基于VU13P VU系列FPGA的高性能CoaXpress 图像采集系统

简介

1.1CoaXPress 简介

CoaXPress (简称CXP)是指一种采用同轴线缆进行互联的相机数据传输标准，主要用于替代之前的Camera Link协议，常见于科学相机、工业相机、医学图像、航空防务等场景。Camera Link 由于线缆的形式、传输速度等原因，已经不再适用于不断增长的数据带宽需求。

CXP是一个非对称的高速点对点串行传输协议，主要用于传输视频和静态图像，线缆多使用单条或多条同轴电缆。目前2.0标准的最高速度为单条lane 12.5Gbps，单条lane 上除了传输图像数据之外，还可以传输低速控制信号(41.6Mbps)、也可以利用该线缆对相机进行供电，即“Power-over-Coax”，单条线缆最长可达100m。

单条同轴线缆最高12.5Gbps的线速率，可以使用单条或者多条线缆，比如4条线缆可以最高提供50Gbps的数据速率
较长的线缆长度，比如3.125 Gbps 速率下线长可以到100m，12.5Gbps速率下可以到35m
数据传输具备实时和低延迟的特性，且延迟是固定的
精准实时的触发特性，支持通过同轴线缆发送触发，无需额外的通讯线缆
可以获得灵活可靠的性能，通过使用标准的同轴线缆，比如RG59 和 RG6规格，推荐使用RG6
易于集成的特性，图像、控制通讯、电源可以使用同一条线缆，且线缆价格便宜
CXP是一种点对点可扩展接口, 设备和HOST之间的物理介质为75Ω 同轴电缆。每一个CXP接口都包含1个MASTER连接和若干可选的扩展SLAVE连接，每一个连接都需要1条同轴线缆，通常设备会对这些连接进行编号，MASTER固定为0，SLAVE扩展接口依次递增。

图 1-1 CXP链接结构

每一个connection都包含如下功能

高速串行数据(通常为Device到 Host Downconnection), 最高 12.5 Gbps.
低速串行数据(通常为Host 到Device Upconnection), 最高 41.6˙ Mbps .
供电功能Power (Host 到 Device), 最高13W.

图 1-2 DownConnection 与Upconnection

表 1-1 CoaXPress 支持的高速信号速率
CXP Speed Bit Rate (Gbps)
CXP-1 1.250
CXP-2 2.500
CXP-3 3.125
CXP-5 5.000
CXP-6 6.250
CXP-10 10.000
CXP-12 12.500
1.2产品概述
HELLO-FPGA VU13P_PCIE16是一款专为工业成像应用设计的高性能四通道 CoaXPress (CXP) 图像采集卡。该板卡支持最新的 CoaXPress V2.0 标准，能够通过单根同轴电缆同时传输高速图像数据和电源（Power over CoaXPress, PoCXP），简化了系统集成与布线复杂度。此外，它还提供了丰富的外部接口与内部扩展接口，满足多种工业自动化需求。

VU13P_PCIE16 采用 AMD Virtex UltraScale+ FPGA 作为核心处理单元，提供强大的实时图像预处理能力与灵活的用户逻辑扩展选项。拥有顶级的逻辑和DSP资源，提供强大的并行算力，并通过GTY收发器、PCIe等高速接口实现了超群的数据吞吐能力。

该板卡配合一块4R类型子卡，可实现cxp接口转换，通过子卡上的cxp接口，可与外部相机或者模拟源通信，通过cxp线缆将对端的数据信号采集到VU13P板卡内部，并进行对应处理，再通过pcie接口送到上位机进行后续处理。

1.3主要特性

类别 特性说明
接口标准 支持 CoaXPress 2.0，四通道 HDBNC female connector，各通道最高 12.5Gbps
主机接口 PCIe Gen3 x16，向下兼容 Gen2/Gen1
FPGA 平台 Xilinx XCVU13P-FHGB2104-2-I，支持用户自定义逻辑开发
板载内存 4 GB DDR4 SDRAM（64-bit，2400 MHz），用于帧缓存与数据预处理
PoCXP 供电 通过 6-pin PEG 插座提供 12VDC 电源，对外最大 24V/1.7A 输出，具备电流监测功能
状态指示 板卡正常启动后，板卡上FPGADONE指示灯会高亮
2安全与合规
在安装、操作或维护CoaXPress Over Fiber Range Extender模块前，请仔细阅读本章内容。遵守以下安全指南可有效防止人身伤害、设备损坏或系统故障。

