CN214175090U - 基于fpga的高速数据采集及并行控制板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于集成电路设计及机器人硬件技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，旨在解决现有技术中小型移动平台或工业机械臂等设备实现多传感器的高速数据采集与处理、多电机的并行控制以及多设备的组网困难的问题，本申请提供一种基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，该板卡以Xilinx Kintex‑7FPGA为计算处理单元，可实现较大规模的高性能图像及视频处理等并行计算。对于移动设备或固定小型设备可能面临的需要高速音视频信号实时传输、处理、进行高性能计算或构建伺服系统的场景均适用。本申请的板卡通用性好，扩展性强，适用的场景多，可嵌入各种设备中作为处理器或信号采集处理装置使用。

Description

基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡

技术领域

本实用新型属于集成电路设计及机器人硬件技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡。

背景技术

近年来人工智能与机器人技术在以互联网为代表的新兴行业中取得了长足的发展，随着相关技术的成熟，智能制造成为了人工智能与机器人技术的下一个重点，在国家层面上也得到了大力支持。高速数据采集在基于机器感知和控制的智能制造行业中极为重要。目前的机器感知数据以视觉信息为主，由于视觉信息尤其是高速视觉信息数据量非常大，对于小型移动平台或工业机械臂等设备，实现多传感器的高速数据采集与处理、多电机的并行控制以及多设备的组网是一个困扰智能技术方法在工业制造中应用的难题。

目前的解决方法主要包括两种，一种是使用工控机外接高速数据传输模块进行数据采集，数据处理过程在工控机上进行；还有一种是使用单片机或者DSP开发板进行音视频数据的采集与处理。这两种方法都存在高速接口短缺及扩展困难，并行处理能弱的缺点。其中第一种方法还存在工控机体积较大，不适合安装在移动设备上的问题，此外工控机成本较高，不适合大规模使用。第二种方法的问题是一般的单片机或DSP开发板集成度较低，对大规模数据处理的能力较差，对于帧率远高于普通视频的高速视频数据的处理可能需要进行低帧率采样等处理再进行视觉伺服控制，这样一来高速视频数据的采集就失去了意义。

此外，一般的单片机或DSP开发板对于多种数据输入输出接口的支持可能会存在不足，在模块和外围设备选择上可能会有一定的限制。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中小型移动平台或工业机械臂等设备实现多传感器的高速数据采集与处理、多电机的并行控制以及多设备的组网困难的问题，本申请提供了一种基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，包括FPGA，以及分别与所述FPGA通信连接的AUDIO音频采集单元、可扩展接口单元、串行接口单元、高速接口单元、图像输入/输出单元、模拟输入/输出单元和辅助单元；所述可扩展接口单元设置有FMC接口、多路并行PMOD接口和FFC接口；所述串行接口单元设置有多路并行RS422/485串口通信模块；所述高速接口单元设置有PCIE接口和千兆以太网接口；所述图像输入/输出单元设置有MIPI接口、双路CSI接口、HDMI接口和多路并行通用IO接口；所述模拟输入/输出单元设置有多路AD/DA接口和一个XADC模块；所述辅助单元包括系统加密模块、实时时钟模块和温度监测模块。

在一些优选技术方案中，所述高速接口单元包括第一PCIE接口和第二PCIE接口，所述第一PCIE接口用于与主板PCIE插槽匹配以作为计算机的附加板卡使用，所述第二PCIE接口用于与外部设备连接。

在一些优选技术方案中，所述可扩展接口单元还配置有GPIO接口。

在一些优选技术方案中，还包括调试单元，所述调试单元包括4路调试辅助LED灯、2路按键和两种程序下载接口，所述两种程序下载接口包括USB下载接口和JTAG下载接口。

在一些优选技术方案中，所述串行接口单元还设置有I2C接口、SPI接口、UART接口、SATA接口和USB接口。

在一些优选技术方案中，还包括存储单元，所述存储单元配置有两个DDR3芯片、一个FLASH芯片和一个EEPROM芯片，所述DDR3芯片、所述FLASH芯片和所述EEPROM芯片分别与所述FPGA通信连接。

