CN113014880B - 一种基于高速数据交换的多源图像共享系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于高速数据交换的多源图像共享系统，包括采集器、处理器、SRIO交换板以及运行于该系统的数据共享软件，所述采集器、处理器和SRIO交换板通过6UVPX背板连接，采集器、处理器通过SRIO交换板进行SRIO高速互联。采集器是系统的源端，可并发支持8路HD‑SDI和4路PAL同时采集，其根据应用需求，可配置系统数据共享方式为主动或者被动，处理器是系统的运算中心，可根据系统需求配置单个或多个处理器，各处理器间可级联也可并行处理，SRIO交换板是系统的传输媒介，交换方式可设置为单播或组播。

Description

一种基于高速数据交换的多源图像共享系统
技术领域
本发明属于图像处理领域，特别是涉及一种基于高速数据交换的多源图像共享系统。
背景技术
随着科技水平的发展与数据处理能力的提升，科研试验与工业生产对图像数据更加依赖。常见的高速串行总线有RapidIO、PCI Express和千兆以太网，在拓扑结构上，RapidIO和以太网总线均是模糊拓扑结构，任何端点组都可以用任何拓扑连接，PCIExpress支持单个根联合体的树状结构。传输带宽上，三者均支持不同带宽选项功能，但与以太网相比，PCI Express和RapidIO支持更多的通道速率和通道带宽组合。可靠性上，三者均有误码检测和提醒机制，但以太网的误码检测机制通常比较慢，且Rapidio在使用时，当误码发生时，可根据不同条件进行模式配置。综合而言，RapidIO是高速数据互联的最佳选择，其具有其他总线无法复制的功能，如低时延、低抖动性、具有组合式链路层和网络层流量控制机制、可配置误码检测和模糊拓扑路由从而具有高效的备份能力、更高的传输可靠性和带宽能力。当前，在图像处理系统领域，各类图像传感器已广泛应用于航天观测、遥测遥感、车载监视等设备，图像数据存在类型多样、数据庞大且低延时的特点，而又因为传输距离的增加与速率的提高，误码、丢数等现象随之产生。基于RapidIO传输总线的图像数据共享系统恰好可以解决多源图像数据高速交换的问题。
发明内容
发明目的：为解决多源图像数据高效、可靠、低延时的共享，本发明提出一种基于高速数据交换的多源图像共享系统，系统既可并发支持多源多路视频信号的采集，也支持多路视频信号在系统内部高速共享，设计上采用开放式设计理念，使用系统具有极高的扩展性和兼容性。所述系统包括采集器、处理器和SRIO交换板，所述采集器、处理器和SRIO交换板通过6UVPX背板连接，处理器可根据需求灵活配置，处理器之间可并行处理，也可串行处理，SRIO交换板包括SRIO接口，采集器和处理器采用SRIO接口连接。
所述采集器并发支持8路HD-SDI和4路PAL同时采集，根据应用需求，能够配置系统数据共享方式为主动或者被动；所述采集器采用FPGA加专用解码芯片的方式搭建，SRIO传输上采用底层FPGA封装完备的IPCore实现，对外接口为一套Avalon的Mast和Slave数据总线，数据传输过程中的数据时序需与Avalon接口时序相匹配；
采集器在采集数据时，先通过SDI解码芯片或PAL解码芯片将外部输入的信号解码为并行数字信号，由FPGA芯片将数字信号通过主动的方式送至SRIO交换板，SRIO交换板根据配置信息再将数据转发至指定的目的ID和地址空间；或者以被动的方式将视频数据存在于本地寄存器地址空间，再以门铃的方式通知对方。
所述处理器是系统的运算中心，能够根据系统需求配置单个或两个以上处理器，各处理器间可级联也可并行处理。所述处理器物理上采用FPGA和海思3559芯片的方式搭建，SRIO数据交换上以FPGA封装完备的IPCore进行收发，最终的数据处理在3559中实现。系统设计上，采用开放式可编程的运算平台，不同用户可根据功能需求开发不同的应用软件。处理流程上，处理器提供一套基本的视频数据共享的传输机制，即能够接收数据也能够对外发送数据。根据系统应用需求各处理器间可部署级联处理软件也可部署独立并行的处理软件。所述处理器的数量能够根据使用需求配置，其功能可根据使用需求进行设计开发。
