梅茹 邱浩淼 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

PEX8311在超聲系統(tǒng)中的應(yīng)用

梅茹 邱浩淼 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

本文從PEX8311工作模式、硬件電路設(shè)計以及軟件設(shè)計等方面，介紹了PCIe專用橋接芯片PEX8311在超聲系統(tǒng)中的應(yīng)用方式。通過本文的設(shè)計，可以高效實(shí)現(xiàn)超聲圖像數(shù)據(jù)在計算機(jī)與超聲模塊之間快速實(shí)時的傳輸。

PEX8311 PCIe 超聲

20世紀(jì)中期，超聲開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷中。隨著科技的進(jìn)步，超聲診斷憑借其非創(chuàng)傷性、實(shí)時性、直觀性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于臨床診斷中，并成為臨床診斷的一項重要方法。超聲診斷設(shè)備經(jīng)歷了從模擬技術(shù)到數(shù)字計數(shù)的轉(zhuǎn)變，隨著其技術(shù)的不斷進(jìn)步，對圖像實(shí)時性的要求越來越高，對圖像處理的復(fù)雜性也越來越強(qiáng)，計算機(jī)在超聲圖像處理中的作用也越來越大，為了滿足這些需求，需要采用傳輸速率更快的接口來實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與超聲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

PCIe是PCIE Express的簡稱，它是計算機(jī)PCI總線的一種。PCIe沿用了PCI總線的編程概念及通訊標(biāo)準(zhǔn)，同時，相對于傳統(tǒng)PCI總線在單一時間周期內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)單向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，PCIe的雙單工連接能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10GB/s以上，并且PCIe設(shè)備支持熱拔插以及數(shù)據(jù)同步傳輸，這些特點(diǎn)使PCIe具有廣泛的通用性。

1.系統(tǒng)設(shè)計簡介

PEX8311是PLX Technology公司發(fā)布的一款專用于標(biāo)準(zhǔn)處理器、DSP、FPGA總線接口的PCIe橋接器件。該芯片具有一條雙向帶寬為2.5Gbps的PCIe線路（x1），兼容PCI Express的基本規(guī)范，提供了并行低開銷本地總線和串行基于包的PCIe內(nèi)部連接間的有效轉(zhuǎn)換。

圖1. 系統(tǒng)框圖

PEX8311具有兩個獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸出通道，可以用于同步雙向通信、同步主模式與從模式，還具有四個用來編程控制其他系統(tǒng)IC的通用I/O、集成的SerDes物理層接口以及8KB的通用目的閃存。此外，該芯片支持高性能DMA塊傳輸數(shù)據(jù)引擎，該DMA功能承載了PCIe端口與CPU獨(dú)立本地總線標(biāo)準(zhǔn)間的數(shù)據(jù)傳送，可以有效減輕主CPU的處理負(fù)擔(dān)。

PEX8311提供完整的本地總線到PCIe的接口，包括地址轉(zhuǎn)換、包生成與解碼、中斷處理及并行到串行的轉(zhuǎn)換。它的本地總線頻率最高可達(dá)66MHz，本地端總線位寬可以配置為8位、16位或32位位寬，同時本地端可以支持復(fù)合操作模式和非復(fù)合操作模式。該芯片采用低功耗設(shè)計，其I/O口兼容3.3V及5V電壓。

本設(shè)計中，利用PEX8311將計算機(jī)和超聲模塊連接在一起，實(shí)現(xiàn)超聲圖像數(shù)據(jù)和控制參數(shù)在計算機(jī)和超聲端的通信。由于該芯片是PCIe x1的結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合本設(shè)計中PEX8311的工作模式，最終只需要通過8條線就能跟計算機(jī)的PCIe x1接口進(jìn)行連接，系統(tǒng)構(gòu)造比較方便。系統(tǒng)的簡要框圖如圖1所示。

2.PEX8311工作原理

PEX8311支持兩種工作模式：Endpoint和Root Complex 模式。同時支持三種數(shù)據(jù)傳輸方式：Direct Master、Direct Slave和DMA方式。

本設(shè)計采用計算機(jī)控制PEX8311實(shí)現(xiàn)超聲圖像數(shù)據(jù)的讀取和超聲控制參數(shù)的下載。結(jié)合PEX8311工作模式以及超聲圖像傳輸需求，設(shè)計中把PEX8311配置為Endpoint模式，本地總線配置為非復(fù)合操作模式（即本地總線地址/數(shù)據(jù)不進(jìn)行復(fù)用），本地總線位寬設(shè)置為32位，時鐘頻率66MHz，傳輸方式采用Direct Slave和DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。另外，PEX8311外部搭配兩個串行EEPROM，一個用來配置PCIe端的內(nèi)部配置寄存器，另一個用來配置本地端的內(nèi)部配置寄存器。