在一些优选技术方案中，所述多路并行RS422/485串口通信模块包括两路RS422接口和一路RS485接口。

在一些优选技术方案中，该板卡还配置有12V直流电源插口。

在一些优选技术方案中，该板卡还包括BUCK降压电路和电压选择开关，所述电压选择开关用于对所述电源插口输入的电能进行转换，所述电源插口输入的电能通过所述电压选择开关选择后基于所述BUCK降压电路向所述FPGA、所述AUDIO音频采集单元、所述可扩展接口单元、所述串行接口单元、所述高速接口单元、所述图像输入/输出单元、所述模拟输入/输出单元和所述辅助单元供电。

在一些优选技术方案中，所述FPGA为XILINX公司的Kintex-7型号芯片。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的板卡尺寸较小，可以作为大多数中小型移动嵌入式设备的计算核心使用。该板卡以Xilinx Kintex-7 FPGA为计算处理单元，可实现较大规模的高性能图像及视频处理等并行计算。对于移动设备或固定小型设备可能面临的需要高速音视频信号实时传输、处理、进行高性能计算或构建伺服系统的场景，如基于视觉的工业机械臂操作、移动机器人的视听觉定位与导航、传感器网络系统构建等均适用。本实用新型所配置的模块和接口均采用通用标准进行设计，且模块和接口类型众多，扩展性好，适用的场景多，可嵌入各种设备中作为处理器或信号采集处理装置使用。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一种实施例的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡的功能结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例中电源供电分配示意图；

具体实施方式

为使本实用新型的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。

本实用新型的一种基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，包括FPGA，以及分别与所述FPGA通信连接的AUDIO音频采集单元、可扩展接口单元、串行接口单元、高速接口单元、图像输入/输出单元、模拟输入/输出单元和辅助单元；所述可扩展接口单元设置有FMC接口、多路并行PMOD接口和FFC接口；所述串行接口单元设置有多路并行RS422/485串口通信模块；所述高速接口单元设置有PCIE接口和千兆以太网接口；所述图像输入/输出单元设置有MIPI接口、双路CSI接口、HDMI接口和多路并行通用IO接口；所述模拟输入/输出单元设置有多路AD/DA接口和一个XADC模块；所述辅助单元包括系统加密模块、实时时钟模块和温度监测模块。

为了更清晰地对本实用新型基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡进行说明，下面结合附图对本实用新型一种优选实施例进行展开详述。

作为本实用新型的一个优选实施例，本实用新型的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡如图1所示，包括FPGA，优选地，FPGA为XILINX公司的Kintex-7型号芯片。本实用新型以Xilinx Kintex-7FPGA为计算处理单元，Xilinx Kintex-7 FPGA使用28nm制程工艺，包含240个DSP slices，计算速度可达144GMACS，可以实现较大规模的高性能图像及视频处理等并行计算。

为了增强本实用新型板卡的通用性，本实用新型的板卡还配备了一路FMC_HPC高速扩展接口、一路FFC接口，该接口可扩展DF50、两路PMOD接口、16路GPIO接口、一路Ethernet千兆网接口、多路并行通用IO口、两路并行PCIE接口、一路HDMI高清多媒体接口、一路DDR3接口、一路SATA存储器接口、一路外接USB接口。以使得本实用新型能够进行高速数据传输、存储和控制。实现小型嵌入式设备上的高速数据采集与存储等功能，支持大规模音视频等数据的并行计算，通过多路I/O和模数-数模转换模块可实现多电机的并行运动控制。基于此设置，本实用新型板卡能有效提高基于高速视觉及其他传感信息的工业机械臂目标检测、跟踪与抓取、移动机器人路径规划与导航，同时也能作为工业大规模生产的底层信号采集器与控制器实现多智能设备的协同。

参阅图1，本实用新型采用模块化设计，该板卡包括FPGA芯片，以及分别与FPGA芯片通信连接的调试单元、可扩展接口单元、串行接口单元、高速接口单元、图像输入/输出单元、存储单元、AUDIO音频采集单元、模拟输入/输出单元和辅助单元。