所述SRIO交换板是系统的传输媒介，连接方式可设置为单播或组播。SRIO交换板物理上以交换芯片Cps1848为核心构建SRIO互联体系，从而实现高速数据交换。CPS1848提供256个缓存可存储设备路由表，使用上，通过配置SRIO交换板的路由器来实现数据包分组交换的方式，如单播还是组播，哪个板卡与哪块板卡是相互交互的。CPS1848交换芯片支持SRIO2.1标准，由48个双向的数据差分对(lane)，可以配置成1X，2X和4X三种端口模式，最多支持18个1X，18个2X和12个4X端口，每个lane的速率可配置成1.25Gbit/s、3.125Gbit/s、5Gbit/s或6.25Gbit/s。还有标准的I2C接口可以用来完成对交换板的初始化配置和寄存器状态的读取。
所述系统通过执行如下步骤完成多源图像共享：
步骤1，系统开机上电，SRIO交换板、采集器和处理器上电初始化；
步骤2，配置SRIO交换板路由器，配置采集器数据共享方式；
步骤3，控制采集器开启视频采集工作；
步骤4，采集器先发送一帧帧头数据，用来描述通道视频源信号的参数以及通道的状态，发送完一帧帧头数据后，发送一个门铃消息；
步骤5，采集器根据配置，结合事先商定的通信协议，将单帧视频切分(Tw×Th)×2)/256个数据包，其中Tw是图像的宽，Th是图像的高，每个数据包256字节，最后以包为单位存放在本地寄存器空间或者发送至指定的ID和端口号；寄存器地址的取值根据数据包数的增加逐步累加，直至一帧图像的结束；每发送完一帧图像数据，发送一个门铃消息；
步骤6，采集器不断以一帧帧头加一帧图像数据的方式循环传输数据；
步骤7，接收视频数据；处理器收到门铃信息后，先解析门铃的数据内容，再根据门铃的信息去及视频传输方式去本地或者采集器指定的地址空间读取视频数据；
步骤8，当采集器接收到采集停止指令后，采集器停止发送数据，处理器停止接收数据；当采集器接收到新的发送指令后，采集器解析命令字的内容，回到步骤3，重新进行数据的采集和发送；数据共享过程中，采集器、交换板及处理器均时刻监视链路的状态，当链路终断或发生异常，采集器和处理器端启动自检和自复位功能；
步骤9，控制指令交互，采用与视频共享相同的方式进行控制指令的交互。实现上仍以数据加门铃的方式，在寄存器地址空间上指定一片区域专门用于控制指令的交换。
为适配多源视频的采集，格式上既能满足当前常规的高清SDI视频，也能兼容标清的PAL视频，设计一款可同时支持8路SDI视频和4路PAL视频的采集器。该采集器经过SDI和PAL的专用解码芯片和采集芯片同步采集视频信号，采集后进入FPGA，FPGA将每帧图像数据按照规定的地址空间缓存在DDR内存中，FPGA提供1路4xSRIO接口路由到背板连接器；也可通过主动分发方式，将视频数据分发到所需模块中。
RapidIO支持的数据传输主要是直接IO/DMA(Direct IO/Direct Memory Access)和消息传递(Message Passing)。直接IO/DMA模式是最简单实用的传输方式，其前提是主设备知道被访问端的存储器映射。在这种模式下，主设备可以直接读写从设备的存储器。消息传递模式类似于以太网的传输方式，数据在被访问设备中的位置则由邮箱号(类似于以太网协议中的端口号)确定。消息传递模式则类似于以太网的传输方式，它不要求主设备知道被访问设备的存储器状况。数据在被访问设备中的位置则由邮箱号(类似于以太网协议中的端口号)确定。本方法选用IO/DMA方式。
数据的共享采用IO加门铃的方式，视频数据以每发送一帧图像加一个门铃信息。控制指令的交换以每发送一包命令字加一个门铃信息。
为避免系统出现对寄存器地址空间的占用，系统设计初期将采集器及处理器端的寄存器地址空间进行分片规划。分为大块连续区域和小块连续区域，小块区域在前，大块区域在后，其中大块区域主要用于视频的交互，以8M为单位，小块区域主要用于控制信息和少量数据的交互，以4096B为单位。对应不同的区域，指定一个门铃数据。
