一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡制造技术

本发明专利技术公开了一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，为通用设备提供采集SpaceWire视频设备的能力。采集卡一端连接SpaceWire视频设备，一端连接携带有USB接口的通用设备。采集卡以FPGA为控制核心，采用SpaceWire应用层协议实现与SpaceWire视频设备的通信，USB3.0总线通信由USB3.0控制器实现，采用双SRAM乒乓读写进行图像数据帧的缓存。根据USB3.0控制器传输特点，本发明专利技术设计了针对不同视频格式的数据封装方法，以使传输效果达到最优，具体格式通过USB进行动态配置，方便灵活，可实现多种视频格式数据采集。本采集卡体积小、速率快、即插即用，可有效满足地面设备对SpaceWire视频实时采集的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡
本专利技术属于数据传输
，特别涉及一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡。
技术介绍
SpaceWire总线技术是欧空局为解决星上数据传输问题而提出的一种新的高速(2Mb/s～400Mb/s)、点对点、全双工的串行总线技术。SpaceWire不仅具有较高的数据传输速率,而且具有很好的EMC特性,同时加强了在错误检测与恢复、故障处理和保护以及系统时间广播等方面的功能,使之更加适应航天器的空间运行环境。除此以外,SpaceWire还致力于各个设备间数据链路接口的兼容性和复用性,使航天器研究的成本大大下降。目前，SpaceWire总线在空间任务中还处于试验研究阶段，是未来星载数据总线的首选。由于SpaceWire总线带宽较高，除用于指令、控制数据的传输外，常被用来传输视频、图像等大容量数据。现阶段主要集中为对SpaceWire总线的可靠性、稳定性等测试，为空间组网打好基础。因此，出于测试与数据获取的需要，地面设备与SpaceWire设备的交互也就愈加重要。USB(UniversalSerialBus)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，目前已成熟稳定应用的USB3.0理论速度达到5Gbps，通用设备一般都集成有USB3.0接口，支持热插拔、即插即用、使用方便。因此，通过USB3.0技术采集SpaceWire视频数据，速率快，实时性高，为SpaceWire视频采集、传输带来了极大的便利。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术公开一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，为通用设备提供采集SpaceWire视频设备的能力。本专利技术数据缓存模块采用两片SRAM独立与FPGA进行连接，设计乒乓缓存状态机使数据读写可以同时进行，克服SRAM不支持读写同时进行的问题，提高采集卡的工作效率。本专利技术基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，输入端连接SpaceWire视频设备，输出端连接带有USB接口的通用设备，为通用设备提供采集SpaceWire视频设备的能力。采集卡以FPGA为控制核心，采用SpaceWire应用层协议实现与SpaceWire视频设备的通信；USB3.0总线通信由USB3.0控制器实现，并采用双SRAM缓存模块通过FPGA中设计的乒乓缓存状态机进行乒乓读写，完成图像数据帧的缓存。上述FPGA用于实现SpaceWire视频数据的采集与传输，包括SpaceWire视频数据打包模块，用于完成数据封装；SpaceWire接口FIFO，用于缓存封装好的数据；数据缓存模块，用于驱动SRAM缓存模块实现视频帧的缓存；USB3.0接口FIFO，用于从SRAM缓存模块中读取数据的缓存；USB3.0传输模块，用于实现USB3.0数据传输。上述USB3.0控制器端点配置为输入输出双向，USB3.0控制器缓存BUFFER配置为12个，每个BUFFFER大小为16KBytes，传输方式为SLAVEFIFO模式以适应块数据传输。本专利技术的优点在于：1、本专利技术基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，采用高速的USB3.0作为通用设备的采集通道，速率快，即插即用，方便地面通用设备快速对SpaceWire总线设备的数据采集；2、本专利技术基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，针对不同的视频格式，可对其进行相应的数据封装使采集卡传输速率达到最优效果，具体格式可通过USB进行动态配置，方便灵活，可实现多种视频格式数据采集。3、本专利技术基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，采用两片SRAM乒乓操作的办法实现了SpaceWire视频数据的整帧缓存，保证了传输速率的要求，同时克服了FPGA内部存储资源有限的问题，保证视频数据完整性，防止出现帧错乱的情况。附图说明图1为本专利技术一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡整体结构示意图；图2为控制核心FPGA内部主要模块组成示意图；图3为本专利技术一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡中设计的乒乓缓存状态机状态转移图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，为通用设备提供采集SpaceWire视频设备的能力，输入端连接SpaceWire视频设备，输出端连接带有USB3.0接口的通用设备，为通用设备采集SpaceWire视频流数据提供接口。