其中调试单元包括4路调试辅助LED灯、2路按键和两种程序下载接口，两种程序下载接口包括USB下载接口和JTAG下载接口。

可扩展接口单元包括一个50P的FFC接口、一个400P的FMC接口、一个20P的GPIO接口和两个12P的PMOD接口，其中，P表述引脚数，属于本领域技术人员专业用语，在此不再过多赘述。PMOD接口为传感器检测模块，其可以用于温度、压力等传感信息的采集，也适用于FPGA开发板卡与外设实现连接。

串行接口单元包括多路并行RS422/485串口通信模块，多路并行RS422/485串口通信模块包括两路RS422接口和一路RS485接口，此外，串行接口单元还包括一个I2C接口、一个SPI接口、一个UART接口、一个SATA接口和一路USB接口，本申请的RS422/485/串口通信模块支持数据远距离传输与控制，便于基于此板卡设计总线型控制系统。

此外，SATA接口可以扩展系统存储空间，USB接口能够支持扩展存储或者鼠标键盘等外围输入设备用于在移动设备平台上开发或测试程序。

高速接口单元包括两个PCIE接口和一个千兆以太网接口，其中，两个PCIE接口分别为第一PCIE接口和第二PCIE接口，即PCIE公头和PCIE母头，PCIE公头用于与主板PCIE插槽匹配以作为计算机的附加板卡使用，PCIE公头用于与外部设备连接，即本申请既可以作为计算机的附加板卡使用，也可以作为主机连接其他PCIE板卡。本实用新型的两路并行PCIE x4接口支持高速的串行点对点双通道高带宽数据传输，外接高性能计算单元可以提高板卡性能，外接工控机可作为图像处理或控制功能板卡。千兆以太网接口可以满足大量数据并行实时传输所需的接口和带宽，提高数据传输的实时性和可靠性，方便板卡数据通过交换机存储到服务器中。

图像输入/输出单元包括一路HDMI接口、多路通用高速I/O接口、两路MIPI接口和两路CSI接口，其中，多路通用高速I/O接口模块可用于外接其他模块扩展系统功能，也可用于向电机或其他执行装置发送控制指令，或者外接传感器采集音视频以外的数据。HDMI接口支持图像以及声音等信号的传输，通过连接外设可以实现系统内的数据输出及可视化。双路MIPI高速视频采集模块、双路CSI串行高速图像传输接口，可支持多个相机的高速视频数据传输。该接口模块具有信号线少、传输速度快的特点，此外由于其传输低压差分信号，产生的信号干扰小，具有较强的抗干扰能力。

存储单元包括两个DDR3芯片、一个FLASH芯片和一个EEPROM芯片。

AUDIO音频采集单元包括一个支持音响、耳机、MIC三种接口的处理模块，其能够支持对场景中音频信号的采集，便于收集音频信号并以此为基础构建听觉伺服系统。

模拟输入/输出单元包括4路DA接口和一个XADC模块。

辅助单元包括系统加密模块、实时时钟模块和温度监测模块，系统加密模块可以实现板卡上存储数据的加密保护，避免敏感数据处于无保护状态或者泄露。

本实用新型板卡可进行一定规模的高速视觉数据计算，支持基于视觉信息的多点并行运动控制。适用于智能设备、移动机器人的传感信息融合、视觉计算与伺服控制。

进一步地，本实用新型还配置有12V直流电源插口，以用于与外部电源电性连接。该板卡还包括BUCK降压电路和Switch电压选择开关，Switch电压选择开关用于对电源插口输入的电能进行转换，电源插口输入的电能通过Switch电压选择开关选择后基于BUCK降压电路向FPGA、调试单元、存储单元、AUDIO音频采集单元、可扩展接口单元、串行接口单元、高速接口单元、图像输入/输出单元、模拟输入/输出单元和辅助单元供电。

图2为本实用新型的电源分配图，图中Switch为电压选择开关，BUCK为降压电路。本实用新型的板卡既可以作为工控机或其他设备的功能卡，也可以作为母卡连接其他设备。因此本实用新型的主供电包括两种方式，一种是通过电源插口外接12V电源，另一种是通过PCIE接口提供12V电源。Switch选择之后的电压通过保护电路(过流及防反接保护)进行降压分别得到1.0V/10A和5V/3A的电源。1.0V/10A的电源给Xilinx Kintex-7芯片进行供电，5V/3A进行降压得到AC3.3V、1.1V、2.5V、1.5V、3.3V、2.8V、1.8V和1.2V等电压，进而给各单元中的每个模块进行供电。为了提高本申请的可扩展性，本实用新型中BANK12/13/15/17/18分别可以选择多种电压供电，这些电压可以通过Switch开关进行选择。该设置使得本申请板卡上FPGA芯片各BANK使用可变电压进行供电，更大的实现了系统功能的可扩展性。