2.1安全使用注意事项

禁止未经许可拆开外壳。
禁止带电插拔CXP线缆，请先连接好线缆再完成上电。
PoCXP 供电限制：若使用 PoCXP 为相机供电，必须保证电源功率足够，最低要求12V 3A ，推荐12V 5A/6A。
禁止输入超过额定输入电压范围的电源。
避免在水溅雨淋、阳光直射、强电场、强磁场、强烈振动等场所储存与运输。
2.2静电防护（ESD）指南
VU13P_PCIE16 采用高密度 FPGA 和高速接口芯片，对静电放电（ESD）极为敏感。不当操作可能导致器件永久性失效。

操作前准备

在干燥环境中（相对湿度 <60%）操作；
使用防静电工作台、防静电腕带，并确保可靠接地；
将板卡存放于防静电袋中，直至安装。
安装建议
仅在需要安装时取出板卡；
握持板卡边缘，避免触碰金手指、FPGA、HDBNC 接口或 I/O 引脚；
若板卡已安装但长期未使用，请保持主机断电并置于干燥环境。

3 快速入手指南

欢迎使用VU13P_PCIE16图像采集卡！本章将帮助您从零开始，快速完成设备安装和软件配置。

3.1新手必读：开始之前
硬件要求：

主板：PCIe x8或x16插槽（推荐PCIe 3.0及以上）
电源：额定功率≥500W（使用PoCXP时需注意不要使用ATX 6-pin辅助电源，插入pcie即可供电）
内存：≥4GB RAM
硬盘：≥10GB可用空间
操作系统：
Windows 10/11 64位
Linux Ubuntu 18.04/20.04/22.04 64位
3.2硬件安装
3.2.1板卡安装
关闭主机电源并拔掉电源线，释放静电（建议佩戴防静电手环）。

打开机箱侧板，选择一个PCIe x8或x16 物理插槽（建议使用靠近 CPU 的插槽以获得最佳带宽）。将 VU13P_PCIE16 采集卡对准插槽，垂直均匀施力插入到底，

确保金手指完全接触。使用螺丝将板卡后挡板固定在机箱上，防止松动。

3.2.2供电要求
采集卡供电：通过 PCIe 插槽提供75W标准供电，无需外接电源。
相机供电：设计通过采集卡的PCIE接口直接对相机进行POC供电，无需外接电源。
注：板卡上ATX供电接口不可使用。
4VU13P_PCIE16
4.1硬件特性
4路独立接口，pcie gen3x16模式
FMC+，和FMC 4R子卡组合使用
FMC HPC 接口
2组DDR4，型号 MT40A512M16HA-083E
1路千兆网口
通过POC给相机供电，单路最大功率17W
0°-85°C 工作温度 (Industrial Grade)

图 3-1 VU13P_PCIE16板卡实物正面图

图 4-2 VU13P_PCIE16板卡实物背面图

4.2工程实现

4.2.1工程核心模块简介

4.2.1.1ddr4 IP核设置

MIG IP 控制器是 xilinx 为用户提供的一个 DDR控制的 IP，这样用户即使不了解 DDR 的控制和读写时序也能通过 DDR 控制器方便的读写 DDR 存储器。

DDR 控制器包含 3 部分：用户接口模块(User interface Block)，存储器控制模块(Memory Controller)和 DDR 的物理接口(Physical Layer)。开发人员只需要开发用户的逻辑设计跟 DDR 控制器的用户接口对接来读写 DDR 的数据。关于 DDR 控制器用户端的接口定义和时序的更多介绍，大家还是参考 Xilinx 提供的文档（PG150），接下来为大家介绍如何生成和配置 DDR 控制器。

建立工程，打开IP Catalog,选择DDR4 SDRAM（MIG）。Basic界面，参考时钟我们选择板卡对应的系统时钟 200MHz。这里选择相近 DDR 型号 MT40A512M16HA-083E，Data Width 选择 64 位。

【DDR4 IP配置界面】

4.2.1.2xdma ip核

XDMA IP核（DMA for PCI Express）是AMD（原Xilinx）提供的一个硬件IP核，全称是 "DMA Subsystem for PCI Express"。是一个专门负责在FPGA和主机（CPU内存）之间高速搬运数据的引擎。它让你可以通过标准的PCIe接口，利用DMA（直接内存访问，Direct Memory Access）技术，实现FPGA与上位机软件之间超高速、低延迟的数据传输，且CPU的干预极少。

【XDMA IP核配置】
在当前工程中，我们使用GEN3 X16模式，所以在ip的对应配置中选择8gt/s的速率和x16的lane宽度。

4.2.1.3DMA Stream接口

当前工程中，dma 位宽为256bit.

