第１期 ２０１０年０３月 电光系统 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｆｉｅＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２ＯｌＯ
基于ＰＣＩ总线的高速红外图像采集系统的设计
黄 颖，刘 镝
中国人民解放军９１４０４部队
摘要：文章简单介绍了ＰＣＩ总线的特点，设计并实现了一种基于ＰＣＩ总线的高速红外图像采集系统，给 出了此采集系统的硬件结构设计方法，描述了Ｗｉｎ２０００下采集系统设备驱动程序的结构及其工作流程。 此系统可用于对红外长波信号进行实时的高速采集，其性能和指标均满足要求。 关键词：红外图像；数据采集；ＰＣＩ总线；驱动程序
中图分类号：ＴＰ９１１．７３ 文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＩＩｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ－ｉｍａｇｅ－ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ０１１ ＰＣＩ Ｂｕｓ
ＨＵＡＮＧ Ｙｉｎｇ．ＬＩＵ Ｄｉ
（ ｉｔｓ ９１４０４ ｏｆ ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ＰＣＩ ｂｕｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ａ ｈｉｓｈ－ｓｐｅｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ－ｉｍａｇｅ－ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ．１１１ｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｄｒｉｖｅｒ ｗｉｔｈ Ｗｉｎ２０００ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｏｎｇ—ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ・
ｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｉｍａｇｅ；Ｄａｔａ－ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＰＣＩ Ｂｕｓ；ＷＤＭ
１ 引言
高速红外图像采集系统作为红外信号处理与
信息处理的基础，近年来随着微机局部总线的不
断改进而得到了较大的发展。基于ＩＳＡ总线、ＥＩ・
ＳＡ总线等的处理系统处理速度渐渐跟不上高速
实时图像采集处理的要求。目前比较先进的ＰＣＩ
局部总线以其高传输速率得到了广泛的应用。采
用ＰＣＩ总线作为系统与微机的接口，可以大大提
高系统数据传输速率，并节省大量的ＣＰＵ时间，以
适应高分辨率实时红外图像采集显示要求。本文
介绍的５０帧／秒（一帧图像为３２０×２４０个像素）
高速图像采集系统是为采集红外长波信号而设计
的，并且实现与工控机接口，以便采集信号的后期
处理。
２ ＰＣＩ总线概述
随着Ｗｉｎｄｏｗｓ图形用户界面的迅速发展以及
作者简介：黄颖（１９８０一）女，工程师。 多媒体技术的广泛应用，要求系统具有高速图形
处理和Ｉ／Ｏ吞吐能力，使原有的ＩＳＡ，ＥＩＳＡ总线远
远不能适应。外围部件互连总线，即ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈ－
ｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）总线，已成为局部总
线的新标准。它将外设直接挂到ＣＰＵ的局部总线
上，并以ＣＰＵ速度运行，可大大提高外设的运行速
度。ＰＣＩ总线支持的时钟频率为３３ ＭＨｚ／６６ ＭＨｚ，
与ＣＰＵ的时钟无关，总线宽度为３２位，并且可以
扩展到６４位，因此其数据传输率可达１３２ ＭＢ／ｓ一
２６４ ＭＢ／ｓ，这是其它总线难以比拟的。它大大缓
解了数据Ｉ／Ｏ瓶颈，使高性能ＣＰＵ的功能得以充
分发挥，为大容量数据传输提供了可能，尤其为实
时图像处理和多媒体技术等提供了坚固的技术基
础ｏ
３采集系统硬件结构
３．１性能指标
