基于DSP的CPCI總線架構設計的實時圖像信號處理平臺

DSP+FPGA混用設計

為了提高算法效率，實時處理圖像信息，本處理系統(tǒng)是基于DSP+FPGA混用結構設計的。業(yè)務板以FPGA為處理核心，實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的實時圖像處理，DSP實現(xiàn)了部分的圖像處理算法和FPGA的控制邏輯，并響應中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。

首先，本系統(tǒng)要求DSP可以滿足算法控制結構復雜、運算速度高、尋址靈活、通信能力強大的要求。所以，我們選擇指令周期短、數(shù)據(jù)吞吐率高、通信能力強、指令集功能完備的DSP。同時也考慮了DSP功耗和開發(fā)支持環(huán)境等要素。

由于從探測儀傳來的低層A/D信號，其差值預處理算法的數(shù)據(jù)量大，對處理速度的要求高，但運算結構簡單，選用百萬門級FPGA進行硬件實現(xiàn)。

采用DSP＋FPGA混用的硬件系統(tǒng)就把兩者的優(yōu)點結合到一起，即兼顧了速度和靈活性，又滿足了底層信號處理和高層信號處理的要求。因此，非常適合實時信號處理系統(tǒng)。
系統(tǒng)架構設計

CompactPCI作為PCI總線的電氣、軟件和工業(yè)組裝標準，是當今最新的計算機標準之一。CompactPCI總線的高速、堅固、可靠、穩(wěn)定，與PCI軟件的良好兼容性，使得它成為工控領域最流行和通用的計算機接口總線。

CPCI目前最高傳輸速度528MB/s，可用的PCI－X的最高傳輸速度可達1066MB/s。

在高速堅固，可靠穩(wěn)定的技術基礎上，本系統(tǒng)設計了可運用客戶自有協(xié)議的CPCI背板和接口統(tǒng)一、高度模塊化的CPCI業(yè)務板。

綜合業(yè)務處理平臺

綜合業(yè)務處理平臺是指在單一平臺實現(xiàn)多路信號預處理、復雜圖像算法、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)控制等任務。這不僅要求硬件必須具備高性能，可以進行實時處理，同時，嵌入式的應用環(huán)境還要求體積小、重量輕、功能強、可靠性高。

完整的系統(tǒng)由以下幾個模塊構成：箱體，電源，背板，A/D預處理板與信號處理板等。
箱體，電源和背板

箱體采用標準19英寸上架的外型尺寸。內部空間:支持2U 4槽CPCI背板;支持2個3U CPCI 電源。箱體背部雙電源輸入接口,通斷式開關(支持常開)。以便響應斷電后系統(tǒng)重啟的要求。

3U CPCI電源支持熱插拔；采用和系統(tǒng)一體的智能管理電源背板；支持AC輸入。

背板上有4個6U插槽，每個插槽有5個插座：P1，P2，P3，P4，P5。P1,P2為標準PCI,提供5V/3.3V信號環(huán)境。

系統(tǒng)槽P3，P3，P5定義按照系統(tǒng)板MIC-3369定義標準。

擴展槽:P1，P2，P3，P4，P5 采用穿透型長針,前后穿透,配護套。P1，P2這樣設計，前插板和后插板都可以根據(jù)實際需求從背板上取得供電。P3,P4,P5提供完善的信號前后路由。

此外，3個擴展槽的P3之間、P4之間、P5之間設計為PIN TO PIN連通。

這樣設計，為業(yè)務板間建立線性擴展，上一級處理模塊與下一級模塊通信建立了物理通信端口。

A/D預處理板

考慮到系統(tǒng)每個業(yè)務板都要處理多路輸入，而且工程安裝設備要求便利，我們專門為模擬輸入的信號調理設計一個標準的處理模塊：尺寸為233.35mm×80mm×1槽空間。這樣信號線全部在箱體后部接入。每個業(yè)務板一一對應預處理的數(shù)字信號按照預定的方式通過P5高速傳送到對應業(yè)務板上的FIFO。FIFO控制器根據(jù)觸發(fā)的有效來變換工作方式。

