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1394技术及其在实时图像采集系统中的应用研究
1 引言
IEEE 1394 是苹果公司研制的一种高速串行总线,1394 接口早己是苹果Mac 电脑的标准配置.随着成像技术的高速发展,尤其在进行图形数据的处理和传输时,数据的大批量、高速和实时性对计算机和外设的接口提出了更高的要求,目前1394 接口正被高端PC 广泛采用,以连接外置硬盘、光驱、扫描仪和数码相机等高速外设.
现有大部分数据传输接口(CAN 总线、RS485 等)速率较低,难以满足应用中对传输速率越来越高的要求,成为制约系统整体性能提高的一大瓶颈.目前的新型总线接口主要有:USB 和1394.虽然它们都支持热插拔，都具有使用方便、成本低、易于扩展等特点.但在USB 系统中,数据的传输需要CPU 的控制,支持吃异步传输模式,而且数据的传输速度远远低于1394[1]
,尤其在几个设备共有一个USB 通道时,数据的传输速率更低.相比之下,1394 的优势就更加突出,他支持点对点通信,数据传输不需要主机的干预,节省系统资源;同时支持同步和异步传输模式;而且1394a 的速率可达400Mbps,1394b 最大速率可达3.2Gbps,在同一个1394 系统中可以兼容不同速率的设备.
2 IEEE1394高速串行总线
2.1 IEEE1394的性能特点
高数据传输速率:1394a 最大数据传输速率400Mbps,1394b 最大数据传输速率3200Mbps.
支持点对点通信:节点间进行数据传输时,不需要主系统的干涉,不增加CPU 资源占用率,不影响系统性能.
支持即插即用和热插拔:IEEE1394 可以自动侦测设备的加入与移出动作并对系统做重新整合,无须人工干预.
支持多种总线速度:在一个1394 系统中,各种速度的设备可以共存,但不互相影响通讯速度.
两种传输模式:同时支持等时和异步两种数据传输模式.
传输距离远：普通线缆环境下,两个设备之间的最大距离可达到4.5m,使用中继器可以延长两个设备间的距离至72m,跨越最多16 个中继器.
2.2 IEEE1394的通信原理
将每一个1394 节点作为一个子系统来看,在1394 协议中定义了三个协议层：事务层(Transaction layer)、链路层(LLC)和物理层(PHY),用于在请求者和响应者之间的数据传输过程中完成相关事务.1394 协议的分层结构如图1
(1) 事务层：完成用户任务的事务分割、调度和应用.它定义了一整套请求—响应协议来完成总线请求和支持CSR 结构.事务层服务可看作对底层的调用.
(2) 链路层：链路层为事务层服务,它实现对等时和异步数据包的寻址、数据校验和数据成帧等功能.链路层可以将事务层的请求转化为相应的包或子事务,准备发送到总线上.
(3) 物理层：物理层提供串行总线上传送的数据比特(包)的传输和接收所必需的电子和机械接口,参与配置进程,处理数据传输和接收.物理层还实现了仲裁进程,以确保同一时间上只有一个节点在总线上传输数据.
另外,1394 同时支持等时和异步传输模型[2-3] 和服务,可以满足现实中不同应用的要求.异步传输模式一般用于对数据传输的准确性要求较高的场合.等时传输强调数据的实时性,不同于异步传输那样强调数据传输的正确性.
3 系统硬件设计
整个系统可分为1394 设备端和PC 主机端两大部分.1394 设备端硬件主要由MCU、FPGA、1394 控制芯片(包括链路层芯片和物理层芯片)组成;主机端硬件包括PC 机、PCI-1394 采集卡(适配卡).本设计的主要功能是将红外成像系统获得的图像数据,在微控制器和FPGA 的控制下,通过1394 串行总线传输到主机端(PC),并实现在主机端的图像实时显示.系统功能结构如图2 所示.