2.1 Direct Slave模式

當(dāng)計算機(jī)和超聲端FPGA進(jìn)行控制參數(shù)的讀寫操作時需要較高優(yōu)先級，而Direct Slave模式時計算機(jī)端的PCIe接口具有最高的優(yōu)先權(quán)來發(fā)起數(shù)據(jù)的讀或?qū)懻埱螅宰x寫控制參數(shù)時采用Direct Slave數(shù)據(jù)傳輸模式。

當(dāng)Direct Slave模式寫數(shù)據(jù)時，PCIe接口發(fā)起一個寫數(shù)據(jù)請求并同時寫數(shù)據(jù)到PEX8311，在PEX8311內(nèi)部的PCIe地址空間仲裁器將有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻irect Slave模式寫FIFO，然后再通過本地總線端將數(shù)據(jù)傳送給與之連接的FPGA。圖2a是Direct Slave模式寫數(shù)據(jù)示意圖。

當(dāng)Direct Slave模式讀數(shù)據(jù)時，PCIe接口先發(fā)起讀數(shù)據(jù)請求到PEX8311，PEX8311對本地總線做出仲裁并成為本地總線的主控設(shè)備，接著PEX8311通過本地總線端接口從FPGA讀取數(shù)據(jù)到其內(nèi)部FIFO，PEX8311通過讀取FIFO操作將數(shù)據(jù)傳送到PCIe地址空間，最后PEX8311返回PCIe讀請求完成來作為讀數(shù)據(jù)完成標(biāo)志。圖2b是Direct Slave模式讀數(shù)據(jù)示意圖。

圖2 a. Direct Slave寫數(shù)據(jù)示意圖

圖2 b. Direct Slave讀數(shù)據(jù)示意圖

圖3. DMA模式示意圖

2.2 DMA模式

當(dāng)計算機(jī)端讀取超聲端存儲的圖像數(shù)據(jù)時需要傳輸大量數(shù)據(jù)，而PEX8311的DMA數(shù)據(jù)傳輸模式是一種不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式，可以很大程度上減輕了CPU資源占有率，所以傳輸圖像采用DMA數(shù)據(jù)傳輸模式。

無論是計算機(jī)端的PCIe接口還是超聲端的FPGA，都可以通過設(shè)置DMA控制寄存器來確定PEX8311中的PCIe端和本地端的數(shù)據(jù)存儲起始地址、數(shù)據(jù)傳輸長度和數(shù)據(jù)傳輸方向。在本設(shè)計中，計算機(jī)端擁有主控權(quán)，可以控制圖像數(shù)據(jù)何時讀取。圖3描述了在進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)讀取時DMA模式的操作原理。

3.硬件設(shè)計

3.1 PCI Express接口部分

本設(shè)計中，PEX8311的PCIe控制端通過8條信號線與“金手指”連接。該部分的電路原理圖如圖4所示。

其中，PERST#是PEX8311的復(fù)位端。REFCLKp /REFCLKn是一對差分時鐘輸入，由系統(tǒng)主板提供，其工作頻率為100MHz。PETp/PETn是一對差分輸出信號，而PERp/PERn是一對差分輸入信號?！敖鹗种浮钡腜RSNT1#和PRSNT2#直接相連，保證在接入PCI Express連接器時能被系統(tǒng)檢測到。

3.2 PEX8311本地總線部分

在本設(shè)計中，PEX8311的本地總線端用32位數(shù)據(jù)總線，地址總線只需要用32位的高30位即可。除了地址總線和數(shù)據(jù)總線之外，還有幾條控制信號線與圖像存儲FPGA進(jìn)行連接，這幾條信號線分別為：

ADS#：地址開關(guān)。表示一個有效地址的開始和一個新的總線訪問，只在總線訪問的第一個時鐘有效。

BLAST#：最后傳輸標(biāo)示。表示當(dāng)次傳輸?shù)淖詈笠粋€數(shù)據(jù)。

LHOLD：本地總線請求。有效時標(biāo)示PEX8311請求使用本地總線。

LHOLDA：本地總線請求應(yīng)答。FPGA對LHOLD信號的請求進(jìn)行應(yīng)答，PEX8311獲得總線使用權(quán)。

LW/R#：本地端讀寫標(biāo)示。

READY#：本地端數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)示。當(dāng)該信號有效時，表示FPGA已經(jīng)準(zhǔn)備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)了。

BREQi：總線請求輸入。該信號有效時，PEX8311將釋放總線。

LINTi#：本地中斷信號。

以上這幾條控制信號線與地址、數(shù)據(jù)總線相互配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。圖5是PEX8311電路板實(shí)物圖。