本系统是基于红外长波信号的采集，其设计
指标如下：
总第１３１期 黄颖，等：基于ＰＣＩ总线的高速红外图像采集系统的设计 ２７
数据采集精度为１４ ｂｉｔｓ；
帧频为５０＊Ｓｉｓ；
每帧图像格式：３２０×２４０；
通过ＰＣＩ总线与计算机高速接口；
采用高速大容量缓存；
系统控制逻辑由ＣＰＬＤ完成；
系统稳定，可靠。
３．２硬件整体结构
高速红外图像采集系统硬件结构主要包括差
分信号转换、ＦＩＦＯ缓存、ＰＣＩ总线控制
（ＡＭＣＣＳ５９３３）及ＣＰＬＤ控制等几个部分，原理框
图如图１所示¨ 。
红外摄 像机差１ 分数字 信号
图１系统结构框图
３．３红外摄像机接口模块
红外摄像机输出的信号为ＲＳ一４２２电平的差
分信号，包括ｌ４位图像数据、时钟信号、帧同步信
号和场同步信号，所以这些信号首先要经过差分
信号转换器ＤＳ２６Ｃ３２将差分信号转换为单端 ｒｒＬ
电平信号，转换后的信号经ＣＰＬＤ送到ＦＩＦ０缓存，
当主机需要采集数据时，发送命令给ＣＰＬＤ，数据
由ＦＩＦＯ经ＣＰＬＤ和ＰＣＩ接口芯片ＡＭＣＣＳ５９３３送
人内存。值得注意的是本系统差分信号输出为１４
位，而ＰＣＩ总线数据宽度为３２位，因此主机接收
到的数据中，每个像素的高１８位为０．
３．４ ＰＣＩ总线接口模块
基于微机的数据采集、处理系统中，计算机接
口卡是其中的关键硬件设备。本设计选用的接口
芯片是ＡＭＣＣ公司的￥５９３３控制器 Ｊ，￥５９３３总线
控制器符合ＰＣＩ局部总线规范２．１版，可作为ＰＣＩ
总线从设备（ＳＬＡＶＥ），实现基本的传送要求；也可
作为ＰＣＩ总线的主设备（ＭＡＳＴＥＲ），访问其他ＰＣＩ
总线设备。￥５９３３其峰值数据传送速率可达
１３２ ＭＢ／ｓ，￥５９３３提供了三种物理总线接口：ＰＣＩ
总线接口、ＡＤＤ—ＯＮ总线接口及外部配置存储器
接口。数据传送可以在ＰＣＩ与ＡＤＤ ＯＮ总线之间
进行，也可以在ＰＣＩ总线与外部配置寄存器之间
进行。ＰＣＩ与ＡＤＤ—ＯＮ总线之间的数据传输可以 通过三种通道来实现：邮箱寄存器通道（ＭＡＩＬ・
ＢＯＸ），ＦＩＦＯ通道和ＰＡＳＳ—ＴＨＲＵ通道。
￥５９３３提供两个单独的３２×８ ＦＩＦＯ数据通
道，分别实现从ＰＣＩ到ＡＤＤ—ＯＮ和ＡＤＤ—ＯＮ到
ＰＣＩ的数据传输。这两个ＦＩＦＯ均支持ＰＣＩ总线主
设备操作，支持数据突发传送。在本系统中，我们 利用了￥５９３３的ＡＤＤ—ＯＮ ＴＯ ＰＣＩ ＦＩＦＯ通道，通过
ＡＤＤ—ＯＮ总线启动￥５９３３的总线控制功能，并可
以通过外加级联ＦＩＦＯ缓存来增加￥５９３３内部
ＨＦ０的深度。
￥５９３３初始化是由配置存储器在系统配置周
期自动加载的，在本系统中我们利用并行２４Ｃ０４
存储器作为￥５９３３的配置存储器。
３．５逻辑控制模块
ＡＬＴＥＲＡ公司采用高密度、高性能逻辑控制
器件ＥＰＭ３２５６来实现图像采集卡的内部逻辑控
制。ＥＰＭ３２５６采用ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ技术制造，工
作于３．３ Ｖ电源电压之下，并可以通过内建的
ＪＴＡＧ接口来实现３．３ Ｖ的ＩＳＰ（Ｉｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍ—
ｍａｂｌｅ） 。
３．６缓存模块
系统中，采用低功耗ＣＭＯＳ同步ＨＦ０
ＩＤＴ７２Ｖ２９５来为图像采集卡提供高速缓存。其
１２８ Ｋ×１８ ｂｉｔ的存储容量能充分满足红外图像采
集系统的要求；３．３ Ｖ电源供电满足低功耗的要
求；读、写时钟相互独立，支持读和写的快速并发
进行；它还支持第一个数据直接输出的功能。
４驱动程序开发
本系统的驱动程序设计我们采用ＷＤＭ驱动
开发模型。ＷＤＭ（Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｅ１）是微软
公司全新的驱动程序模式，支持即插即用、电源管
理和ＷＭＩ（Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）
技术，它的运行平台是Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／２０００／ＸＰ操作
系统 Ｊ。本文设计的高速红外图像采集板驱动程
序开发所使用的工具包有：微软公司的Ｖｉｓｕａｌ
Ｃ“６．０，Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ ＤＤＫ以及Ｎｕｍｅｇａ Ｄｒｉｖｅｒ．