高速数据传输共享方式，12路视频按照8路1080P30HZ高清图像和4路720*57625HZ模拟图像计算其带宽量为：8路×1920×1125×16bit×30hz+720×625×25hz×16bit×4路＝9.015Gbps；使用SRIO 4x模式的传输方式，理论达到的效率(以单line6.25Gbps)为：6.25Gbps×4×0.8×0.7＝14Gbps；其中0.8因子为8b/10b编码造成的损耗，0.7因子为实际传输的效率。
寄存器缓存区为每路视频分配2个连续缓冲区用于乒乓操作，每个缓存区8Mbyte。单路视频按照每包固定256字节的方式进行传输，每包数据带固定的地址。
处理器端接收到门铃信号后，解析门铃信号所对应的视频通道，根据通道号及视频的共享方式去本地寄存器地址空间或者采集器的寄存器地址空间读取视频数据。
有益效果：
本发明所述高速数据交换的多源图像共享方法可解决多路不同信号类型的视频源并发采集的问题；本发明在采集方式可灵活配置，既支持主动发送也支持被动方式；处理器配置可扩展，且连接形式多样，可满足不同场景的使用需求；本发明可解决多路视频高速共享和分组交换的问题，共享方式支持单播也支持组播，根据使用需求可对系统内部的SRIO链路进行分组管理和使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是基于SRIO的高速数据交换的多源图像硬件连接的示意图。
图2a是采集器使用SWRITE的方式主动将数据发送至接收端的寄存器地址空间内，并且每发一帧视频数据加一个门铃信息的示意图。
图2b是采集器将视频数据存储于本地寄存器地址空间，每完成一帧数据，发送一个门铃消息通信处理器端来本地读取数据的示意图。
图3是基于高速数据交换的多源图像共享装置流程图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，通过6UVPX背板将采集器、处理器A、处理器B和SRIO交换板连接起来，SRIO交换板、采集器、处理器并排插入系统，且系统中预留有处理器空间。采集器是发送方，最大可同时支持8路HD-SDI和4路PAL并发采集，其根据控制命令字，选取主动或被动的方式开始采集视频数据，处理器是接收方，可根据系统需求配置单个或多个处理器，本系统以配置处理器A和处理器B为例进行说明。SRIO交换板可设置为单播或组播实现视频数据的共享。
图2a所示采集器使用SWRITE的方式主动将数据发送至接收端的寄存器地址空间内，并且每发一帧视频数据加一个门铃信息。数据存储的寄存器缓存区分配2个连续缓冲区用于类似乒乓操作，当一帧视频数据到达时，门铃通知上位机去对应的地址空间取数据，读写过程在二个缓存区之间交替进行。视频帧数据源源不断到达，收到的帧数据每隔2帧之后才会被覆盖，给了处理器足够的时间处理，避免多次拷贝。每个缓冲区分为两个区域即有效数据和帧头，有效数据是指YUV 422原始视频数据；帧头包括总通道数、数据使能、目的ID、目的address、通道号、帧序号、宽、高、帧率共9个字段。具体定义如表1所示，本发明总通道数采用16通道；数据使能位表示16个通道每一个通道的开启与关闭；通道号表示当前选择的视频数据所在的通道号，帧序号表示当前帧画面的序号。图2b所示采集器将视频数据存储于本地寄存器地址空间，每完成一帧数据，发送一个门铃消息通信处理器端来本地读取数据。
表1
Figure BDA0002963801700000051
Figure BDA0002963801700000061
图3是高清视频帧SRIO接口传输方法流程图。其具体步骤如下：
步骤1，系统开机上电，SRIO交换板、采集器和处理器上电初始化；
步骤2，配置SRIO交换板路由器，配置采集器数据共享方式；
步骤3，控制采集器开启视频采集工作；
步骤4，采集器先发送一帧帧头数据，用来描述该通道视频源信号的参数以及该通道的状态，发送完一帧帧头数据后，发送一个门铃消息；
步骤5，采集器根据配置，结合事先商定的通信协议，将单帧视频切分为(Tw×Th)×2)/256个数据包，其中Tw是图像的宽，Th是图像的高，每个数据包256字节，最后以包为单位存放在本地寄存器空间或者发送至指定的ID和端口号；寄存器地址的取值根据数据包数的增加逐步累加，直至一帧图像的结束；每发送完一帧图像数据，发送一个门铃消息；
