基于研华CPCI总线架构设计的实时图像信号处理平台

[摘要] 本文主要介绍了基于CPCI 总线设计的实时信号处理业务所需的一种专用设备平台。平台基本方案的主要部分是采用DSP+FPGA混用设计的业务板、电气接口以及物理形状因数。架构设计选择开放式的Compact PCI总线作为基本,采用CPCI标准平台用于I/O处理。 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。 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。 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 研华股份有限公司(台湾股票上市代码：2395)： 为全球领先的电子平台服务供应商，是一家整合了web基础技术，计算机平台和客制化服务的互联世界领导者。研华与系统集成伙伴为各行各业客户的不同需求提供了更满意更优质的加值服务。研华有超过千种以上的产品和解决方案，主要应用在：嵌入式及应用计算平台、网络应用平台、产业电脑和工业自动化等方面。研华有2,700多名优秀员工在17个国家33个世界主要城市，为遍布全球的客户提供更专业，更迅捷的支持与服务！免费服务电话：800-820-2280