Ｓｔｕｄｉｏ２．７．
开发ＰＣＩ设备驱动程序，主要有三个方面问
题：硬件访问、中断处理和ＤＭＡ传输。
４，１硬件访问
Ｘ８６处碑器有两个独立的地址空间，分别是 电光系统 第１期
Ｉ／Ｏ地址和内存地址。Ｉ／Ｏ地址空间只有６４ ＫＢ，
而内存地址空间达到１４ ＧＢ．对于微机接口卡，其中
的ＬｅＯ和存储器芯片可以定位于这两种独立的地
址空间中。一个芯片的地址在Ｉ／Ｏ地址空间的范
围称为Ｉ／Ｏ映射，在Ｉ／Ｏ地址空间的设备只能通
过Ｉ／Ｏ指令来访问。而一个芯片的地址在内存地
址空间的范围称为内存映射，可以通过一些内存
访问指令来访问。ＫＩｏＲａｎｇｅ类实现对ＬｅＯ映射芯
片的访问，ＫＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ类实现对内存映射芯片
的访问。
在ＰｎＰ启动例程中，初始化ＫＩｏＲａｎｇｅ类和
ＫｍｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ类实例：
ｓｔａｔｕｓ＝Ｉｎ—ＩｏＰｏｒｔＲａｎｇｅＯ．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ（
ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，
ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａｗ，
ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ（０）
）；
在ＰｎＰ停止和删除例程中，使ＫＩｏＲａｎｇｅ类和
ＫｍｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ类实例无效：
ｍ—ＩｏＰｏｒｔＲａｎｇｅ０．ｏｕｔｄ（ＡＭＣＣ—ＯＰ—ＲＥＧ—ＩＮＴＣ—
ＳＲ，０ｘＯ）；
４．２中断处理
中断处理Ｋｌｎｔｅｒｒｕｐｄ类实现硬件中断的处理，
中断的初始化在ＰｎＰ启动例程中完成。图像采集
卡需要上传数据时，通过￥５９３３发送中断信号到
ＰＣＩ总线，驱动程序收到中断后调用中断服务例程
ＩＳＲ．
在本系统的设计中，我们用接收邮箱４字节３
中断来申请ＤＭＡ。在接受到邮箱中断之前需要对
￥５９３３做如下设置工作：
１）复位邮箱标志； ２）复位ＦＩＦＯ标志位；
３）定义ｆｉｆｏ管理表；
４）定义ＰＣＩ ｔｏ ＡＤＤ～ＯＮ和ＡＤＤ—ＯＮ ｔｏ ＰＣＩ
ＦＩＦＯ优先权；
５）设置ＤＭＡ传输首地址寄存器ＭＷＡＲ；
６）设置ＤＭＡ传输字节数寄存器ＭＷＴＣ；
７）打开邮箱４字节３中断。
在中断服务例程中，首先判断该中断是否是
自己的设备产生的，若不是，返回ＦＡＬＳＥ；若是，判
断中断类型。若是接收邮箱４字节３中断（申请
ＤＭＡ中断）则清除所有中断源、关闭邮箱中断，使
能ＤＭＡ传输；若是ＤＭＡ传输结束中断，清除所有 中断源并发送事件消息给应用程序；若是用户放
弃ＤＭＡ中断，清除所有中断源，跳出中断服务例
程。具体流程如图２所示。
图２中断服务例程流程 ４．３ ＤＭＡ传输
ｊ实现ＤＭＡ操作需要三个类：ＫＤｍａＡｄａｐｔｅｒ，
ＫＤｍａＴｒａｎｓｆｅｒ和ＫＣｏｍｍｏｎＤｍａＢｕｆｆｅｒ．类ＫＤｍａ—
Ａｄａｐｔｅｒ用于建立一个ＤＭＡ适配器，说明ＤＭＡ类
型、传输字节数等；类ＫＤｍａＴｒａｎｓｆｅｒ主要用于系统
ＤＭＡ的传输；类ＫＣｏｍｍｏｎＤｍａＢｕｆｆｅｒ用于申请系
统提供的通用缓冲区。本系统中采集到的图像格
式为３２０×２４０，而每一像象素要用３２位（双字）的
ＰＣＩ总线传送，故要申请７６８００个双字（３０７２００＝
０ｘ４ｂ０００个字节）的通用缓冲区空间：
ｍ—ＣｏｍｍｏｎＤｍａＢｕｆｆｅｒ．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ（＆ｍ—ＭｙＤｍａ，
０ｘ４ｂ０００）； ｉｆ（ｍ—ＣｏｍｍｏｎＤｍａＢｕｆｆｅｒ，．ＶｉｒｔｕａｌＡｄｄｒｅｓｓ（）＝
＝ＮＵＬＬ）
｛
Ｉｎｖａｌｉｄａｔｅ（）；
ｒｅｔｕｍ ＳＴＡＴＵＳ—ＵＮＳＵＣＣＥＳＳＦＵＬ；
｝
ｍ—ＦＡｄｄｒ＝ｍ—ＣｏｍｍｏｎＤｍａＢｕｆｆｅｒ．ＬｏｇｉｅａｌＡｄ－
ｄｒｅｓｓ（）．ＬｏｗＰａｒｔ；
ｍ—ＬＡｄｄｒ＝ｍ—ＣｏｍｍｏｎＤｍａＢｕｆｆｅｒ．ＶｉｒｔｕａｌＡｄ－・
ｄｒｅｓｓ（）
５结束语
根据上面的设计，研制出了基于ＰＣＩ总线的
（下转第４４页）