表1列出了Xilinx Kintex-7芯片每个BANK对应的功能划分，其中USB和JTAG两种程序下载功能通过BANK0的部分引脚实现，XADC通过BANK0、BANK12、BANK15的部分引脚共同完成，MIPI通过BANK12和BANK34的部分引脚实现，422通过BANK12和BANK32的部分引脚实现，加密芯片通过BANK12的部分引脚实现，AUDIO通过BANK13的部分引脚实现，FMC通过BANK13/15/16/17/115/116的部分引脚实现，FLASH、USB、温度监测和EEPROM通过BANK14的引脚完成，RJ-45通过BANK14和BANK115的部分引脚完成，GPIO通过BANK17和BANK18的部分引脚实现，其中部分GPIO的引脚与LED/KEY/422/UART/485和USB功能进行复用，PMOD通过BANK18的部分引脚实现，DDR3通过BANK32和BANK33的引脚实现，部分串行通信功能(422,485，UART,I2C)通过BANK32的部分引脚实现，DA、可编程时钟和高速晶振通过BANK32的部分引脚实现，CSI和HDMI通过BANK32的部分引脚实现，SATA通过BANK116的部分引脚实现，两路PCIE通过BANK117和BANK118实现，BANK117还可以控制可编程晶振。

表1：本实用新型一种实施例中FPGA各BANK功能划分示意。

Xilinx Kintex-7 FPGA可以提供低成本优化的串行连接性、存储器和逻辑性能，在信号处理性能、功耗和成本之间取得了平衡，支持无线网络部署，可以满足3D高清显示器的性能要求，同时提供高速音视频采集和处理所需的高性能和带宽。其内部结构除了IOB，CLB，BRAM之外，还嵌入了DSP48E1，PCIE，GTX，XADC等单元，相比传统FPGA性能得到了大幅提升。因此作为本实用新型板卡的核心处理单元能够满足权利要求中提到的高速音视频数据采集、处理与伺服运动控制等功能的实现。

该板卡适用于小型固定或移动设备上的高速传感信息数据采集、处理与计算，以及基于传感信息的多点并行运动控制。在进行数据采集和并行控制之前，需要配置合适的传感器，如摄像头、麦克风等。然后根据预先设计好的功能和需求，进行FPGA硬件编程实现相应的功能和需求，然后嵌入到对应的设备中进行调试并使用。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本实用新型卡正面包括Xilinx Kintex-7 FPGA，直流电源插口，上述各种输入输出模块及其接口外围电路，其中本申请板卡的Xilinx Kintex-7 FPGA设置于正面中间偏左位置；此外还搭载了系统加密模块，RTC时钟模块；边缘位置安装了双路PCIE接口、MIPI-CSI接口、通用高速I/O接口、USB接口、Ethernet千兆网接口、AUDIO音频采集模块、PMOD传感器检测模块、RSS422/485串口通信模块、HDMI高清多媒体接口、SATA接口；边缘还配备了12V直流电源插头。为了减小板卡体积和质量，减少各部分器件之间的连线，优化走线，合理利用板上空间，本申请对模块外围电路以及端口电容和电阻的位置进行了精心设计，便于在小型或移动设备上使用，实现了可嵌入在移动设备上的高性能高速数据采集与处理以及多点并行控制功能。

本实用新型的板卡上搭载了AUDIO音频采集模块，MIPI双路高速视频采集模块，双路CSI视频采集模块，多路并行RS422/485/串口通信模块，多路并行PMOD传感器检测模块，FMC_HPC高速扩展接口，Ethernet千兆网接口，多路并行通用IO口，两路并行PCIE接口，HDMI高清多媒体接口，多路AD/DA模块，一路可扩展DF50接口模块；此外，为了便于存储数据，板上搭载FLASH存储功能模块，以及DDR3接口，SATA存储器接口模块，外接USB接口模块；其他模块包括系统加密功能模块，外接RTC时钟模块等，电路板由多种12V电源模块进行供电。板卡可进行高速音视频数据采集、处理与存储，同时可以基于视听传感信息进行多点并行运动控制与伺服。