如图1所示，本专利技术一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，由外围电路与FPGA构成，外围电路主要包括电源模块、配置电路、SRAM缓存模块、时钟电路、SpaceWire接口电路与USB3.0控制器。所述电源模块为采集卡各模块及电路提供电源。采集卡通过USB3.0接口接入标准的5V电压电源，通过电源模块转换为各模块所需电压，包括将5V输入电压转换为3.3V电压输出为FPGA、SRAM缓存模块、USB3.0控制器、时钟电路等提供电源，将5V输入电压转换为2.5V电压输出为FPGA提供所需电压，将5V输入电压转换为1.2V电压输出为FPGA、USB3.0控制器提供所需电压。配置电路主要用于程序的存储。FPGA程序与USB3.0控制器固件程序分别存储在配置电路的两块EEPROM中，上电自动运行，无需再次下载。SRAM缓存模块为视频帧数据提供缓存空间，采集卡采用两片SRAM分别独立与FPGA进行连接，方便读写控制，提高效率。时钟电路为FPGA与USB3.0控制器提供主时钟，采用外部时钟为20MHz的有源晶振为FPGA提供时钟，然后通过FPGA内部PLL实现时钟倍频输出100MHz和200MHz的时钟信号作为系统时钟使用。采用外部时钟为19.2MHz的无源晶振为USB3.0控制器提供时钟；SpaceWire接口电路实现与SpaceWire视频设备的物理连接。SpaceWire视频设备信号电平为LVDS信号，SpaceWire接口电路采集LVDS信号，经过电平变换芯片将电平转换为TTL电平输入到FPGA中。USB3.0控制器实现采集卡与通用设备数据的交互，通过编写USB3.0控制器的固件程序，实现USB3.0总线协议。固件程序中端点方向配置为输入输出双向，缓存区BUFFER配置为12个，每个BUFFFER大小为16KBytes，传输方式为SLAVEFIFO模式，这样配置使得USB3.0控制器能以最大缓存空间进行数据的缓存以适应于块传输要求。FPGA为采集卡的控制核心，主要完成SpaceWire视频数据的采集、封装、缓存与传输，如图2所示，包括SpaceWire视频数据打包模块、SpaceWire接口FIFO、数据缓存模块、USB3.0接口FIFO与USB3.0传输模块。SpaceWire视频数据打包模块用来根据USB3.0控制器BUFFER缓存容量以及所采集的SpaceWire视频格式，确定USB数据包大小以使传输速率最快。在BUFFER缓存容量范围之内，所缓存的数据量越大，传输速率也就越快，采集卡采集到SapceWire视频数据后，将数据进行封装以使传输速率最快。本专利技术通过USB接口可进行采集配置，实现多种视频格式数据的传输，可通过以下方法确定所封装的USB数据包的大小，首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，其特征在于：输入端连接SpaceWire视频设备，输出端连接带有USB接口的通用设备，为通用设备提供采集SpaceWire视频设备的能力；以FPGA为控制核心，采用SpaceWire应用层协议实现与SpaceWire视频设备的通信；USB3.0总线通信由USB3.0控制器实现，并采用双SRAM缓存模块通过FPGA中设计的乒乓缓存状态机进行乒乓读写，完成图像数据帧的缓存。

【技术特征摘要】
1.一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，其特征在于：输入端连接SpaceWire视频设备，输出端连接带有USB接口的通用设备，为通用设备提供采集SpaceWire视频设备的能力；以FPGA为控制核心，采用SpaceWire应用层协议实现与SpaceWire视频设备的通信；USB3.0总线通信由USB3.0控制器实现，并采用双SRAM缓存模块通过FPGA中设计的乒乓缓存状态机进行乒乓读写，完成图像数据帧的缓存。2.如权利要求1所述一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，其特征在于：FPGA用于实现SpaceWire视频数据的采集与传输，包括SpaceWire视频数据打包模块，用于完成数据封装；SpaceWire接口FIFO，用于缓存封装好的数据；数据缓存模块，用于驱动SRAM缓存模块实现视频帧的缓存；USB3.0接口FIFO，用于从SRAM缓存模块中读取数据的缓存；USB3.0传输模块，用于实现USB3.0数据传输。3.如权利要求1所述一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，其特征在于：USB3.0控制器端点配置为输入输出双向，USB3.0控制器缓存BUFFER配置为12个，每个BUFFFER大小为16KBytes，传输方式为SLAVEFIFO模式以适应块数据传输。4.如权利要求1所述一种基于USB3.0的SpaceWire视频采集卡，其特征在于：SpaceWire视频数据的采集与传输具体步骤如下：步骤一、FPGA把接收到SpaceWire视频数据通过SpaceWire视频数据打包模块进行打包封装；步骤二、FPGA把封装好的SpaceWire数据包写入SpaceWire接口FIFO中；步骤三、FPGA检测到SpaceWire接口FIFO中有数据写入时，把SpaceWire接口FIFO中数据读出并检测，数据为帧头时，通过缓存模块把数据写入SRAM中；步骤四、FPGA检测到SpaceWire接口FIFO中数据为帧尾，一帧图像数据缓存完毕，把SRAM中缓存的数据读出并写入USB3.0接口FIFO中；步骤五、FPGA通过USB3.0传输模块把USB3.0接口FIFO中的数据通过USB3.0传输到通用设备。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：伊小素，董伟涛，曾华菘，王家兴，熊瑞，刘辉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11