【DMA Stream接口框图】
视频输出接口定义为DMA总线，端口描述见下表

表 4-1 Video Stream DMA 接口
信号名称 输入/输出 位宽 描述说明
dma_clk 输入 STREAMS dma流时钟。
dma_data 输出 32*STREAM_WORDSxSTREAMS dma流数据。
dma_empty 输出 WIDTH_O(1)xSTREAMS dma空指示，指示一帧的最后一次传输。
dma_valid 输出 STREAMS dma流数据有效信号，当次信号变低时，传输暂停。
dma_ready 输入 STREAMS dma流数据接收准备信号。
dma_sop 输出 STREAMS 帧开始指示。
dma_eop 输出 STREAMS 帧结束指示。
dma_sol 输出 STREAMS 行开始指示。
dma_eol 输出 STREAMS 行结束指示。

1. The WIDTH_O is defined as Log2(4 x STREAM_WORDS)

Video DMA Stream是通用的视频流接口，具体数据与像素如何对应呢？

当STREAMS为1，STREAM_WORDS为4时，dma_data位宽为128，数据排列如下：

如果Device 传输像素是 8bit，则通过DMA总线的输出流数据将包含8位像素数据，每个时钟周期总共 16 个像素，pixel 0占据dma_data的[7:0], pixel 1占据dma_data的[15:8]，依次类推。
如果Device 传输像素是 10/12/14/16 位像素图像，则解码流将由 16 位像素组成数据，每个时钟周期总共 8 个像素。数据放在16bit的低10/12/14/16位，比如12bit像素输入时，第0个像素在dma_data[11:0]，第1个像素在dma_data[27:16]，以此类推。
DMA_SOP和DMA_EOP分别指示帧的开始和帧的结束。

DMA_SOL 和 DMA_EOL 分别指示行的开始和行的结束。

DMA_EMPTY 表示最后一次传输帧中的空字节数，在我们的设计中，该在数据有效时值总是为0，内部会对数据进行拼接。

【图4-3 Video DMA timing】
图 4-3 Video DMA timing(以14bit像素为例，图示共58个pixels)

1. dma_valid 和 dma_data 在 dma_clk 的上升沿置位， dma_ready 信号拉高，数据完成一次传输。

2. dma_sop 和 dma_sol 在 dma_valid 和 dma_ready 同时为高时置位，指示帧的开始。

3. 一旦 dma_ready 无效，传输就会暂停，此时依靠IP内部FIFO完成缓存。

4. 一旦 dma_ready 重新置位，传输就会继续。

5. dma_valid 高有效，拉底标识传输暂停。

6. dma_valid 重新有效则传输继续。

7. dma_eop 和 dma_eol 拉高，标识帧结束。 dma_empty 的值为 12，表示在数据包末尾，16 个bytes中有 12 个无效，4个有效，对于当前14bit像素而言，则有效像素数量为2。

8. dma_eop 置低，一帧传输完成。

4.2.2固化固件

这里需要注意，demo中的工程使用的是SPI×8，与SPI×4有很大区别。SPI×8需要向两个FLASH烧录两个不同的文件，这时我们需要在生成bit文件后，使用该bit文件生成两个mcs文件。点击Tools栏中的Generate Memory Configuration File...。

【Generate Memory Configuration File 菜单】
进入mcs文件生成界面。

【MCS文件生成界面】
生成文件类型选择MCS，flash型号选择下图红框中的型号。

【Flash型号选择截图】
接口选择SPI×8，bit文件选择刚才生成的bit文件，点击OK。等待如下图所示界面，表明mcs文件生成完毕。

接着按照之前的步骤烧录mcs文件，选择flash型号，进入如下界面。在红框中选择我们刚刚生成的mcs文件。点击OK。等待文件烧录完毕。

4.3 ImaGrab

ImaGrab 是星测电子设计的 Windows /Linux图形化客户端，无需编程即可完成CoaXPress设备发现、参数配置、实时预览与图像采集，适用于现场调试、系统集成与教学演示。更详细的Img-Grab软件使用说明请参阅《Img-Grab应用程序使用说明》https://img-grab.com/filedownload/3000793

