龚晓华

摘 要：本文基于Xilinx Artix-7系列FPGA的PCIe接口设计了一套高速图像采集卡方案，通过面向WinDriver的 PCIe设备驱动程序开发，在Windows7系统中实现了PC机对采集卡的读、写、DMA操作和中断处理。经测试，PCIe x1@5GHz接口单向峰值传输速率达463.14MB/s，可以满足实际应用中的高性能和可靠性要求。

关键词：PCIE；FPGA ； WinDriver 图像采集

随着图像处理走向高清化、智能化，人们对设备间数据传输速率的要求越来越高，PCIe作为计算机和外围设备间数据交互的主流接口，已被广泛的应用于图像采集卡设计中。目前，实现PCIe接口有两种方法：使用FPGA内置的PCIe专用IP，使用PCIe桥接芯片。由于FPGA应用更加灵活、成本更低，本文基于FPGA设计高速图像采集卡。

一、图像采集卡设计

（一） PCIe图像采集卡设计

如图1所示，图像采集卡基于Xilinx公司的Artix-7系列xc7a200tffg1156-2 FPGA芯片，该型FPGA内集成有PCIe硬核，用于实现采集卡和PC间的数据交换，本设计使用x1模式，传输速率5Gbps，理论带宽500MB/s。围绕FPGA构建常用外设，如双路差分VGA接口和DDR3存储，用于图像采集和数据存储；电源管理模块实时检测采集卡上的关键电压信号。

（二）图像采集卡工作原理

数据流方面，如图1所示，图像数据通过差分VGA接口进入FPGA内部，接口适配模块实现VGA时序向AXI-Stream[1]时序的转化，VDMA模块将图像流缓存到DDR3中的循环缓冲中，并以中断方式向缓存读写控制模块报告写入情况；当缓存读写控制模块判定循环缓冲中有剩余数据时，通知CDMA模块发起PCIe写DMA，将DDR3中数据通过PCIE模块发送到PC缓存，再以消息方式告知PC DMA发送完毕，PC机最终向图像流数据缓存写特定数据报告循环缓冲读取情况。……