航空視頻采集記錄系統總體結構如圖1所示。

2 系統的硬件設計
系統的硬件設計主要集中在各個(gè)功能模塊的電路設計上，是軟件設計和系統調試的平臺基礎。硬件設計應該保證系統運行的高可靠性，在滿(mǎn)足要求的前提下，盡量減少可編程邏輯、系統軟件的設計與調試的難度。
2．1 視頻數據采集
攝像頭攝錄的視頻數據以L(fǎng)VDS差分電平信號進(jìn)行傳輸，需要進(jìn)行電平信號轉換才能進(jìn)行后續視頻信號的記錄處理。攝像頭傳輸的視頻數據包括4對LVDS差分信號，CLK+／CLK-是采集數據的時(shí)鐘，其余3對差分信號包含著(zhù)像素灰度。差分信號經(jīng)過(guò)DS90LV032轉換，變成4個(gè)單端的數字信號，供后面的電路處理。視頻采集電路如圖2所示。

因為視頻數據頻率較高，經(jīng)過(guò)轉換后的單端信號應該端接10 Ω的電阻以抑制反射，提高信號穩定性。
2．2 視頻解碼和處理
對前端采集的視頻數據，必須進(jìn)行處理才能實(shí)時(shí)顯示和壓縮存儲。由于視頻數據量大，為達到最流暢的快速處理，應該由硬件邏輯直接進(jìn)行數據處理。視頻數據的解碼和處理主要由FPGA完成，也是可編程邏輯設計的主要任務(wù)。
當前端DS90LV032將經(jīng)過(guò)信號轉換以后的視頻數據傳輸給FPGA，由FPGA完成視頻信號的解碼還原、格式轉換后同步傳輸給CPU模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和實(shí)時(shí)回放視頻模塊。FPGA視頻數據處理的硬件接口設計如圖3所示。