0 引言

　　隨著圖像傳感器的快速發(fā)展，成像質(zhì)量和圖像幀率得到快速提升,，高分辨率的圖像給人們的生活帶來了極大的便利,。但與此同時，快速,、實時的傳輸圖像數(shù)據(jù)成了難題,。傳統(tǒng)的顯微鏡系統(tǒng)主要使用人工操作，對操作人員的經(jīng)驗和知識量要求比較高,，并且存在很多不定因素,。采用自動對焦則大大解決了以上問題，目前國內(nèi)外顯微鏡自動對焦在算法上都比較成熟,，但圖像的分辨率并不是很高[1],。而提高圖像分辨率不僅提高了自動對焦的精準(zhǔn)度，并且可以采集到樣品更多的細(xì)節(jié),，給研究者提供更多的信息,。鑒于以往顯微鏡圖像采集系統(tǒng)的不足，針對高分辨率圖像的數(shù)據(jù)采集,，本文選擇了基于PCI Express（PCIe）總線的圖像采集系統(tǒng)實現(xiàn)顯微鏡圖像的采集,。

　　目前計算機(jī)使用最為廣泛的PCI總線接口最高工作頻率能達(dá)到66 MHz，峰值帶寬理論上可以達(dá)到532 MB/s,，但這種并行總線的傳輸速度和帶寬已逐漸滿足不了高速傳輸?shù)囊?。相比傳統(tǒng)的PCI總線，21世紀(jì)初提出的高速差分總線PCIe采用點對點串行連接,、全雙工的傳輸方式大大提升了傳輸速度和帶寬,。本文實現(xiàn)的1.0版本x4規(guī)格通道理論帶寬可達(dá)到2 GB/s，比USB3.0快,，更是千兆以太網(wǎng)傳輸速度的8倍,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)給PCIe采集系統(tǒng)提供5 V電源,，F(xiàn)PGA正常工作后開始執(zhí)行芯片的固化程序,。首先通過IIC對CMOS傳感器進(jìn)行初始化，CMOS傳感器開始拍攝細(xì)胞的圖像,，同時通過Cameralink接口將圖像數(shù)據(jù)送至系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存,。FPGA將接收到的4對差分?jǐn)?shù)據(jù)解析得到圖像數(shù)據(jù),，接著以鏈?zhǔn)紻MA傳輸方式將數(shù)據(jù)直接送至IP硬核，然后將數(shù)據(jù)打包送至上位機(jī),，上位機(jī)通過應(yīng)用軟件將圖像顯示并保存,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 CMOS成像模塊

　　本系統(tǒng)的圖像傳感器采用Aptina公司生成的MT9-F002I12STCU芯片。FPGA通過IIC協(xié)議對CMOS芯片進(jìn)行初始化,，配置相關(guān)寄存器,。初始化之后，圖像尺寸為4 096H×3 072V,，每幀圖像大小為12 MB,，每秒可生成15幀圖像。該模塊固定在顯微鏡上,，單獨為其提供5 V電源,，模塊內(nèi)部可轉(zhuǎn)換2.8 V和1.8 V電壓為傳感器供電。CMOS傳感器的初始化程序以及圖像數(shù)據(jù)都是通過Cameralink傳輸,。

　　2.2 PCIe總線接口

　　PCIe總線采用串行連接的方式,，并使用數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)報文首先在設(shè)備的核心層中產(chǎn)生,，然后再經(jīng)過設(shè)備的事務(wù)層,、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，最終發(fā)送出去,，接收端的數(shù)據(jù)也需要通過物理層,、物理鏈路層和事務(wù)層，并最終到達(dá)核心層,。目前主流的PCIe總線接口方法有兩種,，方法1：用PEX8311芯片，該方法實現(xiàn)了物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層的控制邏輯,，簡單易實現(xiàn)，但是缺乏靈活性和可配置性[2],。方法2：利用FPGA芯片內(nèi)部集成IP硬核,，IP硬核完成了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，用戶需自行設(shè)計PCIe的應(yīng)用層協(xié)議和TLP,，開發(fā)難度較大,，但可以根據(jù)需求合理配置[3]。本系統(tǒng)采用方法2,，選用Altera公司的EP4CGX30CF23C8芯片,該芯片內(nèi)部集成了IP硬核模塊,，可以實現(xiàn)x4通道的PCIe接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 鏈?zhǔn)紻MA傳輸設(shè)計

　　圖像數(shù)據(jù)傳輸采用DMA技術(shù)保證其實時性[4],，利用鏈?zhǔn)紻MA技術(shù)提高DMA執(zhí)行效率并配合SGDMA技術(shù)解決計算機(jī)離散物理頁的DMA傳輸問題[5],。鏈?zhǔn)紻MA區(qū)別于普通DMA的最大特點就是可以一次執(zhí)行多次DMA,，因此執(zhí)行效率非常高，非常適合于上位機(jī)上物理分頁地址不連續(xù)的DMA數(shù)據(jù)傳輸,。本系統(tǒng)中僅用到DMA寫模塊,，數(shù)據(jù)由FPGA流向計算機(jī)。具體實現(xiàn)的方法是：在主機(jī)端開辟一塊內(nèi)存區(qū)域,，用來存儲描述符表,。描述符表是用來描述在主機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的地址與長度信息的，它由一個表頭和多個描述符組成,。數(shù)據(jù)傳輸前,，用戶將控制參數(shù)、端點地址,、內(nèi)存物理地址寫入并啟功傳輸。鏈?zhǔn)紻MA控制器會及時從內(nèi)存中讀取描述符表來指揮DMA的傳輸過程,。

