基于ＣＰＣＩ總線架構設計的實時圖像信號處理平臺

摘要：本文主要介紹了基于CPCI總線設計的實時信號處理業務所需的一種專用設備平臺。

關鍵詞：CPCIBUS；平臺；實時信號處理；DSP+FPGA

系統設計

DSP+FPGA混用設計

為了提高算法效率，實時處理圖像信息，本處理系統是基于DSP+FPGA混用結構設計的。業務板以FPGA為處理核心，實現數字視頻信號的實時圖像處理，DSP實現了部分的圖像處理算法和FPGA的控制邏輯，并響應中斷，實現數據通信和存儲實時信號。

首先，本系統要求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、數據吞吐率高、通信能力強、指令集功能完備的DSP。同時也考慮了DSP功耗和開發支持環境等要素。

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據量大，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。

采用DSP+FPGA混用的硬件系統就把兩者的優點結合到一起，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。

系統架構設計

CompactPCI作為PCI總線的電氣、軟件和工業組裝標準，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，可靠穩定的技術基礎上，本系統設計了可運用客戶自有協議的CPCI背板和接口統一、高度模塊化的CPCI業務板。

綜合業務處理平臺

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

完整的系統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3UCPCI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重啟的要求。

3U CPCI電源支持熱插拔；采用和系統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信號環境。

系統槽P3，P3，P5定義按照系統板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PINTOPIN連通。

這樣設計，為業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每個業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。每個業務板一一對應預處理的數字信號按照預定的方式通過P5高速傳送到對應業務板上的FIFO。FIFO控制器根據觸發的有效來變換工作方式。

信號處理板

考慮到系統擴展和故障排除的便利，業務處理板設計成統一的架構。這樣，用戶針對不同的處理業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務板即可完成。

業務處理板尺寸為233.35mm×160mm×1槽空間；支持PICMG2.1熱插拔規范。

板上DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放業務處理過程所需要的數據。

PMC I/O擴展板實際應用于工程時，模塊化的系統部件通常需要接受外部指令或通過特定的I/O接口輸出數據。我們采用了PMC卡來解決。PMC(PCIMezzanine Card)規范IEEE 1386給出了mezza-nine模塊的標準。它提供了一種針對不同載板規格高性價比的實現I/O功能的方式。

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

用戶可以根據現場的要求選擇標準PMC網絡接口卡接受和傳輸數據。也可以按照需要定制各種串口I/O接口卡，完成時統調度。

系統處理板

MIC-3369采用低功耗Pentium-M處理器和優化的Intel*E7501+ICH4R芯片組，具有支持64BIT/66MHz的系統總線，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規范，兼容PICMG 2.9規范，能夠與遠程管理系統平臺協同工作。

系統應用

(遠)紅外遙測系統

在(遠)紅外遙測系統中開展紅外數字視頻信號成像的實時處理系統。

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。根據不同的精度數據進行處理，繪制出圖像輸出到顯示終端，并把大量數據快速存儲到本地硬盤供后續使用。

系統的工作原理框圖示于圖4。

實時目標探測系統

在IC生產或精密器件研磨加工都使用了工業視頻處理系統。在這樣的系統中，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了一個實時目標檢測系統，該系統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，同時發出指令給控制電路。其中，低層的處理，其運算數據量大，但運算結構較規則，適于用FPGA進行純硬件實現；而算法處理及目標識別等高層圖象處理，要用到多種協議結構，用DSP編程來實現。系統的示意圖如圖5所示。

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高密度高可靠性的系統。它具有以下特點：

1．低MTTR，高可用性；

2．系統配置靈活和升級、維護方便；

3．方便實施系統定制，降低研發成本；

4．迅速實現專屬應用，提高競爭優勢。

參考文獻

1．張家田、嚴正國、劉峰，DSP綜合應用技術，機械工業出版社

2．PICMG 2.0，2.5，2.3規范