圖1 A/D預處理

信號處理板

考慮到系統(tǒng)擴展和故障排除的便利，業(yè)務處理板設計成統(tǒng)一的架構。這樣，用戶針對不同的處理業(yè)務只要更改設計好的軟件內核，硬件接口程序和用戶界面都不用更改。同樣，排除故障時只要更換同樣的業(yè)務板即可完成。

圖2 數(shù)據(jù)流程

業(yè)務處理板尺寸為233.35mm×160mm×1槽空間；支持PICMG 2.1熱插拔規(guī)范。

板上DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放業(yè)務處理過程所需要的數(shù)據(jù)。
PMC I/O擴展板

實際應用于工程時，模塊化的系統(tǒng)部件通常需要接受外部指令或通過特定的I/O接口輸出數(shù)據(jù)。我們采用了PMC卡來解決。PMC(PCI Mezzanine Card )規(guī)范IEEE 1386 給出了mezzanine模塊的標準。它提供了一種針對不同載板規(guī)格高性價比的實現(xiàn)I/O功能的方式。

圖3 PMC示意圖

PMC標準是把PCI總線信號映像到P1386板卡上。單模塊尺寸單((74mm x 149mm)上的前突起部分用來接通I/O，通過標為P1、P2、P3、P4的四個聯(lián)接頭與載板上PCI互聯(lián)。

用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的要求選擇標準PMC網(wǎng)絡接口卡接受和傳輸數(shù)據(jù)。也可以按照需要定制各種串口I/O接口卡，完成時統(tǒng)調度。

系統(tǒng)處理板

MIC-3369采用低功耗 Pentium -M處理器和優(yōu)化的Intel*E7501＋ICH4R芯片組，具有支持64BIT/66MHz的 系統(tǒng)總線，提供了3.2GB/s的帶寬，性能具有極佳的競爭力。MIC-3369在設計上支持PICMG2.16規(guī)范,兼容PICMG 2.9規(guī)范，能夠與遠程管理系統(tǒng)平臺協(xié)同工作。
系統(tǒng)應用

(遠)紅外遙測系統(tǒng)

在(遠)紅外遙測系統(tǒng)中開展紅外數(shù)字視頻信號成像的實時處理系統(tǒng)。

在對大尺度空間或復雜地形進行遙感觀瞄時，采用了多個紅外頻段的探測器。根據(jù)不同的精度數(shù)據(jù)進行處理，繪制出圖像輸出到顯示終端，并把大量數(shù)據(jù)快速存儲到本地硬盤供后續(xù)使用。

系統(tǒng)的工作原理框圖示于圖4。

圖4 系統(tǒng)結構示意圖

實時目標探測系統(tǒng)

在IC生產(chǎn)或精密器件研磨加工都使用了工業(yè)視頻處理系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，并行輸入輸出的信號頻率一般不高，但對信號處理精度和實時性的要求很嚴格。

我們應用上述架構實現(xiàn)了一個實時目標檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的任務主要是接收多個工位上傳的位置量傳感器，位移量傳感器和攝像頭輸出的灰度圖象，經(jīng)預處理、編碼、算法處理和目標識別后，輸出結果到顯示終端，同時發(fā)出指令給控制電路。其中，低層的處理，其運算數(shù)據(jù)量大，但運算結構較規(guī)則，適于用FPGA進行純硬件實現(xiàn)；而算法處理及目標識別等高層圖象處理，要用到多種協(xié)議結構，用DSP編程來實現(xiàn)。系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。

圖5 平臺結構示意圖

結語

采用本文介紹的體系結構,能夠在一個開放的模塊化的平臺上迅速實現(xiàn)高密度高可靠性的系統(tǒng)。它具有以下特點：

1. 低 MTTR，高可用性；
2.系統(tǒng)配置靈活和升級、維護方便；
3.方便實施系統(tǒng)定制，降低研發(fā)成本；
4．迅速實現(xiàn)專屬應用，提高競爭優(yōu)勢。