　　3.2 驅(qū)動程序設(shè)計

　　驅(qū)動程序采用Jungo公司開發(fā)的Windriver軟件,，并利用其特有的KernelPlugln（KP）技術(shù)實現(xiàn)高效的中斷數(shù)據(jù)采集服務(wù)。主要依靠3個函數(shù)：KP_IntAtIrqt,、KP_IntAtDpc,、KP_Call。

　　KP_IntAtIrqt：高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序,，硬件中斷產(chǎn)生時,，該函數(shù)被調(diào)用。當(dāng)返回值大于零時繼續(xù)調(diào)用KP_IntAtDpc,。本項目中,，數(shù)據(jù)采集的全部工作都在該函數(shù)里面完成。當(dāng)一幅圖像采集完成后返回1以便繼續(xù)調(diào)用IntAtDpc低優(yōu)先級中斷,。

　　KP_IntAtDpc：低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序,，KP_IntAtIrqt返回值大于零時被調(diào)用，本項目中不做任何處理,，返回值永遠(yuǎn)大于零以調(diào)用用戶模式下的中斷服務(wù)程序,。

　　KP_Call：主要用于用戶模式與KP通信，本項目中用來傳遞數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及描述符表的地址,，需要注意的是用戶應(yīng)用程序與KP驅(qū)動程序擁有不同的虛擬地址系統(tǒng),，因此應(yīng)用程序的地址在驅(qū)動程序里不能直接使用，需要經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換才能使用,。

　　圖2是中斷數(shù)據(jù)采集的流程圖,。為提高數(shù)據(jù)采集效率，采用兩片緩沖區(qū)交替緩沖機(jī)制,，應(yīng)用程序首先申請兩片數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，并且對其初始化,。然后通過KP_Call函數(shù)將緩沖區(qū)的地址及其頁表信息等傳入驅(qū)動程序內(nèi)核模式下的KernelPlugln，用于鏈?zhǔn)紻MA描述符表的更新,。圖像采集卡每采集到3行圖像數(shù)據(jù)發(fā)送一次中斷,，中斷服務(wù)程序立刻響應(yīng)中斷。首先讀取BAR2空間偏移地址0x40處的32 bit狀態(tài)寄存器,，根據(jù)其值判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)位于圖像的奇數(shù)行或偶數(shù)行,。中斷程序維護(hù)兩個鏈?zhǔn)紻MA描述符表，然后根據(jù)狀態(tài)寄存器的值判斷啟動對應(yīng)的鏈?zhǔn)紻MA以及更新下次將要使用的鏈?zhǔn)紻MA描述符表,，圖像采集卡將根據(jù)描述符表將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的對應(yīng)地址,。最后，再次根據(jù)狀態(tài)寄存器的值判斷一幅圖像是否采集完成,，若完成則通知應(yīng)用程序并繼續(xù)等待下一次中斷,，否則直接等待下一次中斷。

4 實驗結(jié)果分析

　　采集圖像之前先通過Altera公司設(shè)計的PCIe測速軟件在1小時內(nèi)對采集系統(tǒng)進(jìn)行了6次測試,，測試得到的結(jié)果如表1所示,。

　　由表1的測試結(jié)果可以看出，DMA寫的速度已經(jīng)達(dá)到理論帶寬的80%以上,，DMA讀的速度大約為580 MB/s,。經(jīng)過分析，測試速度較理論速度偏低大致有以下3個原因：(1)DMA讀取為非轉(zhuǎn)發(fā)事務(wù),，所以讀的速度比寫的要慢,；(2)中斷響應(yīng)和配置DMA寄存器延時造成速度降低；(3)計算機(jī)本身硬件條件導(dǎo)致傳輸速度偏低,。相比于成像模塊每秒產(chǎn)生15幀12 MB的圖像,，采集系統(tǒng)能夠很好地完成實時采集成像模塊生成的圖像。

　　將采集系統(tǒng)應(yīng)用于顯微鏡自動對焦圖像采集,，經(jīng)過長時間的采集測試,，未出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，采集系統(tǒng)正常工作,。圖3是采集的未經(jīng)解碼的原始圖像數(shù)據(jù),。圖4是通過快速插值解碼之后的彩色的圖像。兩幅圖中的黑點是鏡頭未清潔干凈導(dǎo)致,。實驗結(jié)果表明,，本系統(tǒng)能夠很好地采集顯微鏡自動對焦成像模塊生成的高分辨率圖像，性能穩(wěn)定,，適用于大數(shù)據(jù)量的實時快速采集,。

5 結(jié)束語

　　本文詳細(xì)介紹了基于PCI Express的圖像采集系統(tǒng)，為大數(shù)據(jù)量的實時快速傳輸提供了有效的方案,。并通過測試證明了該系統(tǒng)能很好地應(yīng)用于顯微鏡自動對焦成像模塊的圖像采集,，實現(xiàn)了高分辨率圖像的實時顯示,。相對于熱門的USB3.0以及千兆以太網(wǎng)，本設(shè)計在傳輸速度上有明顯的優(yōu)勢,，并且當(dāng)傳輸速度有更高的要求時,，還可以將x4通道擴(kuò)展成x8或x16通道，得到更高的傳輸速度,。

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