基于研华CPCI总线架构设计的实时图像信号处理平台

一. 系统设计的相关技术

1．1 DSP+FPGA混用设计简介

    为了提高算法效率，实时处理图像信息，本处理系统是基于DSP+FPGA混用结构设计的。业务板以FPGA为处理核心，实现数字视频信号的实时图像处理，DSP实现了部分的图像处理算法和FPGA的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。 

    首先，本系统要求DSP可以满足算法控制结构复杂，运算速度高，寻址灵活，通信能力强大的要求。所以，我们选择指令周期短、数据吞吐率高、通信能力强、指令集功能完备的DSP。同时也考虑了DSP功耗和开发支持环境等要素。

    由于从探测仪传来的低层A/D的信号，其差值预处理算法的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构简单，选用百万门级ＦＰＧＡ进行硬件实现。  

    采用DSP＋FPGA混用的硬件系统就把两者的优点结合到一起，即兼顾了速度和灵活性，又满足了底层信号处理和高层信号处理的要求。因此，非常适合实时信号处理系统。 

    实时信号处理系统是指对运算速度要求高、运算种类多、宽带数据传输的综合性信息处理系统。

1．2 系统架构设计简介

    CompactPCI作为PCI总线的电气、软件和工业组装标准，是当今最新的计算机标准之一。CompactPCI总线的高速、坚固、可靠、稳定，与PCI软件的良好兼容性，使得它成为工控领域最流行和通用的计算机接口总线。 
    CPCI目前最高传输速度528MB/s，可用的PCI－X的最高传输速度可达1066MB/s。
    在高速坚固，可靠稳定的技术基础上，本系统设计了可运用客户自有协议的CPCI背板和接口统一、高度模块化的CPCI业务板。

二. 综合业务处理平台

2．1 简述 

    综合业务处理平台是指在单一平台实现多路信号预处理、复杂图像算法、图像显示、数据存储、系统控制等任务。这不仅要求硬件必须具备高性能，可以进行实时处理，同时，嵌入式的应用环境还要求体积小、重量轻、功能强、可靠性高。完整的系统由以下几个模块构成：箱体，电源，背板，A/D预处理板与信号处理板等。

2．2 箱体，电源和背板 

    箱体采用标准19英寸上架的外型尺寸。内部空间:支持2U 4槽CPCI背板;支持2个3U CPCI 电源。箱体背部双电源输入接口,通断式开关(支持常开)。以便响应断电后系统重启的要求。3U CPCI电源支持热插拔；采用和系统一体的智能管理电源背板；支持AC输入。背板上有4个6U插槽，每个插槽有5个插座：P1,P2,P3,P4,P5。P1,P2为标准PCI,提供5V/3.3V信号环境。系统槽P3,P3,P5定义按照系统板MIC-3369定义标准。扩展槽:P1,P2,P3,P4,P5 采用穿透型长针,前后穿透,配护套。P1,P2这样设计，前插板和后插板都可以根据实际需求从背板上取得供电。P3,P4,P5提供完善的信号前后路由。此外，3个扩展槽的P3之间、P4之间、P5之间设计为PIN TO PIN连通。这样设计，为业务板间建立线性扩展，上一级处理模块与下一级模块通信建立了物理通信端口。

2．3 A/D预处理板

    考虑到系统每个业务板都要处理多路输入，而且工程安装设备要求便利，我们专门为模拟输入的信号调理设计一个标准的处理模块：尺寸为:233.35mm*80mm*1槽空间。这样信号线全部在箱体后部接入。每个业务板一一对应 

    预处理的数字信号按照预定的方式通过P5高速传送到对应业务板上的FIFO。FIFO控制器根据触发的有效来变换工作方式。 [page]

 
2．4 信号处理板


    考虑到系统扩展和故障排除的便利，业务处理板设计成统一的架构。这样，用户针对不同的处理业务只要更改设计好的软件内核，硬件接口程序和用户界面都不用更改。同样，排除故障时只要更换同样的业务板即可完成。

业务处理板尺寸为：233.35mm*160mm*1槽空间；支持PICMG 2.1热插拔规范。

板上ＤＳＰ和ＦＰＧＡ各自带有ＲＡＭ，用于存放业务处理过程所需要的数据。

 

2．5 PMC I/O扩展板


    实际应用于工程时，模块化的系统部件通常需要接受外部指令或通过特定的I/O接口输出数据。我们采用了PMC卡来解决。PMC(PCI MezzaNIne Card )规范IEEE 1386 给出了mezzanine模块的标准。它提供了一种针对不同载板规格高性能价格比的实现I/O功能的方式。 
 

    PMC标准是把PCI总线信号映像到P1386板卡上。单模块尺寸单（(74mm x 149mm)上的前突起部分用来接通I/O，通过标为P1、P2、P3、P4的四个联接头与载板上PCI互联。 

    用户可以根据现场的要求选择标准PMC网络接口卡接受和传输数据。也可以按照需要定制各种串口I/O接口卡，完成时统调度。

2．5 系统处理板 

        MIC-3369采用低功耗 Pentium -M处理器和优化的Intel*E7501＋ICH4R芯片组，具有支持64BIT/66MHZ的 系统总线，提供了3.2GB/s的带宽，性能具有极佳的竞争力。.  MIC-3369在设计上支持PICMG2.16规范,兼容PICMG 2.9规范，能够与远程管理系统平台协同工作。

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三．系统应用 

    3．1（远）红外遥测系统 

    在（远）红外遥测系统中开展红外数字视频信号成像的实时处理系统。

在对大尺度空间或复杂地形进行遥感观瞄时，采用了多个红外频段的探测器。根据不同的精度数据进行处理，绘制出图像输出到显示终端，并把大量数据快速存储到本地硬盘供后续使用。 

    系统的工作原理如下图：

3．2 实时目标探测系统

     在IC生产或精密器件研磨加工都使用了工业视频处理系统。在这样的系统中，并行输入输出的信号频率一般不高，但对信号处理精度和实时性的要求很严格。

    我们应用上述架构实现了一个实时目标检测系统，该系统的任务主要是接收多个工位上传的位置量传感器，位移量传感器和摄像头输出的灰度图象，经预处理、编码、算法处理和目标识别后，输出结果到显示终端，同时发出指令给控制电路。其中，低层的处理，其运算数据量大，但运算结构较规则，适于用ＦＰＧＡ进行纯硬件实现；而算法处理及目标识别等高层图象处理，要用到多种协议结构，用ＤＳＰ编程来实现。系统的示意图如下：

四．总结

    采用本文介绍的体系结构,能够在一个开放的模块化的平台上迅速实现高密度高可靠性的系统。它具有以下特点：

1. 低 MTTR，高可用性
2.系统配置灵活和升级、维护方便
3.方便实施系统定制，降低研发成本
4．迅速实现专属应用，提高竞争优势