3.3 FPGA控制邏輯

FPGA的控制邏輯部分主要是通過編寫邏輯代碼來實(shí)現(xiàn)FPAG與PEX8311本地總線端的數(shù)據(jù)通信。

本設(shè)計中與PEX8311進(jìn)行通信的FPGA采用Xilinx公司的XC3S400A芯片，該芯片的主要任務(wù)是將數(shù)字信號處理后的圖像數(shù)據(jù)通過PEX8311的本地總線端傳送給計算機(jī)，同時將計算機(jī)產(chǎn)生的控制參數(shù)傳送給數(shù)字信號處理模塊。

為了完成與PEX8311本地總線端的數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA內(nèi)部通過一個狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)這部分的功能。圖6是FPGA內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的流程圖。

當(dāng)檢測到ADS#為零時，說明數(shù)據(jù)傳輸開始，此時根據(jù)LW/R#的狀態(tài)可以判斷數(shù)據(jù)的傳輸方向。

當(dāng)LW/R#為1時，表示PC端的數(shù)據(jù)通過PEX8311寫入FPGA，此時若BLAST#不為0，則數(shù)據(jù)可以一直寫入到FPGA，直到檢測到BLAST#為零時，表示當(dāng)次傳輸結(jié)束。

圖5. PEX8311電路板

圖6. FPGA內(nèi)部狀態(tài)機(jī)

當(dāng)LW/R#為0時，表示PC端通過PEX8311讀取圖像數(shù)據(jù)，此時需要判斷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，若數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了則可以開始傳送數(shù)據(jù)。由于圖像數(shù)據(jù)是一直在更新的，所以在傳送數(shù)據(jù)的過程中，除了要判斷數(shù)據(jù)傳送是否結(jié)束（BLAST#的狀態(tài)）之外，還要判斷當(dāng)前的圖像數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。若傳輸沒有結(jié)束而圖像數(shù)據(jù)也沒有準(zhǔn)備好，則需要通過控制BREQi來暫停傳輸，同時需要進(jìn)行超時計數(shù)，若在設(shè)定的時間內(nèi)圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，則恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，否則就要進(jìn)入出錯處理。無論是正常傳輸還是出錯處理，最終都需要通過控制PEX8311本地總線端的信號來使數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

4.軟件設(shè)計

PCIe的軟件設(shè)計主要包括驅(qū)動程序和主機(jī)應(yīng)用接口程序。

本設(shè)計使用Windows Driver Kits來進(jìn)行驅(qū)動程序的開發(fā)，驅(qū)動程序主要完成設(shè)備的初始化、創(chuàng)建設(shè)備對象、響應(yīng)外部硬件中斷并將其傳遞給應(yīng)用程序、DMA操作等工作。

應(yīng)用程序是基于 MFC進(jìn)行開發(fā)，通過人機(jī)交互界面接收用戶的設(shè)置，應(yīng)用程序調(diào)用芯片廠商提供PLX SDK API跟驅(qū)動程序通訊，驅(qū)動程序?qū)EX8311進(jìn)行硬件初始化和配置，將設(shè)置好的控制數(shù)據(jù)等信息傳遞到驅(qū)動程序，然后將控制數(shù)據(jù)傳遞到硬件端并從硬件端讀取圖像數(shù)據(jù)回傳到應(yīng)用接口程序中，最終在軟件層完成超聲圖像的顯示。

5.結(jié)論

本設(shè)計使用PLX Technology公司的PEX8311實(shí)現(xiàn)了超聲成像診斷系統(tǒng)中超聲模塊和計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)測試應(yīng)用軟件從超聲模塊讀取圖像數(shù)據(jù)的速率通?？梢赃_(dá)到每秒150MB以上。若每幀超聲圖像的數(shù)據(jù)量為256KB，則超聲數(shù)據(jù)傳輸幀頻可以達(dá)到200幀/s以上，完全能滿足超聲圖像快速實(shí)時傳輸?shù)囊蟆?/p>

[1] PEX 8311 ExpressLane PCI Express-to-Generic Local Bus Bridge Data Book [DB/OL]. Version 0.90 April, 2006. www. plxtech.com

[2] 伍于添.醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備原理·設(shè)計·應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.2012.

[3] PEX 8311RDK Hardware Reference Manual[DB/OL].Version 0.90 December, 2005. www.plxtech.com

The Application of PEX8311 in Ultrasonic System

MEI Ru QIU Hao-miao LI De-lai Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co., Ltd., (Shantou 515041)

In this article, the application of PEX8311 in Ultrasonic system is introduced from the aspects of the working mode of PEX8311, the design of hardware circuit and software design. Through the design of this article, the data can be efficiently implemented in the fast and real-time transmission between the computer and the ultrasonic module.

PEX8311, PCIe, ultrasonic

1006-6586(2016)05-0014-05

R445.1

A

2016-04-05

梅茹，碩士，工程師；邱浩淼，碩士