本实用新型板卡围绕Xilinx Kintex-7 FPGA的核心功能进行设计。基于此FPGA进行扩展实现了AUDIO音频采集模块，MIPI双路高速视频采集模块，双路CSI视频采集模块，多路并行PMOD传感器检测模块等音视频数据采集模块在板卡上的集成。通过外接摄像头、麦克风阵列及模块支持的其他类型传感器，可以实现相应的音视频及其他大规模传感器数据信息的高速采集。

本实用新型板卡输入输出接口包括一路400P的FMC_HPC高速扩展接口，一路可扩展DF50接口，一路Ethernet千兆网接口，多路并行通用IO口，两路并行PCIE接口，一路HDMI高清多媒体接口，一路DDR3接口，一路SATA存储器接口，以及一路外接USB接口。这些输入输出接口可用于高速数据传输、外接传感器和电机，以及功能扩展(如外接存储模块等)。

本实用新型板卡集成了DDR3，SATA，USB等扩展接口，其中DDR3接口可为板卡扩展256/512Mb的运行内存，SATA和USB接口可为板卡扩展只读内存。较大容量的运行内存可以提高板卡的运行速度与并行计算能力，扩展的只读内存可以用于存储采集到的大规模音视频数据。由于高速相机采集帧率高，图像和视频体积较大，可扩展内存功能有效提高了数据存储的数量，避免了高频率的数据擦除。

本实用新型板卡上搭载多路通用I/O模块以及AD/DA数模-模数转换模块，可以实现数字信号和模拟信号之间的相互转换，提供的多路通用I/O模块及串口通信模块可以实现多个电机/运动控制器的并行控制，适用于多自由度机械臂或移动机器人的运动控制。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，包括FPGA，以及分别与所述FPGA通信连接的AUDIO音频采集单元、可扩展接口单元、串行接口单元、高速接口单元、图像输入/输出单元、模拟输入/输出单元和辅助单元；所述可扩展接口单元设置有FMC接口、多路并行PMOD接口和FFC接口；所述串行接口单元设置有多路并行RS422/485串口通信模块；所述高速接口单元设置有PCIE接口和千兆以太网接口；所述图像输入/输出单元设置有MIPI接口、双路CSI接口、HDMI接口和多路并行通用IO接口；所述模拟输入/输出单元设置有多路AD/DA接口和一个XADC模块；所述辅助单元包括系统加密模块、实时时钟模块和温度监测模块。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，所述高速接口单元包括第一PCIE接口和第二PCIE接口，所述第一PCIE接口用于与主板PCIE插槽匹配以作为计算机的附加板卡使用，所述第二PCIE接口用于与外部设备连接。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，所述可扩展接口单元还配置有GPIO接口。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，该板卡还包括调试单元，所述调试单元包括4路调试辅助LED灯、2路按键和两种程序下载接口，所述两种程序下载接口包括USB下载接口和JTAG下载接口。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，所述串行接口单元还设置有I2C接口、SPI接口、UART接口、SATA接口和USB接口。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，该板卡还包括存储单元，所述存储单元配置有两个DDR3芯片、一个FLASH芯片和一个EEPROM芯片，所述DDR3芯片、所述FLASH芯片和所述EEPROM芯片分别与所述FPGA通信连接。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，所述多路并行RS422/485串口通信模块包括两路RS422接口和一路RS485接口。

8.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，该板卡还配置有12V直流电源插口。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，该板卡还包括BUCK降压电路和电压选择开关，所述电压选择开关用于对所述电源插口输入的电能进行转换，所述电源插口输入的电能通过所述电压选择开关选择后基于所述BUCK降压电路向所述FPGA、所述AUDIO音频采集单元、所述可扩展接口单元、所述串行接口单元、所述高速接口单元、所述图像输入/输出单元、所述模拟输入/输出单元和所述辅助单元供电。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于FPGA的高速数据采集及并行控制板卡，其特征在于，所述FPGA为XILINX公司的Kintex-7型号芯片。

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