步骤6，采集器不断以一帧帧头加一帧图像数据的方式循环传输数据；；
步骤7，接收视频数据；处理器收到门铃信息后，先解析门铃的数据内容，再根据门铃的信息去及视频传输方式去本地或者采集器指定的地址空间读取视频数据；
步骤8，当采集器接收到采集停止指令后，采集器停止发送数据，处理器停止接收数据；当采集器接收到新的发送指令后，采集器解析命令字的内容，回到步骤3，重新进行数据的采集和发送；数据共享过程中，采集器、交换板及处理器均时刻监视链路的状态，当链路终断或发生异常，采集器和处理器端启动自检和自复位功能；
步骤9，控制指令交互，采用与视频共享相同的方式进行控制指令的交互。实现上仍以数据加门铃的方式，在寄存器地址空间上指定一片区域专门用于控制指令的交换。
本发明提供了一种基于高速数据交换的多源图像共享系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于高速数据交换的多源图像共享系统，其特征在于，包括采集器、处理器、SRIO交换板，所述采集器、处理器和SRIO交换板通过6UVPX背板连接；
所述采集器并发支持8路HD-SDI和4路PAL同时采集，根据应用需求，能够配置系统数据共享方式为主动或者被动；所述采集器采用FPGA加专用解码芯片的方式搭建，SRIO传输上采用底层FPGA封装完备的IPCore实现，对外接口为一套Avalon的Mast和Slave数据总线，数据传输过程中的数据时序需与Avalon接口时序相匹配；
采集器在采集数据时，先通过SDI解码芯片或PAL解码芯片将外部输入的信号解码为并行数字信号，由FPGA芯片将数字信号通过主动的方式送至SRIO交换板，SRIO交换板根据配置信息再将数据转发至指定的目的ID和地址空间；或者以被动的方式将视频数据存放在本地寄存器地址空间，再以门铃的方式通知对方；
根据系统需求配置单个或两个以上处理器，所述处理器采用FPGA加海思3559芯片的方式搭建，SRIO数据交换上以FPGA封装完备的IPCore进行收发，最终的数据处理在海思3559芯片中实现；处理器提供视频数据共享的传输机制，能够接收数据也能够对外发送数据；
所述SRIO交换板的连接方式设置为单播或组播；SRIO交换板以交换芯片CPS1848为核心构建SRIO互联体系，交换芯片CPS1848提供256个缓存可存储设备路由表，通过配置SRIO交换板的路由器来实现数据包分组交换的方式；
所述系统通过执行如下步骤完成多源图像共享：
步骤1，系统开机上电，SRIO交换板、采集器和处理器上电初始化；
步骤2，配置SRIO交换板路由器，配置采集器数据共享方式；
步骤3，控制采集器开启视频采集工作；
步骤4，采集器先发送一帧帧头数据，用来描述通道视频源信号的参数以及通道的状态，发送完一帧帧头数据后，发送一个门铃消息；
步骤5，采集器根据配置，结合事先商定的通信协议，将单帧视频切分为(Tw×Th)×2/256个数据包，其中Tw是图像的宽，Th是图像的高，每个数据包256字节，最后以包为单位存放在本地寄存器空间或者发送至指定的ID和端口号；寄存器地址的取值根据数据包数的增加逐步累加，直至一帧图像的结束；每发送完一帧图像数据，发送一个门铃消息；
步骤6，采集器不断以一帧帧头加一帧图像数据的方式循环传输数据；
步骤7，接收视频数据；处理器收到门铃信息后，先解析门铃的数据内容，再根据门铃的信息及视频传输方式去本地或者采集器指定的地址空间读取视频数据；
步骤8，当采集器接收到采集停止指令后，采集器停止发送数据，处理器停止接收数据；当采集器接收到新的发送指令后，采集器解析命令字的内容，回到步骤3，重新进行数据的采集和发送；数据共享过程中，采集器、交换板及处理器均时刻监视链路的状态，当链路终断或发生异常，采集器和处理器端启动自检和自复位功能；
步骤9，控制指令交互，采用与视频共享相同的方式进行控制指令的交互。
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