1394 设备端功能上主要包括:微控制器、FPGA 及外围图像数据存储FIFO 和1394 控制芯片(链路层、物理层控制器)三部分.实现的主要功能就是配置1394 控制芯片使PC 主机端正确识别设备,响应主机端发送来的指令,将图像数据实时传输到主机端.1394 设备端功能框图从系统的稳定性、兼容性和实际要求考虑,本文分别选用了TI 公司的TSB12LV01B 链路层控制器呵和TSB41LV04A[4]物理层控制器作为接口芯片.TSB12LV01B 和TSB41LV04A 都是3.3v 供电.TSB12LV01B 是一款完全支持IEEE 1394-1995 高性能总线协议芯片,支持等时和异步数据传输,可以充当循环控制器,产生并检查32 位的CRC 校验;具有通用的32 位主机总线接口, 内部嵌有中断产生寄存器、2k FIFO 等功能模块, 可以方便实现图像数据的收发.TSB41LV04A 是一款与链路层芯片(TSB12LV01B)完全兼容的物理层芯片,主要提供了电气和机械接口,检测总线上设备,可以实现仲裁总线,数据位的编解码等功能.链路层和物理层芯片连接电.
4 系统软件设计
4.1 1394设备驱动程序设计
Windows 驱动模型(WDM)[5-6]是内核模式的驱动程序,属于PnP 驱动程序,并支持电源管理,WDM 定义了驱动程序分层,以适应即插即用系统.1394 系统驱动程序采用分层结构模型,从上而下分别为：设别驱动、总线驱动和端口驱动.在驱动协议栈中,不同的驱动程序扮演不同的角色,设备驱动程序(Device Driver)占据驱动协议栈的顶部,其功能是把应用软件的请求翻译成总线驱动程序(Bus Driver)能执行的事务,而总线驱动程序(Bus Driver)则为1394 总线提供了独立于硬件的接口,它处理来自设备驱动程序的I/O 请求包(IRP),然后将请求包发送给主板上PCI-1394 采集卡所使用的端口驱动程序(Port Driver).这样,Win32 应用程序通过设备驱动程序、总线驱动程序和端口驱动程序来控制PCI-1394 采集卡与设备进行通信,通常由IOCTL(I/O Control)控制码实现,通过1394 总线驱动程序和端口驱动程序来处理所有底层的通信细节.1394 驱动协议栈和通信框图分别如图5 和图6 所示.
用DDK[7]设计的1394 设备驱动由4 个模块组成：初始化模块、即插即用模块、电源管理模块以及I/O 模块.初始化模块提供设备驱动[8]的入口点,从而将不同的IRP 请求发向相应的执行模块.
即插即用模块用于实现1394 设备的热插拔和动态配置.当总线驱动程序在加电或者添/删除时检测到新设备,从设备中取出一个或多个标识符,用于检查所有可用的安装文件,发现合适的设备驱动程序.驱动程序被装入,调用AddDevice()入口点,告诉它发现一个新设备,并创建功能设备对象（FDO）.总线驱动程序或者安装文件详细描述设备所需的硬件资源,使用仲裁器为每个设备分配资源.
电源管理模块负责设备的挂起和恢复.
I/O 模块完成I/O 请求的大部分工作.该模块定义了所需的I/O 控制代码,从而为应用程序提供了调用系统驱动程序的接口.
4.2 客户应用程序设计
在高速图像传输系统中,应用程序是控制数据流的中心.采用VC++6.0 和2000DDK 实现,主要功能有：获取图像数据源、检测1394 设备、总线管理、分配1394 地址空间、设置等时资源和通道、完成1394 数据传输.一次等时传输流程如图7 所示.
5 总结
本文根据时代的发展和现实应用的需要，突破传统的利用常规的低速串行总线的模式，将1394 高速串行总线引入到高端的实时图像采集系统中，并取得了很好的效果，对1394 接口技术的推广应用具有重要的意义;本文1394 设备端采用微控制(MCU)+FPGA+1394 控制芯片的设计模式,实现了1394 设备端和PC 主机端间数据的实时传输和显示.
系统的设计特点及创新：(1)将1394 引入到红外成像系统中,实现了红外图像的高速率传输和实时显示,大大提高了整个红外成像系统的整体性能; (2)遵循IEEE1394 协议规范,因此具有通用性,易于移植;对1394 协议在计算机外设端的开放应用具有较大的参考价值;(3)1394 设备即插即用,自动开启数据传输,无须人工干预;(4)微控制器实现1394 芯片配置,编程灵活,易于调试;(5)数据传输完全由FPGA 控制,实现较高传输速率.
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