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基于CPCI總線架構的實時圖像信號處理平臺
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

  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、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PIN TO PIN連通。

  這樣設計,為業務板間建屯線性擴展,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。

  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問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PICMG 2.1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。

圖2數據流程

  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PJ386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P1、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。

系統的工作原理框圖

  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,該系統的任務主要足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。

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