4.3.1主要功能

扫描并枚举所有连接的PCIe采集卡以及采集卡挂载的相机；
支持 GenICam 标准参数树（曝光时间、增益、触发模式、ROI 等）；
实时图像显示（支持缩放）；
手动/自动采集控制；
PoCXP 供电开关与电流监测；
External I/O 触发信号配置（输入/输出方向、电平、路由）；
日志导出与固件升级入口。

4.3.2界面布局

ImaGrab 客户端采用模块化设计，主界面划分为六大功能区域，如图6-1所示。便于用户高效操作与监控。各区域功能如下：

区域 区域名称 功能描述
1 菜单栏 提供 文件（保存图像、导出日志）、视图（窗口布局）、设置（语言、单位）、工具和 帮助（版本信息、用户手册）等全局功能入口。
2 设备列表 实时显示当前系统中检测到的所有 PCIe-1004 采集卡及所连接的 CoaXPress 相机，支持多设备切换。
3 接口和设备信息 显示选中设备的详细信息，包括设备型号、序列号、固件版本、链路状态（CXP-12/CXP-6）、PoCXP 电流等。
4 图像预览窗口 实时显示相机采集的图像，并叠加显示帧率（FPS）、带宽占用、图像尺寸 等统计信息；支持缩放、伪彩、网格等可视化选项。
5 属性树面板 当设备成功连接后，此处显示其完整的 GenICam 参数树，包括 图像参数（Width, Height, PixelFormat）、采集控制（TriggerMode, ExposureTime）、I/O 配置（LineSelector, LineMode）等，支持实时修改与生效。

图 4-4 ImaGrab 客户端主界面

4.3.3ImgGrab快速使用流程

ImaGrab 客户端支持零配置快速上手。以下是连接相机并采集图像的基本操作步骤：

启动软件
双击桌面快捷方式 ImaGrab.exe 启动客户端。

扫描并连接相机
点击工具栏中的 【刷新设备】 按钮，系统将自动扫描 PCIe 插槽中的采集卡及挂载的 CoaXPress 相机；在设备列表（区域2）中双击目标相机，软件将自动建立连接、加载 GenICam XML 描述文件，并在属性树面板（区域5）中显示所有可配置参数。

配置相机参数
在右侧属性树中可查看或修改参数，如：

Width / Height：设置 ROI；

ExposureTime：调整曝光时间；

TriggerMode：选择触发模式（Off/On）；

LineSelector + LineMode：配置 External I/O 功能。

修改后参数通常立即生效（部分参数需停止采集后修改）。

开始图像采集
点击工具栏 【连续采集】 按钮，启动实时图像流；

图像将在 预览窗口（区域4）中显示，同时显示当前帧率（FPS）、分辨率等信息。

保存图像或视频
单帧保存：点击预览窗口上方的 【保存图像】 按钮，支持格式包括 BMP、JPG、PNG；

视频录制：点击 【录制视频】 按钮，数据将以原始二进制（.bin）格式保存，保留完整图像头信息，便于后续回放或分析。

视频回放
在菜单栏选择 【文件】→【创建回放系统】；

加载已保存的 .bin 视频文件，即可在 ImaGrab 中进行逐帧回放、参数重查与图像导出。

4.3.4GUI示例

图 4-5 ImaGrab vu13p实测图1

将板卡插入pcie接口，并通过cxp线缆将板卡上cxp接口和外部cxp相机连接，在程序启动后，通过所对应的上位机软件，便可以将相机所拍摄的图片通过VU13P板卡采集下来并在GUI界面播放。

图 4-6 ImaGrab 实测图2

对于采集速率的配置，根据不同型号相机支持不同速率的配置，最高支持12.5G，如图所示，点击GUI界面的Transport Layer Control，可进入传输层控制窗口，在该串口中，可以对采集速率进行相关配置，如图框中所示，CxpLinkConfigurationPreferred 为标签，不可更改，表示当前设备最推荐速率，CxpLinkConfiguration为速率配置选项，可在该处对设备速率进行相应配置，CxpLinkConfigurationStatus 为当前cxp链路的实际速率，不可配置，通常在我们更改速率后，需要在窗口上方点击刷新按钮后，同时重新检测查看。

对于gpio的控制使用功能，当前vu13p板卡固件中暂未延申出gpio接口，如需使用，需要对固件程序进行二次开发。